数字电子技术数模与模数转换
合集下载
相关主题
- 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)。
数字电子技术数模与模数转换
图 8 – 12 双积分A/D电路原理图
数字电子技术数模与模数转换
图 8 – 13 双积分ADC工作数字波电子形技术数模与模数转换
(1) 采样阶段：在启动脉冲作用下，将全部触发器置0。 由于Qn=0，使开关S与输入信号uI连接, A/D转换开始。uI 加至积分器的输入端后，积分器对uI进行积分，输出为
数字电子技术数模与模 数转换
2020/11/21
数字电子技术数模与模数转换
第8章 数/模与模/数转换
8.1 DAC 8.2 ADC
数字电子技术数模与模数转换
图 8 - 1 A/D、D/A转换器在数字系统中的应用
数字电子技术数模与模数转换
8.1 DAC
8.1.1 DAC的基本概念
1. 转换特性 DAC 电 路 输 入 的 是 n 位 二 进 制 数 字 信 息 B(Bn-1,Bn-
发器C，使QC=1。同时CP2使触发器B置1。这样，在CP2作用
后，JK触发器的状态为QDQCQBQA=1110。D/A转换器输出参
考电压
。
，
比较器输出F=0，G=1。这样，各级触发器的J=0，K=1。
CP2作用结束后，CP3节拍脉冲到来，其下跳沿触发JK触
发器B，使QB=0。同时CP3使触发器A置1。这样，在CP3作用
数字电子技术数模与模数转换
3. 转换速度
转换时间是指ADC从转换信号到来开始，到输出端 得到稳定的数字信号所经过的时间。此时间与转换电路 的类型有关。不同类型的转换器，其转换速度相差很大。 并行ADC转换速度最高，八位二进制输出的单片ADC其 转换时间在50ns内，逐次逼近型ADC转换速度次之，一 般在10~50μs，也有的可达数百纳秒。双积分式ADC转 换速度最慢，其转换时间约在几十毫秒至几百毫秒间。 实际应用中，应从系统总的位数、精度要求、输入模拟 信号的范围及输入信号极性等方面综合考虑ADC的选用。
限的2n个数字量输出X相对应。因此，必须将采样后的值只
限于在某些规定个数的离散的电平上，凡介于两个离散电平
之间的采样值，就要用某种方式整理归并到这两个离散电平
之一上。这种将幅值取整归并的方式及过程称为“量化”。
将量化后的有限个整量值用n位一组的某种数字代码(如
二进制码、BCD码或Gray码等)对应描述以形成数字量，这
式中，τ=RC，为积分时间常数。 由于uA＜0，过零比较器输出UC=1，G门打开，n位
二进制计数器从0开始计数，一直到 时，触发器F0~Fn-1又全部回到0，而触发器Fn由0翻至1， Qn=1，开关S转接至基准电源-UR，采样阶段结束。此时
数字电子技术数模与模数转换
(2) 比较阶段：开关S转接至基准电源-UR后，积分 器对-UR进行积分，积分器输出
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
下，JK触发器的状态为QDQCQBQA=1101。D/A转换器输出参
考电压
。由于
，比
较器输出F=0，G=1。这样，各级触发器的J=0，K=1。
数字电子技术数模与模数转换
CP3作用结束后，CP4节拍脉冲到来，其下跳沿触发 JK 触 发 器 A ， 使 QA=0 ， JK 触 发 器 的 状 态 为 QDQCQBQA=1100。CP4节拍脉冲的上升沿触发暂存器各 D触发器，将JK触发器状态1100存入到暂存器中。暂存 器的输出D3D2D1D0=1100，即为输入模拟电压uI=6.25V 的二进制代码。
种用数字代码表示量化幅值的过程称作“编码”。
数字电子技术数模与模数转换
2. 量化方式和量化误差
(1) 只舍不入法。当输入uI在某两个相邻的量化值 之间，即 中国最大的资料库下载
(k为整数)
