第八章数模和模数转换器
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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
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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。
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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
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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。
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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
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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。
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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。
医学电子学基础数模(DA)与模数(AD)转换
10-3 逐次比较型ADC原理框图
第三节 A/D转换器
① CP信号将寄存器最高位置1；
② ③
经uOD送A入C转A与换u为I比模较拟：电若压uuOO>；uI
，将寄存器最高位置
0，次高位置1，若uO < uI ，将这一位的1保留，次高
位置1；
DAC
④ 逐次DA转换、比
较到最低位为止。
寄存器的逻辑状 态就是对应于输 入模拟电压的输 出数字量。
整数倍表示。 编码：把量化的结果用二进制代码表示。
u1(t)
O
t
(a)模拟输入信号
S (t )
O ( b′)采样信号
t
S(t)
O (b)采样输出信号
t
uO(t)
O （c）采样保持信号
t于信输号入是否模会拟丢信号频谱 中最高频率的失两原倍信时号的，信采息样呢信号可以 不失真地恢复为原模？拟信号。 fS ≥ 2 fimax
可见，输出数字量 D 正比于输入模拟量 uI 。 2.转换过程：为了将模拟量转换成数字量,A/D 转换器要经过采样、保持、量化及编码4个过程。
输入模拟量
uI(t)
SC
uI(t)
采样保持电路
量化 编码
电路
…
输出数字量
Dn-1 DD10
采样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。 保持：保持采样信号，使有充分时间转换为数字信号。 量化：把采样保持电路的输出信号用单位量化电压的
无论开关接反相端还是接地，各支路电流不变。
且 I UR
R
由图可得
iΣ
I 2
d
3
I 4
d
2
I 8
d1
I 16
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
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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)
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第八章 数模和模数转换器
一、选择题
1．用二进制码表示指定离散电平的过程称为（ ）。
A．采样 B．量化 C．保持 D．编码
2．将幅值上、时间上离散的阶梯电平统一归并到最邻近的指定电平的过 程称为（ ）。
A．采样 B．量化 C．保持 D．编码
3．不属于 A/D 转换器电路组成部分的电路是（ ）。
A．取样-保持电路 B．量化电路
C．编码电路 D．译码电路
4．常用的 A/D 转换电路是（ ）A/D 转换器。
A．逐次渐进型 B．双积分型
C．并联型 D．V-F 型
5．10 位二进制 A/D 转换器的分辨率是（ ）。
A．1/10 B．1/100 C．1/1023 D．1/1024
6．n 位二进制的 A/D 转换器可分辨出满量程（ ）的输入变化量。
A．1/(2 n +1) B．1/2 n
C．1/(2 n -1) D．无法确定
7．双积分 A/D 转换器的转换时间大约在（ ）的范围内。
A．几十纳秒 B．几十微秒
C．几百微秒 D．几十毫秒
8．逐次逼近型 A/D 转换器的转换时间大约在（ ）的范围内。
A．几十纳秒 B．几十微秒
C．几百毫秒 D．几十毫秒
9．在 A/D 转换器中，已知δ是量化单位，若采用“有舍有取”方法划分 量化电平，则量化误差为（ ）δ。
A．1/4 B．1/2
C．1 D．2
10．以下四种转换器，（ ）是 A/D 转换器且转换速度最高。
A．并联比较型 B．双积分型
C．单稳态触发器 D．逐次逼近型
二、判断题
1． 采样是将时间上断续变化的模拟量， 转换成时间上连续变化的模拟量。
（ ）
2．A/D 转换过程中，必然会出现量化误差。
（ ）
3．A/D 转换器的二进制的位数越多，量化单位δ越小。
（ ）
4．双积分 A/D 转换器转换前要将电容充电。
（ ）
5．非线性误差主要由转换网络和运算放大器的非线性引起的。
（ ） 6．在两次采样之间，应将采样的模拟信号暂存起来，并把该模拟信号保 持到下一个脉冲到来之前。
（ ）
7．逐次比较型 A/D 转换器的转换速度比并联比较型快。
（ ）
8．双积分型 A/D 转换器速度快、精度高。
（ ）
三、填空题
1．D/A 转换器是把输入的 转换成与之成比例的 。
2．倒 T 形电阻网络 D/A 转换器由 、 、
及 组成。
3．D/A 转换器输出方式有 、 和 。
4．采样是将时间上 的模拟量，转换成时间上 的 模拟量。
5．最小输出电压和最大输出电压之比叫做 ，它取决于 D/A 转 换器的 。
6．精度指输出模拟电压的 和 之差，即最大静态 误差。
主要是参考电压偏离 、运算放大器 、模拟开 关的 、电阻值误差等引起的。