数模和模数转换

双积分型（即V-T变换型）*
A/D转换
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逐次比较型A/D转换器 逐次比较型ADC的转换过程类似天平称 物体重量的过程。 例如：用5个分别重16、8、4、2、1克的砝 码去称重 X 克的物体。
16g
8
4 2
1
X
16g 2 1
(1)、先加16g砝码，若天 平右边高，则 X大于16g， 则保留这个砝码。否则去掉 此砝码。
VREF VREF VREF VREF D0 D1 D2 D3 8R 4R 2R R VREF 3 ( D3 23 D2 2 2 D1 21 D0 20 ) 2 R RF VREF uo - RF iF ( D3 23 D2 22 D1 21 D0 20 ) R 23
A/D转换
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量化和编码
5 4 3 2 1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8
量化过程不可避免地会引入 误差，这种误差叫量化误差 量化的方法不同，量化误差 也会不同
4位A/D: XXXX X(1) 0101 X(2) 0011 X(3) 0000
A/D转换
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2R
2R
S3 VR a3 23 a2 22
S2
S1 a1 21 a0 20
S0
D/A转换
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推广至n位二进制Ｔ型电阻网络D/A转换器的输出为
an - 2 an -3 a0 VR a1 Vo Va (an -1 2 ... n - 2 n -1 ) 2 2 2 2 2 1 1 VR n -1 a0 2a1 22 a2 ... 2n -1 an -1 2 2
量化和编码
量化：将取样电压转化为最小单位的整数倍的过程。最小 单位也叫量化单位，用Δ 表示，显然Δ =1 LSB 。 编码：把量化结果用代码(通常是二进制)表示的过程。 两种均匀量化编码方式：
1V 1 最大量化误差 0.5 V 2
1V 最大量化误差 1 V
A/D转换
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采样定理
采样是将采样脉冲序列p(t)与信号x(t)相 乘，取离散点x(nt)的值的过程。
A/D转换
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X(0), X(1), X(2), ……, X(n)
A/D转换 混叠现象
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(a) 采样频率等于信号频率的2倍，正弦信号离散后得到三角波信号
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模数转换器分类
直接ADC：将输入模拟电压直接转换为输出的数字量的转换方式。
间接ADC：先将输入模拟电压转换成与之正比的中间变量（如时 间宽度、频率等），然后再将中间变量转换成与之成正 比的数字信号。
并联比较型 * 直接ADC
反馈比较型
ADC 间接ADC V-F变换型
计数型 逐次逼进型 *
D/A转换
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分辨率
指 D/A 转换器模拟输出所能产生的最 DAC 的最小输出电压变化量， 小电压变化量与满刻度输出电压之比。 也即 DAC 的最小输出电压值
U LSB 1 分辨率 n U FSR 2 - 1
表示满度输出电压值，FSR 即 Full Scale Range UFSR = 例如，一个 10 n – 1 )DAC，分辨率为 0.000 978。 uO|D = 11 1 = ( 2 位的 ULSB DAC 的位数越多，分辨率值就越小， 能分辨的最小输出电压值也越小。
VREF I0 8R
VREF I1 4R
VREF I2 2R
VREF I3 R
D/A转换
+VREF IREF R S3 I3 2R S2 I2 4R S1 I1 8R S0 i I0
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iF －
RF
uo + D3 D2 D1 D0
i I 0 D0 I1 D1 I 2 D2 I 3 D3
A/D转换
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A/D转换的基本原理
采样――利用采样脉冲序列，从信号中抽取一系列 离散值，使之成为采样信号x(nTs)的过程． 量化――把采样信号经过舍入变为只有有限个有 效数字的数，这一过程称为量化．即单位量化
电压的整数倍
编码――将经过量化的值变为二进制数字的过程。
A/D转换
电信号
放 大 调 制
电信号
A/D 转换
数字信号
物理信号
控制
电信号
显 示 D/A 转换
计 算 机
D/A转换
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一、数模转换的基本原理
n 位二 进制数 输入
Dn-1 Dn-2 DAC
uO 模拟电压输出
D1 D0
…
输入数字量
D = (Dn-1 Dn-2 D1 D0 ) 2 = Dn-1 2n-1 + Dn-2 2n-2 + + D1 21 + D0 20
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。
