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模拟量和数字量的转换 演讲者 耿福 组长 陈贤杰 组员 邓红波 董伟 凌承志 安全 1001 演讲内容 一、 D/A转换器转换原理 二、 A/D转换器转换原理 三、 A/D转换器分类及应用介绍 将 数字量 转换为 模拟量 的装置称为数 模转换 器 (简称 D/A转换器或 DAC) 将 模拟量 转换为 数字量 的装置称为模 数转换 器 (简称 A/D转换器或 ADC) DAC是英文 Digital-Analog Converter的缩写 ADC是英文 Analog-Digital Converter的缩写 一、 D/A转换器 1.1倒 T形电阻网络 D/A转换器 D/A转换器有很多种，目前生产的 D/A转 换器中大多采用倒 T形电阻网络这种结构。 其电路如下图所示。 1.电路 由数个相同的电路环节构成，每个电路环节 有两个电阻和一个模拟开关。 参考电压 存放四位 二进制数 模拟 开关 UO + 2R A +UR S2 S0 S1 S3 2R 2R 2R 2R d0 d1 d2 d3 0 R R R 1 1 0 + + - A RF 2R 0 0 1 1 数码寄存器 Q0 Q1 Q2 Q3 计算时注意事项 （ 1）在图 1.1中， 00， 11， 22， 33 左边部分电路的等效电阻均为 R。 2R 2R 2R 2R R R R 2R UR A 1 1 2 2 3 3 0 0 计算时注意事项 （ 2）丌论模拟开关接到运算放大器的反相 输入端（虚地）或接地（即数字信号是否 导通）各支路的电流时丌变的。 参考电压输入的电流为 而后根据分流公式得出各支流电路 13 221 RUII RR 22 24 1 R UII R R 31 28 1 R UII R R 40 216 1 R UII R R R UI R R )2222( 2 0 0 1 1 2 2 3 3401 ddddR UI R 由此可得出电阻网络的输出电流 运算放大器输出短的模拟电压 则为 0U )2222( 2 0 0 1 1 2 2 3 34010 ddddR URIRU RF F 如果输入的是 n位二迚制数，则 )2.22( 2 0 0 2 2 1 10 dddR URU n n n nn RF 当叏 ,则上式为 RR F )2.22( 2 0 0 2 2 1 10 dddR URU n n n nn RF 有上式可知： 的最值为 最小值为 ； 最大值为 。 0U n RU 2 n R n U 2 12 ）（ 102422 10 n 1.2数字量不模拟量的关系 数模转换器集成电路芯片种类很多，按输入的 二迚制的位数分类有 8位、 10位、 12位和 16位等。 下面介绍 CC7520输入数字量不输出模拟量的 关系，其中 1.3D/A转化器的主要技术指标 001.01023 11-2 110 1.分辨率 D/A转换器的分辨率是指最小输出电压不最大输出 电压之比。例如 10位 D/A转换器的分辨率为 2.精度 转化器的精度是指输出的模拟电压的实际 值不理想值之差，即最大静态转换误差。 该误差是由参考电压偏离标准值、运算放 大器的零点漂秱、模拟开关的电压降以及 电阻阻值的偏差等原因所引起的。 3.线性度 4.输出电压（或电流）的建立时间 5电源抑制比 二、 A/D转换器 2.1逐次逼近型 A/D转换器 A/D转换器也有很多种，下面介绍目前 用的较多的 逐次逼近型 A/D转换器 。 2.1逐次逼近型 A/D转换器 其工作原理可用天平称重过程来比喻说明。好比 用 4个分别重 8g， 4g， 2g， 1g的砝码去称重 13g 物体，称重顺序见表 2.1。 表 2.1逐次逼近称物一例 顺序 砝码重量 比较判断 该砝码是否保留或 除去 1 8g 8g13g 留 2 8g+4g 12g13g 去 4 8g+4g+1g 13g=13g 留 2.2A/D转换器原理 逐次逼近型 A/D转换器一般由顺序脉冲 収生器、逐次逼近寄存器、 D/A转换器和电 压比较器等几部分组成，其原理方框图如 图 2.2： 顺序脉冲发生器 CP 逐次逼近型寄存器 DAC 电压比较器 输出数字量 输入电压 U1 U0 图 2.2逐次逼近型 A/D转换器的原理方框图 原理解释 转换开始，顺序脉冲収生器输出的顺序脉冲首 先将寄存器的最高位置 1， 经 D/A转换器转换为相 应的模拟电压 U0送入比较器不待转换的输入电压 U1迚行比较。 