第12章模拟量和数字量的转换.ppt

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本章基本要求：

本章基本要求：

n理解数模和模数转换器的概念和作用。

理解数模和模数转换器的概念和作用。

n了解数模转换的基本原理。

了解数模转换的基本原理。

n了了解解R-2R倒倒T形形电电阻阻网网络络D/A转转换换器器的的电电路路与与工工作作原理。

原理。

n了解常用了解常用D/A转换器的类型和主要参数。

转换器的类型和主要参数。

n了解模数转换的基本原理。

了解模数转换的基本原理。

n了解常用了解常用A/DA/D转换器。

转换器。

n了解了解A/DA/D转换器的主要参数。

转换器的主要参数。

第第12章章模拟量和数字量的转换模拟量模拟量数字量数字量模拟量模拟量数字量数字量传感器传感器被控对象被控对象自然界物理量自然界物理量自然界物理量自然界物理量为何要进行数模和模数转换？

为何要进行数模和模数转换？

第第12章章模拟量和数字量的转换第第12章章模拟量和数字量的转换定义：

定义：

能将模拟量转换为数字量的装置称为模能将模拟量转换为数字量的装置称为模数转换器，数转换器，简称简称A/D或或ADC；能将数字量转换为模拟量的装置称为数；能将数字量转换为模拟量的装置称为数模转换器，简称模转换器，简称D/A或或DAC。

ADC和和DAC是模拟电路和数字是模拟电路和数字电路的接口，是联系模拟系统与数字系统的电路的接口，是联系模拟系统与数字系统的“桥梁桥梁”。

本章主要介绍ADC、DAC的原理、技术指标和常用芯片。

基本原理基本原理数数模转换装置输入的信号是数字信号，输出模转换装置输入的信号是数字信号，输出的信号则是与输入数字信号成比例的模拟电压或电流。

的信号则是与输入数字信号成比例的模拟电压或电流。

12.1数数模转换器模转换器12.1.1数数模转换器的工作原理模转换器的工作原理数模转换器数模转换器实现数模转换的电路称数模转换器。

实现数模转换的电路称数模转换器。

实现数实现数模转换的电路有多种方式，最常用的是电阻模转换的电路有多种方式，最常用的是电阻网络转换器，其中较常见的网络转换器，其中较常见的有权电阻网络有权电阻网络、T形电阻网络形电阻网络和和倒倒T形电阻网络形电阻网络等。

等。

由于数字信号是用二进制代码组合起来的，每一个数字信由于数字信号是用二进制代码组合起来的，每一个数字信号都可以按号都可以按“权权”相加得到一个对应的相加得到一个对应的十进制数十进制数，即，即D=（N）B=Kn-12n-1+K121+K020。

数数模转换装置输出的模拟量模转换装置输出的模拟量A就是和输入的数字量就是和输入的数字量D成正比例的电压或电流信号。

即成正比例的电压或电流信号。

即A=KD，其中的，其中的K称为转换称为转换比例系数。

比例系数。

以十位以十位DAC为例，输入的是十位二进制代码，共有为例，输入的是十位二进制代码，共有210种组合。

若输出电压的最大值为种组合。

若输出电压的最大值为5V，则该转换器所能转换，则该转换器所能转换出的最小电压为出的最小电压为，其转换步距也为，其转换步距也为，显然，显然DAC转换器转换器输入数字量的输入数字量的位数越多位数越多，它所转换的模拟信号，它所转换的模拟信号的的步距越短步距越短。

1.T形电阻网络数形电阻网络数模转换器模转换器电子模拟开关：

电子模拟开关：

SS00、SS11、SS22、SS33，这些电子开关分，这些电子开关分别由数码寄存器存放的四位二进制数的相应位数码别由数码寄存器存放的四位二进制数的相应位数码dd00、dd11、dd22、dd33控制，根据它是控制，根据它是“ll”或或“00”决定电阻网中的电阻决定电阻网中的电阻是接参考电压是接参考电压（或称基准电压或称基准电压）UR）UR还是接地。

