电子电工学第10章

第10章模/数和数/模转换电工电子学(Ⅰ)教学基本要求了解R-2R型数/模转换器和逐次逼近型模/数转换器的工作原理。重点内容：D/A、A/D转换器的基本原理及其转换精度和转换速度讲授学时：2学时电工电子学(Ⅰ)主要内容•概述•数/模（D/A）转换器•模/数（A/D）转换器•本章小结电工电子学(Ⅰ)概述•将数字信号转换为模拟信号称为数/模转换(简称D/A转换)；将模拟信号转换为数字信号称为模/数转换(简称A/D转换)。•实现D/A转换的电路称为数/模转换器(简称D/A转换器或DAC)；实现A/D转换的电路称为模/数转换器(简称A/D转换器或ADC)。•为了保证数据处理结果的准确性，A/D转换器和D/A转换器必须有足够的转换精度。为了适应快速过程的控制和检测，A/D转换器和D/A转换器必须有足够的转换速度。所以，转换精度和转换速度是衡量A/D转换器和D/A转换器性能优劣的主要指标。电工电子学(Ⅰ)数/模（D/A）转换器•概述D/A转换电路的目的是将数字式信号（一列数码脉冲）转换成幅度对应于数码值的模拟电信号，它是数字设备与模拟设备通信的必备部件。•构成D/A转换器的基本思想：由于构成数字代码的每一位都有一定的“权”因此为了将数字量转换成模拟量，就必须将每一位代码按其“权”转换成相应的模拟量，然后再将代表各位的模拟量相加即可得到与该数字量成正比的模拟量。电工电子学(Ⅰ)数/模（D/A）转换器D/A转换电路一般由基准电压源/电流源;模拟开关;电阻网络;运算放大器等部分组成。本节介绍R-2R型数/模(D/A)转换电路的转换原理。电工电子学(Ⅰ)数/模（D/A）转换器•R-2RT型D/A转换电路R-2RT型D/A转换原理电路如图。集成运放反相输入端为“虚地”，每个开关可以切换到两个不同的位置，切换到哪个位置由相应位数字量Bi控制。二进制码Bi控制着开关Si的位置。Bi为1，Si接ER；Bi为0，Si接地。电工电子学(Ⅰ)数/模（D/A）转换器集成运放反相输入端为“虚地”。因此，从两端的T型结点开始，向中间逐结点推算，很容易得到：当Bi=1,其余位均为0时，从结点i向左向右看的电阻都是2R，这样,从开关Si经2R支路流进结点的电流等分后分别向左向右流出,其等效电路如图2RR2R2R2RIiSiER12I12I14I14I由等效电路可求出，接电源支路所提供的电流均为3RiEIIR每经过一个结点，电流都要减小一半。电工电子学(Ⅰ)数/模（D/A）转换器二进制码最高位对运放输入端方向的电流为REREIRR63210其它各位产生的电流逐位减小一半，依次为00002(1)11111,,,2222ninIIII二进制码控制的各开关对集成运放输入端产生的总电流为110(1)00112232nniRininiiEIIBR输出电压10232nfRioiniREUBR正比于输入数码对应的十进制数值电工电子学(Ⅰ)数/模（D/A）转换器这种电路中电阻阻值只有R和2R两种，精度易于保证，且流过各模拟开关的电流均相同，所以给设计和制作带来方便，故集成D/A电路中多采用这种电路形式。特点：分辨率——D/A转换器的分辨率是指输出模拟电压可能被分离的等级数,它表示D/A转换器在理论上可以达到的精度。通常直接用输入数字量的有效位数n来表示；D/A转换器的转换精度——分辨率和转换误差。转换误差——表示由各种因素引起的转换误差的一个综合性指标，通常也称为线性误差。表示实际的D/A转换特性和理想转换特性之间的最大偏差。电工电子学(Ⅰ)模/数（A/D）转换器•A/D转换器的基本原理•A/D转换器的功能是将输入的模拟信号转换成数字信号输出。由于输入的模拟信号在时间上是连续变化的，而输出的数字信号是不连续的，所以转换只能在某些瞬间对输入进行取样，然后将这些取样值转换成数字量输出。•因此，A/D转换须先对输入的模拟信号进行采样，然后进入保持，在保持时间内将采样的信号转换为数字量，并按一定编码形式输出。A/D转换的过程：1.