(2) 四舍五入法。当uI的尾数不足 时，用舍尾取整
法得其量化值；当uI的尾数等于或大于 时，则入整。
信号时开始，到输出电压或电流达到稳态值时所需要的时
间。
数字电子技术数模与模数转换
8.1.2 DAC的电路形式及工作原理
1. 权电阻
图 8 – 4 权电阻DAC电数路字电子技术数模与模数转换
当输入二进制数码中某一位Bi=1时，开关Si接至基准 电压UR，这时在相应的电阻Ri支路上产生电流 当Bi=0时，开关Si接地，电流ii=0, 因此电流表达式应为
8.2.1 ADC的组成
1. ADC的两个组成部分及其作用
图 8 - 8 ADC的组成部分数字电子技术数模与模数转换
(1) 采样保持电路。
采样开关S的控制信号CPs的频率fs必须满足公式
fs≥2f imax(fimax为输入电压频谱中的最高频率)，即其周
期Ts很小，而且采样时间τ比Ts更要小许多倍，这样就
分辨率
数字电子技术数模与模数转换
2. 转换误差
转换误差通常是以输出误差的最大值形式给出。它 表示ADC实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间 的差别，常用最低有效位的倍数表示。如给出相对误差 小于等于±LSB/2，这就表明实际输出的数字量和理论 上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。
当uA≥0时，过零比较器输出UC=0，G门被封锁，计 数器停止计数。假设此时计数器已记录了N个脉冲，则
代入上式得 求得
数字电子技术数模与模数转换
2. 逐次逼近式ADC
图 8
14 四 位 逐 次 逼 近 型
转 换 器 原 理 框 图
A/D
–
数字电子技术数模与模数转换
–
表 8
1 输 出 与 输 入 数 码 的 关 系
数字电子技术数模与模数转换
8.2.4 集成ADC
图 8 – 17 ADC0801引脚图数字电子技术数模与模数转换
3rew
演讲完毕，谢谢听讲!
再见，see you again
2020/11/21
数字电子技术数模与模数转换
数字电子技术数模与模数转换
图 8 - 2 DAC框图
数字电子技术数模与模数转换
图 8 – 3 转换特性 数字电子技术数模与模数转换
2. 分辨率 分辨率
即说明n越大，DAC的分辨能力越高(分辨率越小)。例
如, 当n=10时，DAC分辨率=
; 当n=11时，
DAC分辨率
。
数字电子技术数模与模数转换
2, …,B1、 B0)，其最低位(LSB)的B0和最高位(MSB)的Bn-1 的权分别为20和2n-1，故B按权展开式为
数字电子技术数模与模数转换
DAC电路输出的是与输入数字量成正比例的电压uO 或电流iO，即
式中K为转换比例常数。 图 8 - 2所示为DAC框图。当n=3时，DAC转换电路
的输出与输入转换特性如图8 - 3所示，输出为阶梯波。
能将采样保持后的
不失真地恢复成输入电压uI(t)。
该公式称为采样定理。
数字电子技术数模与模数转换
图 8 – 9 采样保持前后的波形举例
数字电子技术数模与模数转换
图 8 – 10 采样保持电路原理图
数字电子技术数模与模数转换
(2) 量化编码电路。
采样保持电路的输出信号
虽已成为阶梯状，但其
阶梯幅值仍是连续可变的，有无限多个数值，无法与n位有
图 8 - 7为AD7520的引脚图。
D0~D9为10个数码控制位，控制着内部CMOS的 电流开关。
IO1和IO2为电流输出端。
Rf端为反馈电阻Rf的一个引出端，另一个引出端 和IO1端连接在一起。
UREF端为基准电压输入端。
+UDD端接电源的正端。
GND端为接地端。
数字电子技术数模与模数转换
8.2 ADC
3. 精度
(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表示。
