第八章 数模与模数转换器
合集下载
数字电子技术第8章数模和模数转换简明教程PPT课件
送到D/A寄存器中锁存。 WR 2 有效时，必须 XFER有效。
IOUT1：电流输出引脚1。随DAC寄存器的内容线性变化，当DAC寄存器输入全为1 时，输出电流最大，DAC寄存器输入全为0时，输出电流为0。
IOUT2：电流输出引脚2，与IOUT1电流互补输出，即IOUT1+ IOUT2=常数。 连。该运算放大器是将D/A芯片电流输出转换为电压输出VOUT。
DAC0832与80C51单片机的双缓冲方式接口电路
8.3 A/D转换器
8.3.1 A/D转换的基本原理
A／D转换过程包括采样、保持、量化和编码4个步骤。 1．采样和保持 (1) 采样是将时间上连续变化的信号转换为时间上离散的信号，即把时间上连续的模 拟量转换为一系列等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。 连续信号的采样过程如下图所示。
对于n位的权电阻网络D/A转换器，当反馈电阻为R/2时，输出电压的计算公式可写成
vO －
VREF 2
n
2
0
d 0 21 d1 2 n -2 d n -2 2 n -1 d n -1 －
VREF 2
n
Dn
vO 0 。 当输入的数字量 Dn =0时，
n 1 当 Dn =11…11时，vO － 2 n VREF 。
D/A转换器的转换时间是由其建立时间 t set 来决定的，表示从输入的数字量发生突变 开始，到输出电压进入与稳态值相差 1 LSB范围内的这段时间，如下图所示。
2
除了上述指标外，在使用D/A转换器时，还必须知道工作电源电压、输出方式、输出 值的范围和输入逻辑电平等，这些都可以在使用手册中查到。
D/A转换器的方框图如下图所示。
第八章 数模、模数转换器
上一页 下一页 返回
A/D转换器 8.2 A/D转换器
用二进制代码来表示各个量化电平的过程叫做编码。 用二进制代码来表示各个量化电平的过程叫做编码。 由于数字量的位数有限，一个n位的二进制数只能表示2 由于数字量的位数有限，一个n位的二进制数只能表示2n 个值，因而任何一个采样-保持信号的幅值， 个值，因而任何一个采样-保持信号的幅值，只能近似地逼近 某一个离散的数字量。 某一个离散的数字量。因此在量化过程中不可避免的会产生 误差，通常把这种误差称为量化误差。显然，在量化过程中， 误差，通常把这种误差称为量化误差。显然，在量化过程中， 量化级分得越多，量化误差就越小。 量化级分得越多，量化误差就越小。
上一页 下一页 返回
A/D转换器 8.2 A/D转换器
3．逐次逼近型模-数转换器 逐次逼近型模逐次逼近型模-数转换器一般由顺序脉冲发生器、 逐次逼近型模-数转换器一般由顺序脉冲发生器、逐次逼 近寄存器、 数转换器和电压比较器等几部分组成， 近寄存器、模-数转换器和电压比较器等几部分组成，其原理 框图如图 12所示 所示。 框图如图8-12所示。 一次转换过程如表 一次转换过程如表8-3和图8-15所示。 15所示。 所示
上一页 下一页 返回
D/A转换器 8.1 D/A转换器
8.1.3 T形电阻网络D/A转换器 T形电阻网络D/A转换器 形电阻网络D/A
为了克服权电阻网络D/A转换器中电阻阻值相差过大的缺 为了克服权电阻网络D/A转换器中电阻阻值相差过大的缺 D/A 点，又研制出了如图8-3所示的T形电阻网络D/A转换器，由R 又研制出了如图 所示的T形电阻网络D/A转换器， D/A转换器 和2R两种阻值的电阻组成T形电阻网络（或称梯形电阻网络） 2R两种阻值的电阻组成T形电阻网络（或称梯形电阻网络） 两种阻值的电阻组成 为集成电路的设计和制作带来了很大方便。网络的输出端接 为集成电路的设计和制作带来了很大方便。 到运算放大器的反相输入端。 到运算放大器的反相输入端。 提高转换速度和减小尖峰脉冲的有效方法是将图 提高转换速度和减小尖峰脉冲的有效方法是将图8-4电路 改成倒T形电阻网络D/A转换电路， D/A转换电路 所示。 改成倒T形电阻网络D/A转换电路，如图8-6所示。
数模和模数转换器的应用
的内容在DAC 寄存器中锁存。
• (3) 进入DAC 寄存器的数据送入D/ A 转换器转换成模拟信号, 且随时 可读取。DAC0832 在不同信号组合的控制下可实现三种工作方式: 双缓冲器型、单缓冲器型和直通型, 如图8-6 所示。
上一页 下一页 返回
8. 2 数/ 模转换器(DAC)
• ①双缓冲器方式, 如图8-6 (a) 所示: 首先, 给
下一页 返回
8. 3 模/ 数转换器(ADC)
• 1. 取样和保持 • 取样(又称抽样或采样) 是将时间上连续变化的模拟信号转换为时间上
离散的模拟信号, 即转换为一系列等间隔的脉冲。其过程如图8-7 信 号, UO 为取样后输出信号。 • 取样电路实质上是一个受控开关。在取样脉冲CP 有效期τ 内, 取样开 关接通, 使UO =UI; 在其他时间(Ts -τ) 内, 输出UO =0。因此, 每经过一 个取样周期, 在输出端便得到输入信号的一个取样值。 • 为了不失真地用取样后的输出信号UO 来表示输入模拟信号UI, 取样频 率f s 必须满足fs≥2fmax (此式为取样定理)。其中, fmax 为输入信号UI 的 上限频率(即最高次谐波分量的频率)。
