模拟量和数字量的转换

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 留 留 去 留
模拟量和数字量的转换
演讲者 组长 组员 耿福 陈贤杰 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)
•
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（二进制数）， 所以在进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。
U0 / V 6 5
4 3 2 1 0
t0 1
逐次逼近转换过程示意图
设参考电压U R -8 V,
U0> UI U0 < UI t2 1
输入电压 UI 5.52 V。 转换完毕 , 输出数字量
t1
t3 1
对应模拟电压 U 5.5 V
(转换误差: –0.02V)
d3d 2d1d 0 1011
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 • 以二进制形式输出的有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。
下面介绍CC7520输入数字量与输出模拟量的 关系，其中 2n 210 1024
1.3D/A转化器的主要技术指标
• 1.分辨率 • D/A转换器的分辨率是指最小输出电压与最大输出 电压之比。例如10位D/A转换器的分辨率为
1 0.001 10 2 - 1 1023
1
• 2.精度
• 当取RF R ,则上式为
RFU R n 1 n2 0 U0 (d n 1 2 d n2 2 ...... d 0 2 ) n R2
有上式可知： U 0 的最值为
最小值为
UR ； n 2
n
）U R 。 最大值为（2 1 2
n
1.2数字量与模拟量的关系
数模转换器集成电路芯片种类很多，按输入的 二进制的位数分类有8位、10位、12位和16位等。
若输出为 8位数字量
-8 7 6 0 U 0 - 8 (d 7 2 d 6 2 d 0 2 ) 2
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
2.3A/D转换器的主要技术指标
• 1.分辨率 以输出二进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μs的中速 ADC及只需几μs或小于1μs的高速及超高速ADC。 • 3.相对精度 实际转换值与理想值之间的最大偏差。 • 4其他 功率、电源电压、电压范围等。
2. 转换过程
例：UR= -8V，UI = 5.52V
顺序
1
d3 d2 d1 d0
1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0
U0(V)
4V
比较判断
“1”留否
留
U0 U0 U0
> <
<
UI
2
3
6V
5V
UI UI
去 留 留
4
1
0
1
1
5. 5V
U0 UI
D/A转换器输出U0为正值
-8 U 0 - 4 (d 3 23 d 2 2 2 d1 21 d 0 20 ) 2
• （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 取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。
1 UR I2 IR 4 R 22
1 UR I1 I R 8 R 23 1 UR I0 IR 16 R 24
由此可得出电阻网络的输出电流
UR 3 2 1 0 I 01 (d 3 2 d 2 2 d1 2 d 0 2 ) 4 R2
• 运算放大器输出短的模拟电压 U 0则为
谢 谢
• 转化器的精度是指输出的模拟电压的实际 值与理想值之差，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 大器的零点漂移、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 •
1 2 3 4
8g 8g+4g 8g+4g+2g 8g+4g+1g
8g<13g 12g<13g 14g>13g 13g=13g
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 发生器、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：
•
输出数字量
输入电压U1
Ui
UA 四位D/A转换器
△
& &
d0
d3
d2
电压 － ＋ 比较器 ＋
∞
d3
d2
d1
逐次逼近 寄存器
Q F3 S R
Q F2 S R
≥1
Q F1 S R
≥1
Q F0 S R
≥1
读出“与门” & d1
&
E
d0
控制逻辑门
读出控制端
&
&
&
&
C 时钟脉冲
Q4
Q3
Q2
Q1
Q0
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
0 R 2R 2R 1 2 R 2R 3 R 2R
A
2R
UR
0 1 2 3
计算时注意事项 • （2）不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）各支路的电流时不变的。
参考电压输入的电流为
UR IR R
而后根据分流公式得出各支流电路
1 UR I3 I R 2 R 21
d3
d2
1 1
d 3 1时, 对应于 1 U R 2
0
1 0
0
0
d 2 1时, 对应于 1 U R 4
d1
0 0 0 1 1
d1 1时, 对应于 1 U R 8
d 0 1时, 对应于 1 U R 16
d0
0
0 0
0
1
例：UR= -8V，UI = 5.52V 转换数字量1011 4+1+0.5 = 5.5V 转换误差为 –0.02V
DAC是英文Digital-Analog Converter的缩写 ADC是英文Analog-Digital ConverHale Waihona Puke Baiduer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
CP
顺序脉冲发生器
逐次逼近型 寄存器
DAC U0
电压比较器
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，顺序脉冲发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送入比较器与待转换的输入电压 U1进行比较。 • 若U0>U1，说明数字量过大，将最高位的1除 去，而将次高位置1；若U0<U1，说明数字量还不 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。
R 2R 2R S0 1 0 R 2R S1 1 0 R 2R S2 1 0 S3 1
RF
A
2R
2R 模拟 开关
A+
+
+
UO
–
0
d0 Q0
d1 Q1
d2 Q2
d3 Q3
+UR
存放四位 二进制数
参考电压
数码寄存器
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。
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。
RFU R 3 2 1 0 U 0 RF I 01 (d 3 2 d 2 2 d1 2 d 0 2 ) 4 R2
• 如果输入的是n位二进制数，则
RFU R n 1 n2 0 U0 (d n 1 2 d n2 2 ...... d 0 2 ) n R2