(2) 比例系数误差：它是参考电压UR偏离引起的误差， 也用满刻度的百分数表示。
(3) 漂移误差：它是由集成运放漂移产生的误差。增 益的改变也会引起增益误差。
(4) 转换时间：也称输出建立时间。它是从输入数字
。量化标尺是用电阻分压器形成
各分度值的，并作为各比较器C1~C7的比 较参考电平。因采用四舍五入法量化，第一个比较器的参
考电平应取
。采样保持后的输入电压uI与这些
分度值相比较，当uI大于比较参考电平时，比较器输出1电
平，反之输出0电平，从而各比较器输出电平的状态就与输
入电压量化后的值相对应。各比较器输出并行送至由D触发
暂存器输出的是并行二进制代码。同时从上面分析 中可见，比较器F端顺序输出的恰好是1100串行输出的 二进制代码。
数字电子技术数模与模数转换
3. 并行比较
图 8
16 三 位 二 进 制 数 的 并 行 比 较 型
电 路
数字电子技术数模与模数转换
ADC
-
输入模拟电压的范围uI=0~8V, uIm=8V；输出三位二进 制 代 码 (n=3) 。 采 用 四 舍 五 入 的 量 化 方 式 ， 量 化 间 隔
例 如 ， 已 知 s=1V, 则 uI=2.1V 时 ， uI=2V; uI=2.7V
时
。
数字电子技术数模与模数转换
图 8 – 11 两种量化方法的比较
数字电子技术数模与模数转换
8.2.2 ADC电路
1. 双积分ADC 双积分ADC又称双斜率ADC，是间接法的一种， 它先将模拟电压uI转换成与之大小对应的时间T，再在 时间间隔T内用计数器对固定频率计数，计数器所计的 数字量就正比于输入模拟电压。
数字电子技术数模与模数转换
图 8 – 6 权电流DAC原理图
数字电子技术数模与模数转换
当图 8 - 6 中的Bi=1时，开关接运算放大器的反相输 入端，相应权电流流入求和电路；当Bi=0时，开关接地。 故
扩大至n位，则
数字电子技术数模与模数转换
8.1.3 集成DAC
图 8 - 7 AD7520引脚数字图电子技术数模与模数转换
根据叠加原理， 总的输出电流为
数字电子技术数模与模数转换
通过集成运算放大器，输出电压为
将
代入则得
例如，UR=8V, 输入八位二进制数码为11001011，则输 出电压为
数字电子技术数模与模数转换
2. 倒T型网络DAC
图 8 – 5 R-2R倒T型网络DA数字C电电子路技术数模与模数转换
运算放大器的输出电压为 若Rf=R, 并将I=UR/R代入上式，则有
接着，节拍脉冲CP1到来，其下跳沿触发JK触发器D，
使QD=1，同时CP1使触发器C置1。这样，在CP1作用后，
JK触发器的状态为QDQCQBQA=1100。D/A转换器输出参
考电压
。由于
，
比较器输出F=1，G=0。这样，各级触发器的J=1, K=0。 数字电子技术数模与模数转换
CP1作用结束后，CP2节拍脉冲到来，其下跳沿触发JK触
数字电子技术数模与模数转换
假设：D/A转换器的基准电压UR=8V，采样保持信 号电压uI=6.25V。
首先，在节拍脉冲CP0作用下，使JK触发器的状态 置为QDQCQBQA=1000，则D/A转换器输出参考电压
(见表 8-1)，所以
。由于
，
比较器输出F=1，G=0。这样，各级触发器的J=1，K=0。
器构成的寄存器内，再经过编码电路将比较器的输出转换
成三位二进制代码x2x1x0。输入电压与代码的对应关系如表
8 - 2 所示。
数字电子技术数模与模数转换
表 8 – 2 输入电压与代码的对应关系
数字电子技术数模与模数转换
8.2.3 ADC的主要技术指标
1. 分辨率
分辨率指ADC对输入模拟信号的分辨能力。从理论上 讲，一个n位二进制数输出ADC应能区分输入模拟电压的 2n个不同量级，能区分输入模拟电压的最小值为满量程输 入的1/2n。在最大输入电压一定时，输出位数愈多，量化 单位愈小，分辨率愈高。例如，ADC输出为八位二进制 数， 输入信号最大值为 5V，其分辨率为