• 倒T 型电阻网络DAC 的组成框图如图8-2 所示, 数据锁存器用来暂时 存放输入的数字量, 这些数字量控制模拟电子开关, 将参考电压源UREF 按位切换到电阻译码网络中变成加权电流, 然后经运放求和输出相应 的模拟电压, 完成D/ A 转换过程。
下一页 返回
8. 2 数/ 模转换器(DAC)
输入寄存器直接存入DAC 寄存器中并进行转换。这种工作方式称为
单缓冲方式, 即通过控制一个寄存器的锁存, 达到使两个寄存器同时选
通及锁存。
第8章模数及数模转换
D0
…
D/A 转换器
V(或I)
8.2 D/A转换器
❖ 8.2.1 权电阻网络D/A转换器
❖ 图是4位权电阻网络D/A转换器的原理图，由模拟电子开关阵列、权电阻网络、
运算放大器和基准参考电压源组成。
D3
D2
D1
D0
VREF
数字寄存器
Ｓ3
Ｓ2
Ｓ1
Ｓ0
RF
R
2R
4R
8R
—
V
＋
8.2 D/A转换器
❖ (1)数码寄存器：在锁存指令控制下，将输入数字量D3～D0存入寄存器中，使得 在一次完整的转换过程中输入的数字量保持稳定。
8.3 A/D转换器
❖ 8.3.1 A/D转换的基本原理
❖ A/D转换的功能就是将模拟信号转换为对应的数字信号。通常要求这种转换是线 性的，使得每次转换产生的若干位数字量可以真实地反映当前模拟量的大小。
采样
保持
量化
编码
Vi
S
Vs
Vo
C
S (t) ( a)
8.3 A/D转换器
❖ 通常采样和保持是由采样保持电路来实现的，
❖ 当第三个CP脉冲到达后，节拍脉冲CP2的下降沿使JK触发器FF1的输出Q1为0， FF0被直接置为l，Q2Q1Q0=D2D1D0=101，3位D/A转换器输出的比较电压为 VR=5V，此时因Vi>VR，故比较器输出仍为CO =l，各JK触发器的J=1，K=0。
8.2 D/A转换器
❖ 8.2.3 权电流型D/A转换器
❖ 上述两种D/C转换器都是利用电子开关将基准电压接到电阻网络中去，由于电子 开关存在导通电阻和导通压降，而且其值也各不相同，不可避免会引起转换误差； 而权电流型D/A转换器是将一系列的电流源通过控制开关引导到负载上，可以很 好地克服上述两种D/C转换器存在的缺陷。
第8章数模转换器与模数转换器
S0 S1 S2 S3
R ∞
O1 O2
－
＋
uo
I /1 6
2R 2R
I /8
2R
I/4
2R
I/2
2R
I= V REF / R
R
A B
R
C
R
D
I/8
I/4
I/2
I
－VREF
1. 倒T形电阻网络DAC
（1）电阻译码网络
电阻译码网络由R及2R两种电阻接成倒T形构成。由于网络两个输出端O1，O2都处 于零电位（O1点为虚地），所以从A、B、C任一节点向左看等效电阻都是2R， 如图（b）所示，因此，基准源电流I为
数据总线 d0～d7 (CS1)① (CS2)② 数据1锁存到①输入锁存器 (WR1)① 数据1输入①输入锁存器 (WR1)② 数据2输入②输入锁存器 WR2(XFER) ILE＝1 D/A寄存器锁存 数据2锁存到②输入锁存器
刷新模拟输出
8.1 DAC
8.1.3 1.
DAC的主要参数
第8章 数模转换器与模数转换器
ADC与DAC在工业控制系统中的作用举例。
非电模拟量
传感器
模拟信号
ADC
数字信号
数字系统
数字信号
DAC
模拟信号
执行机构
8.1 DAC
8.1.1 D/A转换基本原理
数字量是用代码按数位组合起来表示的，每一位代码都有一定的 权值。例如，二进制数1010，第四位代码权是23，代码“1”表 示数值为“8”；第三位代码权是22 ，代码“0”表示这一位没有 数；第二位代码权是21 ，代码“1”表示数值为“2”；第一位代 码权是20，代码“0”表示这一位没有数，这样1010所代表的十 进制数是8×1＋4×0＋2×1＋1×0＝10。可见，数模转换只 要将数字量的每一位代码，按其权数值转换成相应的模拟量， 然后将各位模拟量相加，即得与数字量成正比的模拟量。
R ∞
O1 O2
－
＋
uo
I /1 6
2R 2R
I /8
2R
I/4
2R
I/2
2R
I= V REF / R
R
A B
R
C
R
D
I/8
I/4
I/2
I
－VREF
1. 倒T形电阻网络DAC
（1）电阻译码网络
电阻译码网络由R及2R两种电阻接成倒T形构成。由于网络两个输出端O1，O2都处 于零电位（O1点为虚地），所以从A、B、C任一节点向左看等效电阻都是2R， 如图（b）所示，因此，基准源电流I为
数据总线 d0～d7 (CS1)① (CS2)② 数据1锁存到①输入锁存器 (WR1)① 数据1输入①输入锁存器 (WR1)② 数据2输入②输入锁存器 WR2(XFER) ILE＝1 D/A寄存器锁存 数据2锁存到②输入锁存器
刷新模拟输出
8.1 DAC
8.1.3 1.
