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电工电子技术基础 人民邮电出版社 知识模块二十 模－数与数－模转换器 主要内容 ①模－数和数－模转换的基本概念和转换原理。 ②典型的ADC、DAC工作原理。 ③集成转换器的应用。 重点 ADC、DAC转换方法 。 一、模－数转换器 由于A/D转换需要一定的时间，模拟信号经采样后，得到一系列样值脉冲，在采样电路后必须加上保持电路，实际采样一保持是做成一个电路。 在采样脉冲S(t)到来的时间τ内，电容充电；采样结束，电容C上的充电电压保持前一取样时间τ的输入Ui(t)的值，一直保持到下一个取样脉冲到来为止，当下一个取样脉冲到来，电容C上的电压再按输入Ui(t)变化。 （2）量化和编码 输入的模拟电压经过采样－保持后，得到阶梯波仍是一个可连续取值的模拟量，必须经过量化，将采样－保持后的样值电平归化到与之接近的离散电平上。指定的离散电平称为量化电平，两个量化电平之间的差值称为量化间隔S，位数越多，量化等级越细，S就越小。 编码，用一串二进制数码来表示各个量化电平，经编码后得到的代码就是ADC输出的数字量。采样－保持后未量化的Uo值与量化电平Uq值通常是不相等的，其差值称为量化误差δ，即δ=Uo－Uq。 量化的方法一般有两种：①只舍不入法——将取样保持信号Uo不足一个S的尾数舍去，取其原整数；②有舍有入法——当Uo的尾数＜S/2时，用舍尾取整法得其量化值，而当Uo的尾数≥S/2时，用舍尾入整法得其量化值。 转换开始前，先将逐位逼近寄存器清0，开始转换后，控制逻辑将逐位逼近寄存器的最高位置“1”，使其输出为 100…000，这个数码被DAC转换成相应的模拟电压UO，送至比较器与输入Ui比较。 ①若UOUi，说明寄存器输出的数码大了，应将最高位改为“0”（去码），同时设次高位为“1”； ②若UO≤Ui，说明寄存器输出的数码还不够大，需将最高位设置的“1”保留（加码），同时也设次高位为“1”。 【例１．1】在4位逐次逼近型ADC中，设UR = 10V，UI = 8.2V，试说明逐次比较的过程和转换结果。 【解】启动脉冲后，在第一个CP作用下，D/A转换器d3d2d1d0 = 1000。 ① 则UO UI，故d3 = 1，在第二个CP脉冲下，d3d2d1d0 = 1100； ② 则UO UI，故d2 = 1，在第三个CP脉冲下，d3d2d1d0 = 1110； ③ 则UO UI，故d1 = 0，在第四个CP脉冲下，d3d2d1d0 = 1101； ④ 则UO UI，故d0 = 1； 因此转换结果：d3d2d1d0 = 1101。 二、数－模转换器 1．DAC的基本原理和性能指标 （1）转换原理 数字量是代码按数位组合表示的，对于有权码，每位代码都有一定的权。将每一位的代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，实现从数字量到模拟量的转换。 DAC的转换特性，指其输出模拟量和输入数字量之间的转换关系。 理想的DAC转换特性，是输出模拟量与输入数字量成正比，如果输入为n位二进制数dn-1dn-2…d1d0，则输出模拟电压为： * * 1．模数转换基本原理 A/D转换是将时间连续、幅值也连续的模拟信号转换为时间和幅值都离散的数字信号，首先对模拟信号进行周期性抽取样值获得一系列等间隔的脉冲，经保持后得到阶梯波，接着将样值电平归化到离散电平，最后用二进制数码表示输出的数字量。转换过程一般通过采样、保持、量化和编码四个步骤完成。 ui或ii d0 d1 dn-1 A/D 输出 （1）采样和保持 采样是对模拟信号进行周期性抽取样值的过程，将时间上连续变化的信号转换为时间上离散的信号，即将时间上连续变化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大小。 采样原理 采样－保持电路 只舍不入法 有舍有入法 2．模－数转换器的主要技术指标 转换速度主要取决于转换电路的类型。 ADC完成一次转换所需要的时间，从接到转换启动信号开始，到输出端获得稳定的数字信号所经过的时间。 ③转换速度 误差通常用最低有效位LSB的倍数来表示，如相对精度不大于(1/2)LSB，说明实际输出数字量与理论输出数字量的最大误差不超过(1/2)LSB。 ADC实际输出数字量与理论输出数字量之间的最大差值，也就是实际各个转换点偏离理想特性的误差。 ②相对精度 以输出二进制数的位数表示分辨率，例如n位输出的ADC能区分输入电压的最小值为满量程输入的1/2n。 AD