图 8 – 12 双积分A/D电路原理图
数字电子技术数模与模数转换
图 8 – 13 双积分ADC工作数字波电子形技术数模与模数转换
(1) 采样阶段：在启动脉冲作用下，将全部触发器置0。 由于Qn=0，使开关S与输入信号uI连接, A/D转换开始。uI 加至积分器的输入端后，积分器对uI进行积分，输出为
数字电子技术数模与模 数转换
2020/11/21
数字电子技术数模与模数转换
第8章 数/模与模/数转换
8.1 DAC 8.2 ADC
数字电子技术数模与模数转换
图 8 - 1 A/D、D/A转换器在数字系统中的应用
数字电子技术数模与模数转换
8.1 DAC
8.1.1 DAC的基本概念
1. 转换特性 DAC 电 路 输 入 的 是 n 位 二 进 制 数 字 信 息 B(Bn-1,Bn-
发器C，使QC=1。同时CP2使触发器B置1。这样，在CP2作用
后，JK触发器的状态为QDQCQBQA=1110。D/A转换器输出参
考电压
。
，
比较器输出F=0，G=1。这样，各级触发器的J=0，K=1。
CP2作用结束后，CP3节拍脉冲到来，其下跳沿触发JK触
发器B，使QB=0。同时CP3使触发器A置1。这样，在CP3作用
数字电子技术数模与模数转换
3. 转换速度
转换时间是指ADC从转换信号到来开始，到输出端 得到稳定的数字信号所经过的时间。此时间与转换电路 的类型有关。不同类型的转换器，其转换速度相差很大。 并行ADC转换速度最高，八位二进制输出的单片ADC其 转换时间在50ns内，逐次逼近型ADC转换速度次之，一 般在10~50μs，也有的可达数百纳秒。双积分式ADC转 换速度最慢，其转换时间约在几十毫秒至几百毫秒间。 实际应用中，应从系统总的位数、精度要求、输入模拟 信号的范围及输入信号极性等方面综合考虑ADC的选用。
限的2n个数字量输出X相对应。因此，必须将采样后的值只
限于在某些规定个数的离散的电平上，凡介于两个离散电平
之间的采样值，就要用某种方式整理归并到这两个离散电平
之一上。这种将幅值取整归并的方式及过程称为“量化”。
将量化后的有限个整量值用n位一组的某种数字代码(如
二进制码、BCD码或Gray码等)对应描述以形成数字量，这
式中，τ=RC，为积分时间常数。 由于uA＜0，过零比较器输出UC=1，G门打开，n位
二进制计数器从0开始计数，一直到 时，触发器F0~Fn-1又全部回到0，而触发器Fn由0翻至1， Qn=1，开关S转接至基准电源-UR，采样阶段结束。此时
数字电子技术数模与模数转换
(2) 比较阶段：开关S转接至基准电源-UR后，积分 器对-UR进行积分，积分器输出
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
下，JK触发器的状态为QDQCQBQA=1101。D/A转换器输出参
考电压
。由于
，比
较器输出F=0，G=1。这样，各级触发器的J=0，K=1。
数字电子技术数模与模数转换
CP3作用结束后，CP4节拍脉冲到来，其下跳沿触发 JK 触 发 器 A ， 使 QA=0 ， JK 触 发 器 的 状 态 为 QDQCQBQA=1100。CP4节拍脉冲的上升沿触发暂存器各 D触发器，将JK触发器状态1100存入到暂存器中。暂存 器的输出D3D2D1D0=1100，即为输入模拟电压uI=6.25V 的二进制代码。
种用数字代码表示量化幅值的过程称作“编码”。
数字电子技术数模与模数转换
2. 量化方式和量化误差
(1) 只舍不入法。当输入uI在某两个相邻的量化值 之间，即 中国最大的资料库下载
(k为整数)
(2) 四舍五入法。当uI的尾数不足 时，用舍尾取整
法得其量化值；当uI的尾数等于或大于 时，则入整。