DAC的主要参数
第8章 数模转换器与模数转换器
ADC与DAC在工业控制系统中的作用举例。
非电模拟量
传感器
模拟信号
ADC
数字信号
数字系统
数字信号
DAC
模拟信号
执行机构
8.1 DAC
8.1.1 D/A转换基本原理
数字量是用代码按数位组合起来表示的，每一位代码都有一定的 权值。例如，二进制数1010，第四位代码权是23，代码“1”表 示数值为“8”；第三位代码权是22 ，代码“0”表示这一位没有 数；第二位代码权是21 ，代码“1”表示数值为“2”；第一位代 码权是20，代码“0”表示这一位没有数，这样1010所代表的十 进制数是8×1＋4×0＋2×1＋1×0＝10。可见，数模转换只 要将数字量的每一位代码，按其权数值转换成相应的模拟量， 然后将各位模拟量相加，即得与数字量成正比的模拟量。
第八章数模和模数转换
n 1
R
D0 D1
2V REF 2 R 2V REF 2 R
i n n
(D0 2 )
0
V REF 2
n2
R
( D1 2 )
1
2V REF 2 R
n
(Di 2 )
I I 0 I 1 ... I n 1 2 V REF 2 R 2 V REF 2 R 2 V REF 2 R
模拟 电平 二进制 代码 代表的 模拟电平 模拟 电平 二进制 代码 代表的 模拟电平
1V
7/8
6/8 5/8 4/8 3/8
111
7= 7/ 8
6 = 6/8 5 = 5/8 4 = 4/0
1V 13/15 11/15 9/15 7/15 5/15
111 7 =14/15
二、转换速度 (一)建立时间 ts ts 为在大信号工作下（输入由全 0 变为全 1，或由 全 1 变为全 0）, 输出 电压达到某一规定值所需时间 。 不包含 UREF 和运放的单片 DAC 最短 ts < 0.1 s；包含 UREF 和运放的单片 DAC 最短 t s < 1.5 s。 (二)转换速率 SR 用大信号工作状态下模拟电压的变化率表示 完成一次转 上升时间 换所需时间 TTR = ts + tr （tf） 下降时间
I1
→I
－ ＋
A
模拟输出 VO
（2）工作原理
当输入数字D0=1时 I 0 当输入数字D1=1时 I 1 当输入数字Di=1时 I i
· · ·
Sn-1 VREF
Rn-1=20R
→In-1
V REF R0 V REF R1 V REF Ri
R
D0 D1
2V REF 2 R 2V REF 2 R
i n n
(D0 2 )
0
V REF 2
n2
R
( D1 2 )
1
2V REF 2 R
n
(Di 2 )
I I 0 I 1 ... I n 1 2 V REF 2 R 2 V REF 2 R 2 V REF 2 R
模拟 电平 二进制 代码 代表的 模拟电平 模拟 电平 二进制 代码 代表的 模拟电平
1V
7/8
6/8 5/8 4/8 3/8
111
7= 7/ 8
6 = 6/8 5 = 5/8 4 = 4/0
1V 13/15 11/15 9/15 7/15 5/15
111 7 =14/15
二、转换速度 (一)建立时间 ts ts 为在大信号工作下（输入由全 0 变为全 1，或由 全 1 变为全 0）, 输出 电压达到某一规定值所需时间 。 不包含 UREF 和运放的单片 DAC 最短 ts < 0.1 s；包含 UREF 和运放的单片 DAC 最短 t s < 1.5 s。 (二)转换速率 SR 用大信号工作状态下模拟电压的变化率表示 完成一次转 上升时间 换所需时间 TTR = ts + tr （tf） 下降时间
I1
→I
－ ＋
A
模拟输出 VO
（2）工作原理
当输入数字D0=1时 I 0 当输入数字D1=1时 I 1 当输入数字Di=1时 I i
· · ·
Sn-1 VREF
Rn-1=20R
→In-1
V REF R0 V REF R1 V REF Ri
第8章 数模和模数转换
第8章 数/模和模/数转换
但无论是权电阻网络D/A转换器还是倒T型电阻网 络D/A转换器,在分析的过程中,都把电子模拟开关当作 理想开关处理,没有考虑它们的导通电阻和导通电压降。 而实际上这些开关总有一定的导通电阻和导通电压降, 而且每个开关的情况不完全相同。它们的存在无疑将 引起转换误差,影响转换精度。为了克服这一问题,常采 用权电流型D/A转换器。
解:(1)根据式(8.2.2),可求得输入数字量d3d2d1d0 =0001时的输出电压为
u0
U REF 24
(d3 23
d2 22
d121
d0 20 )
0.5V
第8章 数/模和模/数转换
(2)根据式(8.2.2),可求得输入数字量d3d2d1d0 =0101时 的输出电压为
u0
U REF 24
第8章 数/模和模/数转换
2.转换精度
转换精度是实际输出值与理论计算值之差。这种差 值由转换过程的各种误差引起,主要是静态误差。它包括:
(1)非线性误差。它是由电子开关导通的电压降和电 阻网络电阻值偏差产生的,常用满刻度的百分数来表示。
(2)比例系数误差。它是参考电压UREF的偏离引起的 误差。以图8―2的倒T型电阻网络D/A转换器为例,如果 UREF偏离标准值ΔUREF,则输出将产生误差电压:
第8章 数/模和模/数转换
我们把将数字信号转换成模拟信号的电路或器件 称为数字－模拟转换器,又称D/A转换器或称DAC；将 模拟信号转换为数字信号的电路或器件称为模拟－数 字转换器,又称A/D转换器或称ADC。
为了保证数据处理的准确性,D/A转换器和A/D转 换器必须有足够的精度,同时,为了适应快速过程的控制 和检测的需要,D/A转换器和A/D转换器还必须有足够快 的转换速度。因此,转换精度和转换速度乃是衡量D/A 转换器和A/D转换器性能优劣的主要标志。
第八章-数模和模数转换器PPT课件
Digital - Analog Converter，简称 D / A 转换器。
常见 权电阻网络 D / A转换器 权电流网络 D / A转换器
D/A 转换器
倒 T 形电阻网络 D / A转换器
模数转换是把模拟量转换为数字量的过程。
实现模数转换的电路称模数转换器。
Analog - Digital Converter，简称 A / D 转换器。