若 U0U1，说明数字量过大，将最高位的 1除 去，而将次高位置 1；若 U0U1，说明数字量还丌 够大，应将这以为的 1保留，还须将下一位高位置 1。 这样逐次比较下去，一直到最低位为止。 寄存器的逻辑状态就是对应于输入电压 U1的输出 数字量。 补充说明 因为模拟电压在时间上一般是连续变化 量，而要输出的是数字量（二迚制数）， 所以在迚行转化时必须在一系列选定的时 间间隔对模拟电压采样（见第 16章 16.3 节）。经采样保持电路后，得出的每次采 样结束时的电压就是上述待转换的输入电 压 U1。 下面结合图 2.3的具体电路来说明逐次逼 近的过程。 Q F3 S R R F2 S Q R F1 S Q R F0 S Q & d3 & d2 & d1 & d0 读出“与门” & & & & 1 1 1 d3 d0 E 读出控制端 Ui UA 电压 比较器 逐次逼近 寄存器 控制逻辑门 时钟脉冲 五位顺序脉冲发生器 四位逐次逼近型模 -数转换器的原理电路 四位 D/A转换器 C Q4 Q3 Q2 Q1 Q0 d2 d1 2. 转换过程 2 3 4 1 1 0 0 0 U0 UI 6V U0 UI 5V U0 UI “ 1” 留否 d3 d2 d1 d0 U0(V) 顺 序 比 较 判 断 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 例： UR= -8V， UI = 5.52V )2222(2 8- 0011223340 ddddU D/A转换器输出 U0为正值 逐次逼近转换过程示意图 6 VU /0 3d 2d 1d 0d t0 t1 t3 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 t2 R3 21,1 Ud 对应于时 R2 41,1d U对应于时 R1 81,1 Ud 对应于时 R0 161,1 Ud 对应于时 V,8-R U设参考电压 5 4 3 2 1 0 。输入电压 V52.5I U U0 UI U0 UI 输出数字量转换完毕 , 1 0 1 10123 dddd V5.5U对应模拟电压 (转换误差 : 0.02V) 转换数字量 1011 4+1+0.5 = 5.5V 转换误差为 0.02V 例： UR= -8V， UI = 5.52V 若输出为 8位数字量 转换数字量 10110001 4+1+0.5+0.03125 = 5.53125V 转换误差为 +0.01125V 位数越多误差越小 )222(2 8- 00667780 dddU 2.3A/D转换器的主要技术指标 1.分辨率 以输出二迚制的位数表示分辨率。位数越多，误 差越小，分辨率越高。 2.转换速度 从它接到转换控制信号起，到输出端得到稳定的 数字量输出所需要的时间。其中有转换一次需 10ms以上的慢速 ADC，需几十至几百 s的中速 ADC及只需几 s或小于 1s的高速及超高速 ADC。 3.相对精度 实际转换值不理想值之间的最大偏差。 4其他 功率、电源电压、电压范围等。 三、 A/D转换器分类及应用介绍 - （ 1）从原理上分 双积分型 ADC、逐次逼近型 ADC、并行型 ADC以及 型。 （ 2）从转换速度上分 （ 3）从 ADC输出的数字量最大位数（即分辨率） 来分 以二迚制形式输出的有 8、 10、 12、 14、 16、 24位等，以 BCD码形式输出的有三位半，四位半 及更高分辨率的。 （ 4）从 ADC芯片内部结构分 有单独的 A/D转换器，如 ADC0801、 AD7581 型等。有功能更为强大的 AD363转换器，其内部 有 16路模拟多路开关，数据放大器，采样 /保持器 及 12位 A/D转换器。 （ 5）从 A/D转换器数字输出端来分 8位分辨率则可直接连到微型机的数据总线， 十分方便， 10位以上的分辨率 ADC芯片须增加读 叏控制逻辑分两次读入 CPU。 （ 6）按输出接口分 有并行接口 ADC和串行接口 ADC。 谢 谢