对输入的模拟电压信号进行取样；2.取样结束后进入保持时间；3.在保持时间内将取样的电压量化为数字量；4.按一定的编码形式给出转换结果；重复以上过程。电工电子学(Ⅰ)模/数（A/D）转换器•A/D转换器的原理图工作过程：当电路处于取样工作状态时，若采样开关闭合，输入信号ui对电容器充电运算放大器工作在单位增益的电压跟随器状态，故有uo2=uo1=ui，当采样开关断开时，C上的电压(uo1)基本保持不变，因而输出电压uo2也得以维持原来的数值。该输出电压经过量化编码，就成为数码输出的数字量。电工电子学(Ⅰ)模/数（A/D）转换器取样定理tOuItOusfO)(fA(max)if(max)isff为了保证能从取样信号vs将原来的被取样信号vI恢复，必须满足取样定理：(max)2isff其中fs为取样频率，fi(max)为输入模拟信号vI的最高频率分量的频率。在满足取样定理的条件下，可以用低通滤波器将us还原为uI。低通滤波器的电压传输系数在低于fi(max)的范围内应保持不变，而在fsfi(max)以前应迅速下降为0。(max)(3~5)siff一般取：电工电子学(Ⅰ)模/数（A/D）转换器量化和编码数字信号不仅在时间上是离散的，而且数值大小的变化也是不连续的。即任一数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍量化：进行A/D转换时，必须把取样电压表示为某个规定的最小数量单位的整数倍。此转化过程叫做量化。该最小数量单位叫量化单位，用表示。显然，就是数字信号最低有效位（LSB）的1所代表的数量大小。编码：把量化的结果用代码（二进制或其他进制）表示出来。这些代码就是A/D转换的输出结果。量化误差：由于模拟电压是连续的，它不一定能被整除，由此而引起的误差叫量化误差。将模拟电压信号划分为不同的量化等级时，采用的划分方法不同，其量化误差相差也较大。电工电子学(Ⅰ)模/数（A/D）转换器1V7/8V6/8V5/8V4/8V3/8V2/8V1/8V0V}}}}}}}}1111101011000110100010007=7/8V6=6/8V5=5/8V4=4/8V3=3/8V2=2/8V1=1/8V0=0V输入信号二进制代码代表的模拟电压1V13/15V11/15V9/15V7/15V5/15V3/15V1/15V0V}}}}}}}}1111101011000110100010007=14/15V6=12/15V5=10/15V4=8/15V3=6/15V2=4/15V1=2/15V0=0V输入信号二进制代码代表的模拟电压量化电平V81最大量化误差为，即V81量化电平V152最大量化误差为/2，即V151把0～1V的模拟电压转换成3位二进制代码，划分量化电平的两种方法：电工电子学(Ⅰ)模/数（A/D）转换器A/D转换器的转换精度分辨率（分解度）：以输出二进制数或十进制数的位数表示，它说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。mV88.42/V510理论上讲，n位二进制数字输出的A/D转换器应能区分输入模拟电压的2n个不同等级大小，即能区分输入电压的最小差异为满量程输入的1/2n。例如：A/D转换器的输出为10位二进制数，最大输入信号为5V，则该转换器的输出应能区分出输入信号的最小差异为。转换误差：通常以输出误差最大值的形式给出，它表示实际输出的数字量和理论上应有的输出数字量之间的差别，一般多以最低有效位的倍数给出。有时也用满量程输出的百分数给出转换误差。例如：转换误差，就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低有效位的半个字。LSB21电工电子学(Ⅰ)本章小结本章主要内容数/模（D/A）转换器模/数（A/D）转换器转换原理转换率转换误差转换精度转换率转换误差转换精度转换原理R-2R型数/模(D/A)转换电路