(3)当输入数字量 D3D2D1D0=1111 时，输出电压的值。
解： uO
-
- 10 24
(0
23
0
22
0
21
1
20)
0.625 V
uO
-
- 10 24
(1
23
0
22
0
21
1
20)
5.625 V
uO
-
- 10 24
(1
23
1
22
1
21
1
20)
9.375 V
第 8 章 数模和模数转换器
返回首页
8.2.2 R-2R 倒 T 形电阻网络 D/A转换器
一、 电路组成
模拟开关 D0
D1
D2
D3 iΣ
倒T型 电阻网络
0
10 S0
10 S1
10 S2
1 S3
RF
-
△
∞ +
+
uO
2R 2R I0 2R I12R I22R I3
R
R
R
I0
I1
I2
I3
I
VREF
电流电压 转换电路 (简称 I/U 转换电路)
数字电子技术基础第八章
u D Ｉ “[ ]”表示取整。 △ 称为 ADC 的单位量化电压或量化单位， 它是 ADC 的最小分辨电压。
可见，输出数字量 D 正比于输入模拟量 uI 。
EXIT
…
数模和模数转换器
A /D 转换的一般步骤
输入模拟量 输出数字量
u I( t) S
C
u I ( t)
量化 编码 电路
EXIT
数模和模数转换器
2R
2R
I0
I0 2R R
I1 A
I12R R
I2 B
I22R R
I3 C
I3
VREF I
从 A、B、C 节点向左看去，各节点对地的等效电阻均为 2R。 VREF 因此，I = R I3 I I I 2 ( I )， 3 = 2 I3 = I = = 2 = 2 ( 24 )， 2 2 24 4 I1 I2 I I I 0( I ) 1 = 2 = 2 ( 4 )，I0 = 2 = I1 = = 24 16 2 2 8 I VREF 3 2 1 0 4 即 I3 = 2 I0 ， I2 = 2 I0 ， I1 = 2 I0 ， I 0 = 2 I0 4 2 2 R 可见，支路电流值 Ii 正好代表了二进制数位 Di 的权值 2i 。 EXIT
数模和模数转换器
模拟开关 Si 受相应数字位 Di 控制。当 Di = 1 时，开 关合向“1”侧，相应支路电流 Ii 输出；Di = 0 时，开关 合向“0”侧， Ii 流入地而不能输出。 iΣ = D3 I3 + D2 I2 + D1 I1 + D0 I0 = ( D3 23 + D2 22 + D1 21 + D0 20 ) I0 = D I0 VREF RF V R REF u = D I0 RF 4 0O ΣR F = -4 F = -D· u =- iD · 2 R 2 R RF D0 D1 D2 D3 VREF R iF Σ ∞ u = D · 对 n 位 DAC， O n - + 2 R VREF + 1 1 1 1 0 R =R 0 0 0· n 若取 S1 uO= SD F S0 ， 则 2 2 S3 2R n 位 2RDAC R I12R V 2R 分成 将参考电压 I0 2 I2REF I3 2n 份，uO 是 R R DAC 的输出电压。 R 可调节 每份的 D 倍。调节 VREF VREF I0 I1 I2 I3 I
数模和模数转换器
第八章 数模和模数转换器
所以电路中的电流关系如下：
第八章 数模和模数转换器
流入运放反相端的总电流在二进制数D控制下的表达式为
第八章 数模和模数转换器
输出电压
由上式可以看出，此电路完成了从数字量到模 拟量的转换。倒T形电阻网络由于其各支路电流不 随开关状态而变化，有很高的转换速度， 因此在 D/A转换器中被广泛使用。
2. ICL7106 A/D转换器 转换器 转换器
第八章 数模和模数转换器
ICL7106是双积分型CMOS工艺4位BCD码输出A/D转换器， 它包含双积分A/D转换电路、基准电压发生器、时钟脉冲产生 电路、自动极性变换、调零电路、七段译码器、LCD驱动器及 控制电路等。电路采用9 V单电源供电，CMOS差动输入， 可 直接驱动 位液晶显示器(LCD)。
3) 转换时间 转换时间 转换时间是A/D转换器完成一次从模拟量到数字 转换时间是A/D转换器完成一次从模拟量到数字 量的转换所需的时间，它反映了A/D转换器的转换速度。 量的转换所需的时间，它反映了A/D转换器的转换速度。
第八章 数模和模数转换器
8.2.2 典型的 典型的A/D转换器原理 转换器原理 1. 逐次比较型 逐次比较型A/D转换器 转换器
第八章 数模和模数转换器
在第二次积分结束时， 有 （8-3） 设CP脉冲的周期为TC，则式（7-3）可变为 即 （8-4）
（8-5）
第八章 数模和模数转换器
8.2.3 集成 集成A/D转换器及其应用 转换器及其应用 1. ADC0804 A/D转换器
图8-13 ADC0804外引线图
第八章 数模和模数转换器
1) 采样保持
第八章 数模和模数转换器
采样是在在时间上连续变化的信号中选出可供转换成数字 量的有限个点。根据采样定理，只要采样频率大于二倍的模拟 信号频谱中的最高频率， 就不会丢失模拟信号所携带的信息。 这样就把一个在时间上连续变化的模拟量变成了在时间上离散 的电信号。由于每次把采样电压转换成数字量都需要一定的时 间，因此在每次采样后必须将所采得的电压保持一段时间。 完 成这种功能的便是采样保持电路。图8-9示出了采样保持电路的 原理电路。
内工大微机原理 第八章 数模和模数转换器1
A/D转换器 8-3 A/D转换器
一、A/D转换器的功能 转换器的功能 将模拟量（电压或电流） 将模拟量（电压或电流）转换为与该数值成正 比的数字量输出 。 二、A/D转换器的类型 A/D转换器的类型 计数型 逐次逼近型 双积分型
1、计数型A/D转换器的转换原理 计数型A/D转换器的转换原理 A/D
0809转换时间大约为100µs，可在启动0809后，延时等 待100µs，此时可确定A/D已转换结束，直接采集数据。