测量技术基础
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数—模和模—数转换
测量技术基础
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数模转换即将数字量转换为模拟电量(电压或 电流)，使输出的模拟电量与输入的数字量成正比。 实现数模转换的电路称数模转换器 Digital - Analog Converter，简称 D/A 转换器或 DAC。
n 位均为 1
D/A转换 数模转换器的技术指标 (3) 转换精度
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转换精度定义为实际输出与期望输出之比。以
全程的百分比或最大输出电压的百分比表示。
理论上D/A转换器的最大误差为最低位的1/2，
10位D/A转换器的分辨率为1/210，约为0.1%，它的 精度为0.05%。 如10位D/A转换器的满程输出为10V，则它的 最大输出误差为10V×0.0005=5mV。
(2)、再加8g砝码，再进行比较……一直比 较到天平平衡为止。
A/D转换
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逐次渐进型A/D转换器
组成：数码寄存器、D/A转
换器、电压比较器以及相应 Ui 的控制电路 + 工作过程类似于天平称物体 c 重量 逐渐比较。从高到低 位逐次置1，DAC后与输入 uD 比较。 优点：电路简单，速度较快； 是目前集成ADC用的最多的电路
D/A转换
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将该线路推广到n位二进制数，其输出电压为
RF VREF uo ( D3 2n-1 ... D2 22 D1 21 D0 20 ) R 2n-1
D/A转换 T形电阻网络
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+ V0 2R
a
R
b
R
c
R
d
2R
2R
uc
DAC 数字 输出
逐次渐近寄存器
缺点：对瞬时值采样比较，
有干扰时误差大，因此，抗 干扰能力不理想
控制电路 控制信号
CP
逐次渐进型A/D转换器的方框图
A/D转换
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14.2.3 ADC的主要技术指标
1.分辨率 以输出二进制数的位数表示分辨率，位数越多， 误差越小，分辨率越高，转换精度也越高。 2.相对精度 相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的 误差。在理想的情况下，所有的转换点应当在一条 直线上。 3.转换速度
D/A转换 数模转换器的技术指标
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(1) 转换速度
转换速度是指完成一次D/A转换所用的时间。
转换时间越长，转换速度就越低。
(2) 分辨率 D/A转换器的分辨力用可用输入的二进制数码的
位数来表示。位数越多，则分辨力也就越高。常用
的有8位、10位、12位、16位、24位、32位等。
采样定理
为保证采样后信号能真实地保留原始模拟信 号信息，信号采样频率必须至少为原信号中最高 频率成分的2倍。这是采样的基本法则，称为采 样定理。
Fs ＞ 2 Fmax
A/D转换
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需注意，满足采样定理，只保证不发生频率 混叠，而不能保证此时的采样信号能真实地反映 原信号x(t)。工程实际中采样频率通常大于信号 中最高频率成分的3到5倍。
(b) 采样频率等于信号频率，正弦信号离散后得到直流信号
(c) 采样频率小于信号频率的2倍，正弦信号离散后得到更低频 率的正弦信号
A/D转换
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A/D转换
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混叠现象 由于采样信号频谱发生变化，高、低频率成分发 生混淆的一种现象。
A/D转换
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模数转换即将模拟电量转换为数字量，使输出 的数字量与输入的模拟电量成正比。 实现模数转换的电路称模数转换器
Analog - Digital Converter，简称 A/D 转换器或 ADC。
测量技术基础
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测试信号数wenku.baidu.com化处理的基本步骤
为何要进行数模和模数转换？
物理信号
对象
传 感 器
LSB — Least Significant Bit
D/A转换
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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。
输出模拟电压 uO = D△ = (Dn-1 2n-1 + Dn-2 2n-2 + + D1 21 + D0 20 )△
△ 是 DAC 能输出的最小电压值，称为 DAC 的单 可见，uO ∝ D，uO 的大小反映了数字量 D 的大小。 位量化电压，它等于 D 最低位(LSB)为 1、其余各位均 为 0 时的模拟输出电压(用 ULSB 表示)。