信号时开始，到输出电压或电流达到稳态值时所需要的时
间。
数字电子技术数模与模数转换
8.1.2 DAC的电路形式及工作原理
1. 权电阻
图 8 – 4 权电阻DAC电数路字电子技术数模与模数转换
当输入二进制数码中某一位Bi=1时，开关Si接至基准 电压UR，这时在相应的电阻Ri支路上产生电流 当Bi=0时，开关Si接地，电流ii=0, 因此电流表达式应为
8.2.1 ADC的组成
1. ADC的两个组成部分及其作用
图 8 - 8 ADC的组成部分数字电子技术数模与模数转换
(1) 采样保持电路。
采样开关S的控制信号CPs的频率fs必须满足公式
fs≥2f imax(fimax为输入电压频谱中的最高频率)，即其周
期Ts很小，而且采样时间τ比Ts更要小许多倍，这样就
分辨率
数字电子技术数模与模数转换
2. 转换误差
转换误差通常是以输出误差的最大值形式给出。它 表示ADC实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间 的差别，常用最低有效位的倍数表示。如给出相对误差 小于等于±LSB/2，这就表明实际输出的数字量和理论 上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。
当uA≥0时，过零比较器输出UC=0，G门被封锁，计 数器停止计数。假设此时计数器已记录了N个脉冲，则
代入上式得 求得
数字电子技术数模与模数转换
2. 逐次逼近式ADC
图 8
14 四 位 逐 次 逼 近 型
转 换 器 原 理 框 图
A/D
–
数字电子技术数模与模数转换
–
表 8
1 输 出 与 输 入 数 码 的 关 系
数字电子技术数模与模数转换
8.2.4 集成ADC
图 8 – 17 ADC0801引脚图数字电子技术数模与模数转换
3rew
演讲完毕，谢谢听讲!
再见，see you again
2020/11/21
数字电子技术数模与模数转换
数字电子技术数模与模数转换
图 8 - 2 DAC框图
数字电子技术数模与模数转换
图 8 – 3 转换特性 数字电子技术数模与模数转换
2. 分辨率 分辨率
即说明n越大，DAC的分辨能力越高(分辨率越小)。例
如, 当n=10时，DAC分辨率=
; 当n=11时，
DAC分辨率
。
数字电子技术数模与模数转换
2, …,B1、 B0)，其最低位(LSB)的B0和最高位(MSB)的Bn-1 的权分别为20和2n-1，故B按权展开式为
数字电子技术数模与模数转换
DAC电路输出的是与输入数字量成正比例的电压uO 或电流iO，即
式中K为转换比例常数。 图 8 - 2所示为DAC框图。当n=3时，DAC转换电路
的输出与输入转换特性如图8 - 3所示，输出为阶梯波。
能将采样保持后的
不失真地恢复成输入电压uI(t)。
该公式称为采样定理。
数字电子技术数模与模数转换
图 8 – 9 采样保持前后的波形举例
数字电子技术数模与模数转换
图 8 – 10 采样保持电路原理图
数字电子技术数模与模数转换
(2) 量化编码电路。
采样保持电路的输出信号
虽已成为阶梯状，但其
阶梯幅值仍是连续可变的，有无限多个数值，无法与n位有
图 8 - 7为AD7520的引脚图。
D0~D9为10个数码控制位，控制着内部CMOS的 电流开关。
IO1和IO2为电流输出端。
Rf端为反馈电阻Rf的一个引出端，另一个引出端 和IO1端连接在一起。
UREF端为基准电压输入端。
+UDD端接电源的正端。
GND端为接地端。
数字电子技术数模与模数转换
8.2 ADC
3. 精度
(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表示。
(2) 比例系数误差：它是参考电压UR偏离引起的误差， 也用满刻度的百分数表示。