如：设0809端口地址为98H，将通道7（IN7）的模拟 0809端口地址为98H，将通道7 IN7） 端口地址为98H 量转换为数字量送存AL。 量转换为数字量送存AL。 AL MOV OUT CALL IN AL， AL，0000 0111B 98H， 98H，AL D150µ D150µs AL， AL，98H ；选择IN7 选择IN7 ；启动A/D转换器 启动A/D转换器 A/D ；延时150 µs 延时150 ；采集数据
2、逐次逼近型A/D转换器的转换原理 逐次逼近型A/D转换器的转换原理 A/D
输出数字量1000 0000
逐次逼近型A/D转换器的 逐次逼近型A/D转换器的 A/D 转换原理与计数型基本相 同，但转换速度快。 但转换速度快。
N
模拟输入>D/A转换值？
Y
输出数字量0100 0000 输出数字量1100 0000
输入数字量
8-2 DAC0832
一、DAC0832的结构及主要管脚
说明： 1、当ILE、CS、WR1有效时,输入寄存器的输出随输入而变。 输入寄存器的输出随输入而变。 输入寄存器的输出随输入而变 DAC寄存器的输出随输入而变。 2、当XFER、WR2有效时,DAC寄存器的输出随输入而变。 DAC寄存器的输出随输入而变 任一控制信号无效时，数据则被锁存 锁存。 锁存 3、0832D/A转换器为电流输出型（数字量 需要外接运算放大器将电流转换为电压。 4、0832采用双缓冲器(锁存器)结构,提供三种工作方式。 三种工作方式。 三种工作方式 ①无缓方式 ②单缓方式 ③双缓方式 电流），
数字电子技术课件 第8章_数模和模数转换器
2.转换速度
（1）建立时间tset 在输入数字量各位由全0变为全
1，或由全1变为全0，输出电压达到 某一规定值（例如最小值取LSB或 满度值的0.01%）所需要的时间
（2）转换速率SR
D/A转换器建立时间
在大信号工作时，即输入数字量的各位由全0变为全1，或由 全1变为0时，输出电压的变化率。这个参数与运算放大器的 压摆率类似。
IOUT2 +
VREF
D0
D1
D2
D3 D4
AD7520
D5 Ⅱ
D6
D7
D8
D9
RF
IOUT1 –
IOUT2 +
uO1 uO2
Q0 Q9
CP
Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8
10 位可逆计数器 加/减
计数脉冲
加减控制 电路
v0
VREF 2n
•
Rf R
n1
[ (Di
i0
• 2i )]
v01
VREF 210
•
9 i0
Di
•
2i
9
2
Di
•
2i
v02
VREF
i0
210
8.3 A/D转换器
8.3.1 A/D转换的一般过程 8.3.2 并行比较型A/D转换器 8.3.3 逐次逼近型A/D转换器 8.3.4 双积分型A/D转换器 8.3.5 A/D转换器的主要参数
8.3 A/D转换器
根据虚断有: v / R I
I
OUT 1
V
O
REF
vI
/
R u
vO (D0 20
D1 21
...D9 29 )
第八章_数模和模数
采样定理： f s 2 f i max
《数字电子技术基础》第五版
3．A/D 转换器的主要技术指标
（1）分辨率 A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示，位数越多， 误差越小，转换精度越高。例如，输入模拟电压的变化范围 为 0 ～ 5V ， 输 出 8 位 二 进 制 数 可 以 分 辨 的 最 小 模 拟 电 压 为 5V×2－8＝20mV；而输出12位二进制数可以分辨的最小模拟 电压为5V×2－12≈1.22mV。 （2）相对精度 在理想情况下，所有的转换点应当在一条直线上。相对精度 是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。 （3）转换速度 转换速度是指完成一次转换所需的时间。转换时间是指从接 到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所 经过的这段时间。
1．二进制权电阻网络 D/A 转换器
+VREF IREF R S3 I3 2R S2 I2 4R S1 I1 8R S0 i － uo + d3 d2 d1 d0 I0 iF RF
不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接到地， 也就是不论输入数字信号是1还是0，各支路的电流不变的。
VREF I0 8R
《数字电子技术基础》第五版
8.3.2 A/D转换器的构成
1．并联比较型 A/D 转换器
R/2
VREF 比较器 － C7 + － C6 +
寄存器 1D C1 FF7 1D C1 FF6 1D C1 FF5 1D C1 FF4 1D C1 FF3 1D C1 FF2 1D C1 FF1 Q7
编码器
《数字电子技术基础》第五版
…
d1 d0
数字量输出 (n 位)
ADC 输入模拟电压 采样-保持电路
8 数模与模数转换PPT课件
1 210 1
n=11的DAC分辨率=
1 211 1
22
(2) 转换误差一般是指输入端加满刻度的数字量时， DAC输出电压的理论值与实际值之差。转换误差 一例般如应，低某于控制系统12中。U有LSB一D/A转换器，如果系统要求该 D/A转换器的转换误差（相对误差）小于0.25%，试问 应选择多少位的D/A/转换器？
31
+Ui
-UREF
S1 R
vS1
S2
C
﹣ +A
vo<0，vc=1 vo≥0，vc=0 vo﹣+C vc
第一次积分：（定时积分）:转换开始(t=0)时， 电子开关S1接通模拟输入信号电压US1=Ui，积 分器开始对输入的Ui进行积分
32
第二次积分：（定值积分）:开关S1接到-UREF，积分器开 始反向积分
14
0
R
2R 2R
1
R
2R
RF
… n-2
R
2R
n-1 2R
2R
+
Uo
S0
○○
UR
○ S1
○○
…
○Sn-2
○○
○Sn-1
○○
d0
d1
dn-2
dn-1
Un1=(U 3R)(1 2)n1n i= 0 1di2i
运算放大器的输出为：
U O=2 R R FU n1=3 R R FU 2n Rn i= 0 1di2i
●
N●
20R
Sn-1
–
RF
A
+
●
Uo
UR ●
●
●
●
●
●
●
8数模与模数转换
D
