第十章第十章

数模（数模（ D/AD/A ）和模数（）和模数（ A/DA/D ）转换）转换

10.110.1 概述概述一、用途及要求一、用途及要求

传感器 放大器 A/D转换 微型计算机

控制对象

D/A转换

！精度！精度！速度！速度

电加热炉

热电偶

执行机构

温度

时间

二、分类二、分类

变换型变换型

间接型

反馈比较型并联比较型

直接型

权电容网络开关树型权电流型形电阻网络倒

权电阻网络

FV

TVDA

DAC

DAC

DAC

DACT

DAC

AD //

10.2 D/A10.2 D/A 转换器转换器

D

111101…

D/AA( 电压 或 电流 )

？

10.2.1 10.2.1 权电阻网络权电阻网络 D/AD/A 转换器转换器 电路结构和工作原理电路结构和工作原理

权电阻网络

模拟开关

求和放大器

器近似地看成是理想放大以把运算放大器为了简化分析计算，可

权电阻网络

模拟开关

求和放大器

控制受数字 0303 ddSS ~~

点流向时，

时，

ii

ii

Id

Id

1

00

RVI

RVI

RVI

RVI

RVI

ii

0REF

3

1REF

2

2REF

1

3REF

0

REF

2

2

2

2

权电流：

)2222)(2/(

)2222

(

)(

00

11

22

334

REF

03REF

12REF

21REF

30REF

F

0123F

FO

ddddV

dR

Vd

R

Vd

R

Vd

R

VR

IIIIR

Riv

输出模拟电压量：

2/RRF

• 实现数模转换实现数模转换 当输入数字信号当输入数字信号 DD

（（ dd33dd22dd11dd00 ）取值为）取值为00000000～～ 11111111 时，时，输出模拟电压为输出模拟电压为

权电阻网络

模拟开关

求和放大器

转换比例系数

4

4REF

2

)12(~0

V

10.2.2 10.2.2 倒倒 TT 形电阻网络型形电阻网络型 D/AD/A 转换器转换器

希望用较少类型的电阻，仍然能得到一系列权电流

I=VREF/R

基准电流 : I=VREF/R

i

ii

REF dR

V2

2

3

04

)16842

( 0123 dI

dI

dI

dI

i )2

1

2

1

2

1

2

1( 04132231

ddddR

VREF

)2222(2 0

01

12

23

34

ddddR

VREF

Riv O

+ -

i

i

ii

REF dV

22

3

04

)2222(2 0

01

12

23

34

ddddVREF

i

ii

REFo d

Vv 2

2

3

04

in

iin

REF dV

v 22

1

0O

nREFV

K2

令：

in

iiB dN 2

1

0

11

11

00 222

nnddd

得： vO=KNB

vO 与数字量成正比。

10.2.3 D/A10.2.3 D/A 转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标

1. 1. 分辨率分辨率• 用用 D/AD/A 转换器输入二进制代码的位数给出转换器输入二进制代码的位数给出• nn 位位 D/AD/A 转换器的分辨率为：转换器的分辨率为： 分辨率＝分辨率＝ 1/(21/(2nn －－ 1)1)2. 2. 转换精度转换精度• 指指 D/AD/A 转换器实际能达到的精确程度转换器实际能达到的精确程度• 用转换误差来描述用转换误差来描述• 转换误差是指全量程内， 转换误差是指全量程内， D/AD/A 转换电路实际输出与理转换电路实际输出与理

论值之间的最大误差论值之间的最大误差3. 3. 转换速度转换速度• 通常用转换时间来表示通常用转换时间来表示• 转换时间指输入数字量由全转换时间指输入数字量由全 00 变为全变为全 11 或全或全 11 变为全变为全

00 时，输出电压达到终值时，输出电压达到终值 ±± 时所需的时间时所需的时间LSB2

1

D

111101…

A/D

A( 电压 或 电流 )

？

10.3 A/D10.3 A/D 转换器转换器 A/DA/D 转换器的功能是将输入的模拟电压量转换成相应的转换器的功能是将输入的模拟电压量转换成相应的数字量输出数字量输出

按工作原理可分为：按工作原理可分为：1.1. 直接型：将模拟电压量直接转换成输出的数字代码直接型：将模拟电压量直接转换成输出的数字代码2.2. 间接型：将模拟电压量转换成一个中间量（如时间或频间接型：将模拟电压量转换成一个中间量（如时间或频

率），然后再将中间量转换成数字代码率），然后再将中间量转换成数字代码

10.3.1 A/D 转换的一般步骤

由于输入的模拟信号在时间和幅值上都是连续的，所以一般的 A/D 转换过程为：取样、保持、量化和编码。

1. 1. 取样—保持取样—保持

max2 is ff

取样取样 (( 采样定理采样定理 )) ：：

取样—保持电路：取样—保持电路：

A 1A 2

L

R 1

R 2

S

C h

3 0 0

3 0 k

1D 2D

iu

Lu

o'uou

2. 2. 量化与编码量化与编码在进行在进行 A/DA/D 转换时，必须将采样电压表示为一个最小单位的整数转换时，必须将采样电压表示为一个最小单位的整数倍，这个转化过程称为倍，这个转化过程称为量化量化。将量化结果用代码表示出来，称为。将量化结果用代码表示出来，称为编码编码。。