还是接地。

T形电阻网络：

当输入的数字信号的某一位为形电阻网络：

当输入的数字信号的某一位为“1”时，开关接到参考电压时，开关接到参考电压UR上上，为，为“0”时接地时接地，这个这个T形电阻网络开路时的输出电压形电阻网络开路时的输出电压UA（未接运算放大未接运算放大器时器时）可以应用可以应用叠加原理叠加原理进行计算。

进行计算。

即分别计算只当即分别计算只当d01、dll、d2l、d3l（其余位其余位为为0）时的电压分量，而后叠加得到时的电压分量，而后叠加得到UA。

应用叠加原理将这四个电压分量叠加，得出应用叠加原理将这四个电压分量叠加，得出T形电形电阻网络开路时的输出电压阻网络开路时的输出电压UA，等效内阻，等效内阻（除去电源后开除去电源后开路网络的等效电阻路网络的等效电阻）为为R。

集成运放的输出模拟电压为U0如果输入的是n位二进制数，则如果输入的是n位二进制数，则当取当取RF3R时，则上式为时，则上式为例如对四位的数例如对四位的数模转换器而言：

模转换器而言：

R2RT形电阻网络数形电阻网络数模转换器的模转换器的优点优点是它是它只只需及和需及和2只两种阻值只两种阻值的电阻，这对选用的电阻，这对选用高精度电阻高精度电阻和和提高提高转换器的精度转换器的精度都是有利的。

都是有利的。

S0+-uOS1S2S3D3D2D1D0iRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI30011111111000000RRR电路组成与转换原理电路组成与转换原理电路组成与转换原理电路组成与转换原理2.2.倒倒倒倒TT形电阻网络数形电阻网络数形电阻网络数形电阻网络数模转换器模转换器模转换器模转换器由倒由倒T型电阻网络、模拟开关和一个电流型电阻网络、模拟开关和一个电流电压转换电路电压转换电路（简称简称I/U转换电路转换电路）组成。

组成。

模模拟拟开开关关Si打打向向“1”侧侧时时，相相应应2R支支路路接接虚虚地地；打打向向“0”侧侧时时，相相应应2R支支路路接接地地。

故故无无论论开开关关打向哪一侧，倒打向哪一侧，倒T型电阻网络均可等效为下图：

型电阻网络均可等效为下图：

II3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI3RRRABC1）1）从从AA、BB、CC节点向左看去，各节点对地的等效电阻均为节点向左看去，各节点对地的等效电阻均为22RR。

2）2）不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地虚地）或接或接“地地”（也就是不论输入信号是也就是不论输入信号是11或是或是00），各，各支路的电流支路的电流是不变的。

是不变的。

因此，从参考电压端输入的电流为因此，从参考电压端输入的电流为IIRR，而后根据电流，而后根据电流分流公式得出各支路的电流：

分流公式得出各支路的电流：

由此可得出电阻网络的输出电流由此可得出电阻网络的输出电流如果输入的是如果输入的是n位二进制数，则位二进制数，则当取当取RFR时，则上式为时，则上式为与与T形电阻网络的输出电压相同。

形电阻网络的输出电压相同。

12.1.212.1.2数数数数模转换器的主要技术指标模转换器的主要技术指标模转换器的主要技术指标模转换器的主要技术指标l1.分辨率分辨率分辨率分辨率是指转换器的最小输出电压与最大输出电压之比。

是指转换器的最小输出电压与最大输出电压之比。

当输入的数字量为当输入的数字量为1时（仅最低位为时（仅最低位为1，其余各位，其余各位全部为全部为0），输出最小，当输入的数字量各位全部为），输出最小，当输入的数字量各位全部为1时，输出最大，此二者之比即为时，输出最大，此二者之比即为分辨率分辨率，例如，例如10位位DAC转换器的分辨率为：

转换器的分辨率为：

1/（210-1）0.001有时也用输入信号的有时也用输入信号的有效位数有效位数来表示来表示分辨率分辨率，有有效位数越多分辨率就越高效位数越多分辨率就越高。

显然分辨率越高，转换的。

显然分辨率越高，转换的精度就越高。

但分辨率越高其转换电路就越复杂。

精度就越高。

但分辨率越高其转换电路就越复杂。

l表表12-1不同不同DAC转换器的分辨率转换器的分辨率转换器输入数字量的位数转换器输入数字量的位数分辨率分辨率41/1581/255101/1023121/4095161/655352.2.转换精度和线性度转换精度和线性度转换精度转换精度是指输出模拟电压的是指输出模拟电压的实际值实际值与与理想理想值值之差，即之差，即最大静态转换误差最大静态转换误差。