000 001 010 011 100 101 110 111
uo = K u (d n−1 ⋅ 2 n−1 + d n− 2 ⋅ 2 n− 2 + L + d 1 ⋅ 21 + d 0 ⋅ 2 0 )
2011-10-22 蔡红娟 5
数字电路与逻辑设计
模拟开关接到运算放大器的反相输入端(1)还是 模拟开关接到运算放大器的反相输入端(1)还是 (1) 接到地(0) (0)， 接到地(0)，各支路的电流不变
2011-10-22
寄存 器 1D Q C1 FF7 1D C1 FF6 1D C1 FF5 1D C1 FF4 1D C1 FF3 1D C1 FF2 1D C1 FF1
蔡红娟
7
编 码 器
R
d2 Q Q
6
&
5
－C 4 +
Q Q Q
4 4
d1 & & &
3
Q Q Q
2 2
d0 & &
1
14
数字电路与逻辑设计
蔡红娟 11
NC GND
COP VREF(-) VREF(+) ＋ CC V D0 D1 D2 D3
－VEE
Io D7 D6 D5 D4
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7
+VREF(+5V) 5kΩ
Io 5kΩ
(a) 引 列 脚排 图
2011-10-22
数字电路与逻辑设计
8.2 模数转换
(0 ~
1 ( 14 ~ 3 ( 14 ~ 5 ( 14 ~ 7 ( 14 ~ 9 ( 14 ~ 11 ( 14 ~
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
3 转换速度 转换速度是指完成一次转换所需要的时间。转换时间是指
从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号
所经过的时间。
数字信号的取值必须为某个规定的最小数量单位的整数倍。在
量化过程中，量化结果都是其中一个最小离散电平(数字量的最 低有效位1所代表的模拟电压值)的整数倍，而采样保持输出的 信号在取值上是连续的，不可能所有的采样值都恰好为量化单 位的整数倍，因此，量化前后，存在量化误差。
模数转换器
4 编码
量化后的信号电平，虽然是一个离散量，但为了数字系
数模转换器
常用数模转换技术
1 权电阻网络D/A转换器
+VREF IREF R
I3
2R
I2
4R
I1
8R
I0
S3
S2
S1
S0
i
iF
Rf
–
uO
+
D3
D2
D1
D0
数模转换器
+VREF IREF R
I3
2R
I2
4R
I1
8R
I0
S3
S2
S1
S0
i
iF
Rf
–
uO
+
D3
D2
D1
D0
数模转换器
常用数模转换技术
1 权电阻网络D/A转换器 流入运放电路的总电流为
数模与模数转换器
3 1
数模转换器
2
模数转换器
数模与模数转换器
数字信号 微 型 计 算 机
A/D转换器
模拟信号
传感器
接 口 数字信号 D/A转换器 模拟信号 执行元件
数模转换器
数模转换器的基本知识
1 数模转换器的工作原理 将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟 量，然后将代表各位的模拟量相加，所得的总模拟量就与数字量 成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。
参考电压
数模转换器
常用数模转换技术
1 权电阻网络D/A转换器 权电阻网络D/A转换器的工作原理如下：在反相加法运算 放大器的各输入支路中接入不同的权电阻，使其在运算放大器
输入端叠加而成的电流与相应的数字量成正比，然后利用运算
放大器能将电流转换成电压的原理，在其输出端得到一个与相 应数字量成正比的电压。
统能够进行传输和处理，必须用二进制代码来表示。一般只 要二进制代码的位数足够，编码过程本身是不会产生误差的。 5 模数转换分类 直接转换: 并行比较、逐次逼近 间接转换: 双积分、电压-频率转换
模数转换器
常用模数转换技术
1 并行比较 由分压器、比较器、寄存器和编码器组成。
模数转换器
VREF
常用模数转换技术
V REF
D n
D/A转换器
SA
数模转换器
数模转换器的基本知识
2 数模转换器的转换特性 D/A转换器的转换特性，是指其输出模拟量和输入数字量之 间的转换关系。
uo/V
7 6 5 4 3 2 1 0 000 001 010 011 100 101 110 111
D
数模转换器
数模转换器的基本知识
2 数模转换器的转换特性 D/A转换器的转换特性，是指其输出模拟量和输入数字量之 间的转换关系。 理想的D/A转换器的转换特性，应是输出模拟量与输入数字 量成正比。即：输出模拟电压 uo=Ku×D或输出模拟电流iO=Ki×D。
模数转换器
常用模数转换技术
2 逐次逼近型ADC 电压比较器：D/A转换器输出的参考电压和采样保持地哪 路输出的电压进行比较。 控制逻辑电路：在时钟脉冲CP作用下产生转换控制信号。
模数转换器
偏移电压Δ/2 ui uS u'O uO + VREF
采样/保持电路
+
D/A转换器 数 据 寄 存 器 Dn-1 Dn-2
定频率的时钟脉冲计数，计数的结果就是正比于模拟电压的数
字量。
模数转换器
常用模数转换技术
3 双积分型ADC
S2
ui VREF S1
R
C
+
积分器
过零比较器 uO
+
CP
&
CP'
S1 S2
逻辑控制电路
计数器/定时器
数字量 输出
模数转换器
常用模数转换技术
3 双积分型ADC 第一次积分
us ui 0
t1 VREF
数模转换器
数模转换器的性能指标
2 精度 在输入端加有最大数值量时，D/A转换器的实际输出值和 理论计算值之差。 精度是一个综合误差，与参考电源、运算放大器的稳定 性及模拟开关等有关，一般不低于
数模转换器
数模转换器的性能指标
3 建立时间 D/A转换器的输入变化为满刻度时，其输出达到稳定值的 时间。建立时间的大小决定了转换速度。
各为多少？
模数转换器
常用模数转换技术
3 双积分型ADC 例：若基准电压VREF=-10v，计数器的位数n=10。时钟脉冲的 频率为10KHz ①完成一次转换最长需要多长时间？
模数转换器