(3) 漂移误差：它是由集成运放漂移产生的误差。增 益的改变也会引起增益误差。
(4) 转换时间：也称输出建立时间。它是从输入数字
。量化标尺是用电阻分压器形成
各分度值的，并作为各比较器C1~C7的比 较参考电平。因采用四舍五入法量化，第一个比较器的参
考电平应取
。采样保持后的输入电压uI与这些
分度值相比较，当uI大于比较参考电平时，比较器输出1电
平，反之输出0电平，从而各比较器输出电平的状态就与输
入电压量化后的值相对应。各比较器输出并行送至由D触发
暂存器输出的是并行二进制代码。同时从上面分析 中可见，比较器F端顺序输出的恰好是1100串行输出的 二进制代码。
数字电子技术数模与模数转换
3. 并行比较
图 8
16 三 位 二 进 制 数 的 并 行 比 较 型
电 路
数字电子技术数模与模数转换
ADC
-
输入模拟电压的范围uI=0~8V, uIm=8V；输出三位二进 制 代 码 (n=3) 。 采 用 四 舍 五 入 的 量 化 方 式 ， 量 化 间 隔
例 如 ， 已 知 s=1V, 则 uI=2.1V 时 ， uI=2V; uI=2.7V
时
。
数字电子技术数模与模数转换
图 8 – 11 两种量化方法的比较
数字电子技术数模与模数转换
8.2.2 ADC电路
1. 双积分ADC 双积分ADC又称双斜率ADC，是间接法的一种， 它先将模拟电压uI转换成与之大小对应的时间T，再在 时间间隔T内用计数器对固定频率计数，计数器所计的 数字量就正比于输入模拟电压。
数字电子技术数模与模数转换
图 8 – 6 权电流DAC原理图
数字电子技术数模与模数转换
当图 8 - 6 中的Bi=1时，开关接运算放大器的反相输 入端，相应权电流流入求和电路；当Bi=0时，开关接地。 故
扩大至n位，则
数字电子技术数模与模数转换
8.1.3 集成DAC
图 8 - 7 AD7520引脚数字图电子技术数模与模数转换
根据叠加原理， 总的输出电流为
数字电子技术数模与模数转换
通过集成运算放大器，输出电压为
将
代入则得
例如，UR=8V, 输入八位二进制数码为11001011，则输 出电压为
数字电子技术数模与模数转换
2. 倒T型网络DAC
图 8 – 5 R-2R倒T型网络DA数字C电电子路技术数模与模数转换
运算放大器的输出电压为 若Rf=R, 并将I=UR/R代入上式，则有
接着，节拍脉冲CP1到来，其下跳沿触发JK触发器D，
使QD=1，同时CP1使触发器C置1。这样，在CP1作用后，
JK触发器的状态为QDQCQBQA=1100。D/A转换器输出参
考电压
。由于
，
比较器输出F=1，G=0。这样，各级触发器的J=1, K=0。 数字电子技术数模与模数转换
CP1作用结束后，CP2节拍脉冲到来，其下跳沿触发JK触
数字电子技术数模与模数转换
假设：D/A转换器的基准电压UR=8V，采样保持信 号电压uI=6.25V。
首先，在节拍脉冲CP0作用下，使JK触发器的状态 置为QDQCQBQA=1000，则D/A转换器输出参考电压
(见表 8-1)，所以
。由于
，
比较器输出F=1，G=0。这样，各级触发器的J=1，K=0。
器构成的寄存器内，再经过编码电路将比较器的输出转换
成三位二进制代码x2x1x0。输入电压与代码的对应关系如表
8 - 2 所示。
数字电子技术数模与模数转换
表 8 – 2 输入电压与代码的对应关系
数字电子技术数模与模数转换
8.2.3 ADC的主要技术指标
1. 分辨率
分辨率指ADC对输入模拟信号的分辨能力。从理论上 讲，一个n位二进制数输出ADC应能区分输入模拟电压的 2n个不同量级，能区分输入模拟电压的最小值为满量程输 入的1/2n。在最大输入电压一定时，输出位数愈多，量化 单位愈小，分辨率愈高。例如，ADC输出为八位二进制 数， 输入信号最大值为 5V，其分辨率为