111

11 0

1 0 1

1 0 0

0 11

0 1 0

0 0 0

0 0 1

0 (V )0 Δ

1 /8 (V )1 Δ

2 /8 (V )2 Δ

3 /8 (V )3 Δ

4 /8 (V )4 Δ

5 /8 (V )5 Δ

6 /8 (V )6 Δ

7 /8 (V )7 Δ

输入信号

二进制代码

代表的模拟电压值 输入

信号

111

11 0

1 0 1

1 0 0

0 11

0 1 0

0 0 0

0 0 1

1 V

0

1 /1 5 V

3 /1 5 V

5 /1 5 V

7 /1 5 V

9 /1 5 V

11 /1 5 V

V1 5/1 3

二进制代码

代表的模拟电压值

0 (V )0 Δ

2 /1 5 (V )1 Δ

4 /1 5 (V )2 Δ

6 /1 5 (V )3 Δ

8 /1 5 (V )4 Δ

1 0 /1 5 (V )5Δ

1 2 /1 5 (V )6Δ

1 4 /1 5 (V )7Δ

1 V

7 /8 V

6 /8 V

5 /8 V

4 /8 V

3 /8 V

2 /8 V

1 /8 V

0

111

11 0

1 0 1

1 0 0

0 11

0 1 0

0 0 0

0 0 1

0 (V )0 Δ

1 /8 (V )1 Δ

2 /8 (V )2 Δ

3 /8 (V )3 Δ

4 /8 (V )4 Δ

5 /8 (V )5 Δ

6 /8 (V )6 Δ

7 /8 (V )7 Δ

输入信号

二进制代码

代表的模拟电压值 输入

信号

111

11 0

1 0 1

1 0 0

0 11

0 1 0

0 0 0

0 0 1

1 V

0

1 /1 5 V

3 /1 5 V

5 /1 5 V

7 /1 5 V

9 /1 5 V

11 /1 5 V

V1 5/1 3

二进制代码

代表的模拟电压值

0 (V )0 Δ

2 /1 5 (V )1 Δ

4 /1 5 (V )2 Δ

6 /1 5 (V )3 Δ

8 /1 5 (V )4 Δ

1 0 /1 5 (V )5Δ

1 2 /1 5 (V )6Δ

1 4 /1 5 (V )7Δ

1 V

7 /8 V

6 /8 V

5 /8 V

4 /8 V

3 /8 V

2 /8 V

1 /8 V

0

10.3.2 并行比较型 A/D 转换器33 位并行比较型位并行比较型 A/DA/D 转换器转换器

42 Qd

2461 QQQd 12345670 QQQQQQQd

并行比较型并行比较型 A/DA/D 转换器真值表转换器真值表

10.3.3 10.3.3 逐次渐近型逐次渐近型 A/DA/D 转换器转换器

直到最低位为止

”“再将次高位置

”“则去掉

则保留若

”” “，其余全为“高位先置

1.2

1,

1,

01.1

OI

OI

VV

VV

次就够了只要比较n

！电路不太复杂

！较快

in

iin

REF DV

v 22

1

0O

8 位逐次比较型 A/D 转换器波形图

VvI 84.6

in

iin

REF DV

v 22

1

0O

i

iiD 2

2

10 7

08

)22(2

10 00

778

DD

tdtvv

0 IO

1

t=T1

10.3.4 双积分型 A/D 转换器

=2nTC

tdtvv

0 IO

1

t=T1=2nTC

1

0P

1 T

IdtvV

dtVVtvt

t)(

1)(

2

1REFP2O

dtVVt

t 2

1REFP

1

I2REF 2

VTTV Cn

T2=λTC IREF

C2

2V

V

TT

n

IREFC

2 2V

VT

T n

I1VT

I

C2V

Tn

0

)( 12REF ttV

2REF TV

0121 QQQQ nn

10.3.5 A/D10.3.5 A/D 转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标

1. 1. 转换精度转换精度 分辨率：描述的是输出数字量对输入模拟量变化的敏感程分辨率：描述的是输出数字量对输入模拟量变化的敏感程 度，用输出数字量的位数表示。仅仅表示度，用输出数字量的位数表示。仅仅表示 A/DA/D 转换器在理转换器在理 论上可以达到的精度。论上可以达到的精度。 转换误差：描述实际能达到的转换精度。它表示转换误差：描述实际能达到的转换精度。它表示 A/DA/D 转换转换 器实际输出的数字量和理想输出数字量的差别，通常用输器实际输出的数字量和理想输出数字量的差别，通常用输 出数字量最低位的倍数表示。出数字量最低位的倍数表示。2. 2. 转换速度转换速度 用完成一次转换的时间来表示。它是从接到转换控制信号用完成一次转换的时间来表示。它是从接到转换控制信号 起，到输出端得到稳定的数字输出所需要的时间。起，到输出端得到稳定的数字输出所需要的时间。

第 10 章 作业

10.1 10.2 10.3 10.4 10.6