常用模数转换技术
3 双积分型ADC 例：若基准电压VREF=-10v，计数器的位数n=10。时钟脉冲的 频率为10KHz ②若输入的模拟电压ui=5V，求转换时间和输出的数字量D 各为多少？
模数转换器
模数转换器的性能指标
1 分辨率 ADC的分辨率是指输出数字量变化一个最低位所对应的输
入模拟量需要变化的量。位数越多，量化的阶梯越小，分辨率
越好。 2 转换误差 表示实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。 通常以输出误差的最大值给出，常用最低有效位的倍数表示。
模数转换器
模数转换器的性能指标
小量化单位”，增加分压器的电阻个数，相应输出的数字信
号位数增多，使得电路更加复杂。
模数转换器
常用模数转换技术
2 逐次逼近型ADC 适合于对转换精度要求高，对转换速度要求不太高的场合。 D/A转换器：根据逐次逼近寄存器输出的数字量，产生不 同的参考电压并送电压比较器与输入模拟信号进行比较。 逐次逼近寄存器：产生不同的数字量。 数据寄存器：寄存和输出相应的数字量。
数决定的。
数模转换器
数模转换器的性能指标
1 分辨率 10位DAC分辨率: 如输出模拟电压满量程为10V 10位DAC能够分辨的最小电压: 8位DAC能够分辨的最小电压:
数模转换器
数模转换器的性能指标
1 分辨率 已知8位D/A转换器的最大输出电压为9.945V，当输入代 码为10100101时，输出电压是多少。 由题意可知该转换器可以分辨的最小电压为： 令所求输出电压为X：则：
要在如此大的范围内保证电阻的精度，对于集成
DAC的制造是十分困难的。
数模转换器
常用数模转换技术
2 倒T型电阻网络D/A转换器
A +VREF IREF 2R I 3' R I3 B I2' R I2 C I1' R I1 D I0'
2R
2R
2R
I0
2R iF Rf
S3
S2
S1
S0
i
–
uO
+
D3
D2
D1
SAR CP Q2
DAC输出uO
比较器输入 比较器输出 操作
Q1 Q0
uS
u’O=uO-Δ/2
1 2 3 4
1 1 1 1
0 1 0 0
0 0 1 1
4V 6V 5V 5V
4.9V 4.9V 4.9V (采样)
3.5V 5.5V 4.5V
0 1 0
保留 清除 保留 输出
模数转换器
常用模数转换技术
3 双积分型ADC 双积分型ADC是一种间接A/D转换器。它的转换原理是先把 模拟电压转换成与之成正比的时间变量T，然后在时间T内对固
数模转换器
常用数模转换技术
1 权电阻网络D/A转换器
则输出电压uo为：
推广到n位权电路网络，有:
数模转换器
常用数模转换技术
1 权电阻网络D/A转换器
当反馈电阻Rf = R/2时，可得
数模转换器
常用数模转换技术
1 权电阻网络D/A转换器 优点： 结构简单，所用电阻数目少 缺点： 电阻取值范围太大，当输入数字量的位数为12位 时，最大电阻与最小电阻之间的比例达到2048:1，
1 并行比较
R
+
R 1D C7 C1
FF7
+
R C6
1D C1
FF6
D2
+
R C5
&
1D C1
FF5
ui R
+ +
R
1D C4 C1
FF4
& &
&
D1
1D C3 C1
FF3
+
R C2
1D C1
FF2
+
R/2 C1 CP
&
&
D0
1D C1
FF1
模数转换器
常用模数转换技术
1 并行比较 各位数码转换同时进行，转换速度快。比较器和触发器 同时兼有采样和保持，不需要采样和保持电路。 转换精度不易做得很高，如要提高精度，则需减小“最
0
t
模数转换器
2 保持 模拟信号经抽样后，得到一系列窄脉冲，脉冲宽度是很短
暂的，而每次将模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，因
此，在下一个抽样脉冲没有到来之前，要暂时保持，以便为量 化编码提供一个稳定的值。
模数转换器
从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号
所经过的时间。
数字信号的取值必须为某个规定的最小数量单位的整数倍。在
量化过程中，量化结果都是其中一个最小离散电平(数字量的最 低有效位1所代表的模拟电压值)的整数倍，而采样保持输出的 信号在取值上是连续的，不可能所有的采样值都恰好为量化单 位的整数倍，因此，量化前后，存在量化误差。
模数转换器
4 编码
量化后的信号电平，虽然是一个离散量，但为了数字系
数模转换器
常用数模转换技术
1 权电阻网络D/A转换器
+VREF IREF R
I3
2R
I2
4R
I1
8R
I0
S3
S2
S1
S0
i
iF
Rf
–
uO
+
D3
D2
D1
D0
数模转换器
+VREF IREF R
I3
2R
I2
4R
I1
8R
I0
S3
S2
S1
S0
i
iF
Rf
–
uO
+
D3
D2
D1
D0
数模转换器
常用数模转换技术
1 权电阻网络D/A转换器 流入运放电路的总电流为
数模与模数转换器
3 1
数模转换器
2
模数转换器
数模与模数转换器
数字信号 微 型 计 算 机
A/D转换器
模拟信号
传感器
接 口 数字信号 D/A转换器 模拟信号 执行元件
数模转换器
数模转换器的基本知识
1 数模转换器的工作原理 将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟 量，然后将代表各位的模拟量相加，所得的总模拟量就与数字量 成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。
参考电压
数模转换器
常用数模转换技术
1 权电阻网络D/A转换器 权电阻网络D/A转换器的工作原理如下：在反相加法运算 放大器的各输入支路中接入不同的权电阻，使其在运算放大器
输入端叠加而成的电流与相应的数字量成正比，然后利用运算
放大器能将电流转换成电压的原理，在其输出端得到一个与相 应数字量成正比的电压。
统能够进行传输和处理，必须用二进制代码来表示。一般只 要二进制代码的位数足够，编码过程本身是不会产生误差的。 5 模数转换分类 直接转换: 并行比较、逐次逼近 间接转换: 双积分、电压-频率转换
