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1、1,9.1 概述,9.2 D/A 转换器,9.3 A/D 转换器,第9章 数/模与模/数转换,2,数字系统具有很多优点，特别是包含微机的数字系统，更具有高度智能化的优点，所以目前先进的信息处理和自控设备大都是数字系统，例如，数字通信系统，数字电视及数字仪表等。,9.1 概述,在数字系统内，只能对数字信号进行处理，而实际信号大多是连续变化的模拟信号，例如电压、电流、声音、图像、温度、压力、速度等。就需要把模拟量转化为数字量，以便数字系统进行处理。,相反，数字系统处理后的数字量也需要转化为模拟量才能应用。,3,模拟量,数字量,Analog,Digital,A/D,模/数转换器简称ADC,数字量,模
2、拟量,D/A,数模转换器简称DAC,4,典型数字控制系统框图,将非电模拟量转化为模拟电压或电流,5,9.2 D/A转换器,9.2.1 D/A转换基本原理,一个n位二进制可表示为D=dn-1 dn-2 d1 d0,D=dn-12n-1+dn-2 2n-2 d1 21+d0 20,UO=,式中k为比例系数（转换系数），是一个常数；D为n位二进制数。,Uo=,kD,k,(dn-12n-1+dn-2 2n-2 d1 21+d0 20),6,DAC转换特性：输入数字量与模拟量的对应关系,最小输出电压ULSB：,相临两组代码代码转换出来的模拟量之差。,分辨率：,电路所能分辨出的最小输出电压与最大输出电压之
3、比。,分辨率=,ULSB,Uomax,=,1,2n-1,设D为三位二进制,要求uomax=7V,7,四位二进制的分辨率？,若最大输出电压仍为7V，最小输出电压将变大还是变小？,8,数模转换器的分类：,9,9.2.2 权电阻网络D/A转换器,它由寄存器、模拟电子开关、权电阻解码网络、运算放大器和基准电源组成。,di=1，Si接至UR；di=0，Si接地。,10,当某一位di为1时，,Si接基准电压UR,Ii=,2n-1-iR,=,-UR,2n-1R,2i,-UR,输入数码di=0时，Si接地，所以Ii=0,由此可将di位产生的电流写成：,11,di位产生的电流,根据叠加原理，流进求和点N的总电流
4、为：,I,12,通过运算放大器运算，输出电压为：,流进求和点N的总电流为：,I,13,9.2.3 倒T型电阻网络D/A转换器,1.电路结构与工作原理,从A、B、C、D各点向左看其等效电阻均为,R,电源的总电流为,I,14,若d2=1,则通过S3流入运放的电流为,I/4,若d2=0,则通过S3流入运放的电流为,0,I/4d2,对d1而言.,I/8d1,对d0而言.,I/16d0,I,若d3=1,则通过S3流入运放的电流为,若d3=0,则通过S3流入运放的电流为,0,I/2,15,对d1而言,I/8d1,对d0而言,I/16d0,根据输入数字量的数值，运放的输入总电流为,I,I,I,对d3而言,I
5、/2d1,对d2而言,I/4d0,16,I,IRF,I,17,权电流型D/A转换器,18,9.2.5 DAC的主要参数,1.转换精度,一般用分辨率和转换误差来描述转换精度,(1)分辨率 电路所能分辨的最小输出电压ULSB与满刻度输出电压Uomax之比，,分辨率,n=10,分辨率=,n=11,分辨率=,(2)转换误差一般是指输入端加满刻度的数字量时，DAC输出电压的理论值与实际值之差。转换误差一般应低于。,19,例如，某控制系统中有一D/A转换器，如果系统要求该D/A转换器的转换误差（相对误差）小于0.25%，试问应选择多少位的D/A/转换器？,解：,0.25%,n7.64,D/A转换器位数至少
6、为8位。,20,2.转换速度转换速度是指从数码输入到模拟电压稳定输出之间所经历的响应时间。一般取输入由全0变为全1或由全1变为全0时，其输出达到稳定值所需的时间，也称转换时间。,21,9.3 A/D转换器,9.3.1 A/D转换的一般步骤及分类,A/D转换器的一般步骤,（1）采样、保持。,采样：就是把一个时间上连续的信号变换为时间上离散的信号。,保持：将采样信号保持一段时间，使A/D转换器有充分时间进行A/D转换。,22,A/D转换器的一般步骤,（1）采样、保持,（2）量化、编码,模拟信号经采样、保持而抽取的采样电压值，就是在t1、t2、t3、时刻ui的瞬时值，这些值的大小，在时间上是离散的，
7、但在幅值上仍属于模拟量。即它可能是某一区间的任意值。,另一方面，数字量仅能取某一区间的某些特定值，如果该数字量是三位二进制数，则仅可取000-111内8种可能的值。因此，用数字量表示采样电压值时，先要把采样电压归化到与之相近的离散电平上去，这一转化过程称为量化。,把量化的结果再转化为对应的代码，就是编码。,23,2.A/D转换器的分类,24,9.3.2 直接型A/D转换器,快速并行A/D转换器,0Ui（1/14）UR时：,000,（1/14）UR Ui（3/14）UR时：,001,1,0,1,0,001,25,1.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
8、如：用5个分别重16、8、4、2、1克的砝码去称重 X 克的物体。,X,(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。,(2)、再加8g砝码，再进行比较一直比较到天平平衡为止。,26,2 集成ADC0809简介,27,28,9.3.3 间接A/D转换器,间接A/D转换器有电压 时间变换型（U/T变换型）和电压 频率变换型（U/F变换型）。1.双积分式ADC：双积分型ADC是用得最多的一种U/T变换器。它的基本原理是对输入模拟电压和参考电压进行两次积分，先将输入模拟电压Ui转换成与之大小对应的时间间隔，然后再在此时间间隔内用计数频率不变的计数器计数，计数
9、器所计的数字量就正比于输入模拟电压。,29,第一次积分：（定时积分）:转换开始(t=0)时，电子开关S1接通模拟输入信号电压US1=Ui，积分器开始对输入的Ui进行积分,30,第二次积分：（定值积分）:开关S1接到-UREF，积分器开始反向积分,31,优点：有较强的抗干扰能力，由于采用积分器取样，采样电压值Ui是采样时间（T1）内Ui的平均值，若选取采样时间T1为20ms的整数倍，则可有效地滤出工频干扰。缺点：是转换速度低，要两次积分，转换一次最少也需要2T1=2n+1TC时间。这种转换器大多用于精度较高而转换速度要求不高的仪器仪表中，它在数字万用表等对速度要求不高的场合得到广泛应用。,32,
10、2.U/F变换型A/D转换器 下图是U/F变换型A/D转换器的框图，它是由压控振荡器、寄存器、计数器和时钟信号控制门等几部分组成。,33,9.3.4 A/D转换器的主要技术参数,1.分辨率ADC的分辨率是指输出数字量变化一个最低有效位(LSB)所对应的输入模拟电压的变化量。例如ADC输入模拟电压变化范围为010V，输出为10位数码，则分辨率为,分辨率也可用百分数表示，即,0.097%,一般来说，位数愈多，则每一位二进制代码所代表的模拟量越小，其分辨能力也越高。,34,2转换速度A/D转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型。并联比较型：速度最快，如50ns逐次比较型：1100s之间双积分型：数十数百ms之间。,35,思考题,9.1 9.2 9.4 9.5 9.7,