这误差和运放的。

这误差和运放的零点漂移、模拟开关的压降以及电阻阻值的偏差零点漂移、模拟开关的压降以及电阻阻值的偏差等很多原因引起的。

等很多原因引起的。

l线性度线性度是指转换器的非线性误差，产生非线性误差的是指转换器的非线性误差，产生非线性误差的原因一般是由各模拟通路的原因一般是由各模拟通路的偏差偏差和和压降不同压降不同造成的。

造成的。

l3.输入数字电平和输出电平输入数字电平和输出电平输入数字电平输入数字电平是指输入的数字信号分别为是指输入的数字信号分别为0和和1时所对应的时所对应的输入高、低电平的值输入高、低电平的值，不同的转换器，不同的转换器该值略有区别。

该值略有区别。

输出电平输出电平是指是指输出电压的最大值输出电压的最大值，不同型号的转换器该值的相差较大，其中高压输不同型号的转换器该值的相差较大，其中高压输出型的可达出型的可达30V，电流输出型的可达，电流输出型的可达3A。

4.工作温度范围工作温度范围温度的高低将直接影响到转换器的精度指标，好的产品工作温度可在-40150之间。

12.1.312.1.3数数数数模转换器的主要产品介绍模转换器的主要产品介绍模转换器的主要产品介绍模转换器的主要产品介绍l1.DAC0830系列系列lDAC0830系列是系列是8位分辨率的集成位分辨率的集成DAC转换电路，转换电路，包含转换电路和外围电路，具有双缓冲结构，内部主包含转换电路和外围电路，具有双缓冲结构，内部主要由要由8位输入锁存器、位输入锁存器、8位位DAC寄存器、寄存器、8位位DAC转换转换电路和转换控制电路构成，采用电路和转换控制电路构成，采用20脚双列直插封装脚双列直插封装，芯片外接集成运放，将转换成的模拟电流信号放大后芯片外接集成运放，将转换成的模拟电流信号放大后变成电压信号输出。

变成电压信号输出。

图图12-5DAC0830系列的外引线排列图系列的外引线排列图2.2.集成集成集成集成DA7520DA7520l集成集成DA7520和前述和前述0830系列不同的是其电路只包系列不同的是其电路只包含转换网络和模拟电子开关。

是含转换网络和模拟电子开关。

是10位位CMOS电流开关电流开关型转换器，其结构简单，通用性好。

型转换器，其结构简单，通用性好。

DA7520的外引线的外引线排列图如图排列图如图12.6所示。

所示。

图12.6DA7520的外引线排列图1.A/D1.A/D1.A/D1.A/D转换的基本原理和一般步骤转换的基本原理和一般步骤转换的基本原理和一般步骤转换的基本原理和一般步骤“”表示取整。

表示取整。

ADCD0D1Dn-2Dn-1uI模拟输模拟输模拟输模拟输入信号入信号入信号入信号nn位二进制数输出位二进制数输出位二进制数输出位二进制数输出DD=DDnn-1-1DDnn-2-2DD11DD00可见，输出数字量可见，输出数字量D正比于输入模拟量正比于输入模拟量uI。

称为称为ADC的单位量化电压或量化单位，的单位量化电压或量化单位，它是它是ADC的最小分辨电压。

的最小分辨电压。

12.212.2模模-数转换器数转换器模模-数转换一般要经过采样、保持、量化和编码数转换一般要经过采样、保持、量化和编码4个步骤。

目前用的较多的是逐次逼近型、双积分型和个步骤。

目前用的较多的是逐次逼近型、双积分型和电压频率变换型转换器等。

电压频率变换型转换器等。

采样：

采样：

把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。

把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。

保持：

保持：

保持采样信号，使有充分时间转换为数字信号。

保持采样信号，使有充分时间转换为数字信号。

量化：

量化：

把采样保持电路的输出信号用单位量化电压