模数转换器
常用模数转换技术
1 并行比较 由分压器、比较器、寄存器和编码器组成。
模数转换器
VREF
常用模数转换技术
V REF
D n
D/A转换器
SA
数模转换器
数模转换器的基本知识
2 数模转换器的转换特性 D/A转换器的转换特性，是指其输出模拟量和输入数字量之 间的转换关系。
uo/V
7 6 5 4 3 2 1 0 000 001 010 011 100 101 110 111
D
数模转换器
数模转换器的基本知识
2 数模转换器的转换特性 D/A转换器的转换特性，是指其输出模拟量和输入数字量之 间的转换关系。 理想的D/A转换器的转换特性，应是输出模拟量与输入数字 量成正比。即：输出模拟电压 uo=Ku×D或输出模拟电流iO=Ki×D。
模数转换器
常用模数转换技术
2 逐次逼近型ADC 电压比较器：D/A转换器输出的参考电压和采样保持地哪 路输出的电压进行比较。 控制逻辑电路：在时钟脉冲CP作用下产生转换控制信号。
模数转换器
偏移电压Δ/2 ui uS u'O uO + VREF
采样/保持电路
+
D/A转换器 数 据 寄 存 器 Dn-1 Dn-2
定频率的时钟脉冲计数，计数的结果就是正比于模拟电压的数
字量。
模数转换器
常用模数转换技术
3 双积分型ADC
S2
ui VREF S1
R
C
+
积分器
过零比较器 uO
+
CP
&
CP'
S1 S2
逻辑控制电路
计数器/定时器
数字量 输出
模数转换器
常用模数转换技术
3 双积分型ADC 第一次积分
us ui 0
t1 VREF
数模转换器
数模转换器的性能指标
2 精度 在输入端加有最大数值量时，D/A转换器的实际输出值和 理论计算值之差。 精度是一个综合误差，与参考电源、运算放大器的稳定 性及模拟开关等有关，一般不低于
数模转换器
数模转换器的性能指标
3 建立时间 D/A转换器的输入变化为满刻度时，其输出达到稳定值的 时间。建立时间的大小决定了转换速度。
各为多少？
模数转换器
常用模数转换技术
3 双积分型ADC 例：若基准电压VREF=-10v，计数器的位数n=10。时钟脉冲的 频率为10KHz ①完成一次转换最长需要多长时间？
模数转换器
常用模数转换技术
3 双积分型ADC 例：若基准电压VREF=-10v，计数器的位数n=10。时钟脉冲的 频率为10KHz ②若输入的模拟电压ui=5V，求转换时间和输出的数字量D 各为多少？
模数转换器
模数转换器的性能指标
1 分辨率 ADC的分辨率是指输出数字量变化一个最低位所对应的输
入模拟量需要变化的量。位数越多，量化的阶梯越小，分辨率
越好。 2 转换误差 表示实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。 通常以输出误差的最大值给出，常用最低有效位的倍数表示。
模数转换器
模数转换器的性能指标
小量化单位”，增加分压器的电阻个数，相应输出的数字信
号位数增多，使得电路更加复杂。
模数转换器
常用模数转换技术
2 逐次逼近型ADC 适合于对转换精度要求高，对转换速度要求不太高的场合。 D/A转换器：根据逐次逼近寄存器输出的数字量，产生不 同的参考电压并送电压比较器与输入模拟信号进行比较。 逐次逼近寄存器：产生不同的数字量。 数据寄存器：寄存和输出相应的数字量。
数决定的。
数模转换器
数模转换器的性能指标
1 分辨率 10位DAC分辨率: 如输出模拟电压满量程为10V 10位DAC能够分辨的最小电压: 8位DAC能够分辨的最小电压:
数模转换器
数模转换器的性能指标
1 分辨率 已知8位D/A转换器的最大输出电压为9.945V，当输入代 码为10100101时，输出电压是多少。 由题意可知该转换器可以分辨的最小电压为： 令所求输出电压为X：则：
要在如此大的范围内保证电阻的精度，对于集成
DAC的制造是十分困难的。
数模转换器
常用数模转换技术
2 倒T型电阻网络D/A转换器
A +VREF IREF 2R I 3' R I3 B I2' R I2 C I1' R I1 D I0'
2R
2R
2R
I0
2R iF Rf
S3
S2
S1
S0
i
–
uO
+
D3
D2
D1
SAR CP Q2
DAC输出uO
比较器输入 比较器输出 操作
Q1 Q0
uS
u’O=uO-Δ/2
1 2 3 4
1 1 1 1
0 1 0 0
0 0 1 1
4V 6V 5V 5V
4.9V 4.9V 4.9V (采样)
3.5V 5.5V 4.5V
0 1 0
保留 清除 保留 输出
模数转换器
常用模数转换技术
3 双积分型ADC 双积分型ADC是一种间接A/D转换器。它的转换原理是先把 模拟电压转换成与之成正比的时间变量T，然后在时间T内对固
数模转换器
常用数模转换技术
1 权电阻网络D/A转换器
则输出电压uo为：
推广到n位权电路网络，有:
数模转换器
常用数模转换技术
1 权电阻网络D/A转换器
当反馈电阻Rf = R/2时，可得
数模转换器
常用数模转换技术
1 权电阻网络D/A转换器 优点： 结构简单，所用电阻数目少 缺点： 电阻取值范围太大，当输入数字量的位数为12位 时，最大电阻与最小电阻之间的比例达到2048:1，
1 并行比较
R
+
R 1D C7 C1
FF7
+
R C6
1D C1
FF6
D2
+
R C5
&
1D C1
FF5
ui R
+ +
R
1D C4 C1
FF4
& &
&
D1
1D C3 C1
FF3
+
R C2
1D C1
FF2
+
R/2 C1 CP
&
&
D0
1D C1
FF1
模数转换器
常用模数转换技术
1 并行比较 各位数码转换同时进行，转换速度快。比较器和触发器 同时兼有采样和保持，不需要采样和保持电路。 转换精度不易做得很高，如要提高精度，则需减小“最
0
t
模数转换器
2 保持 模拟信号经抽样后，得到一系列窄脉冲，脉冲宽度是很短
暂的，而每次将模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，因
此，在下一个抽样脉冲没有到来之前，要暂时保持，以便为量 化编码提供一个稳定的值。
模数转换器