模数与数模转换

3.3. 模数转换器模数转换器 （1） 模/数（A/D）转换器 A/D 转换器是模拟信号源与计算机或其它数字系统之间联系的桥梁， 它的任务是将连续 变化的模拟信号转换为数字信号，以便计算机或数字系统进行处理、存储、 控制和显示。在 工业控制和数据采集及其它领域中，A/D 转换器是不可缺少的重要组成部分。 1) 逐次逼近型 A/D 转换器 逐次逼近型 A/D 转换器又称逐次渐近型A/D 转换器，是一种反馈比较型A/D 转换器。 逐次逼近型 A/D 转换器进行转换的过程类似于天平称物体重量的过程。 天平的一端放着被称 的物体，另一端加砝码，各砝码的重量按二进制关系设置，一个比一个重量减半。称重时， 把砝码从大到小依次放在天平上， 与被称物体比较， 如砝码不如物体重， 则该砝码予以保留， 反之去掉该砝码， 多次试探， 经天平比较加以取舍， 直到天平基本平衡称出物体的重量为止。 这样就以一系列二进制码的重量之和表示了被称物体的重量。例如设物体重11 克，砝码的 重量分别为 1 克、2 克、4 克和 8 克。称重时，物体天平的一端，在另一端先将8 克的砝码 放上，它比物体轻，该砝码予以保留（记为1） ，我们将被保留的砝码记为1，不被保留的砝 码记为 0。 然后再将 4 克的砝码放上， 现在砝码总和比物体重了， 该砝码不予保留 （记为 0） ， 依次类推，我们得到的物体重量用二进制数表示为1011。用下表 7.1 表示整个称重过程。 DAC 表 7.1 逐次逼近法称重物体过程表 寄存器 顺序 1 2 砝码（克） 8 4 2 1 比较 811 1011 11=11 砝码取舍 取（1） 舍（0） 取（1） 取（1） + ∞ 控制电路+ 数码输入 时序脉冲电路 3 4 图 7.7 逐次逼近型 A/D 转换器方框图 利用上述天平称物体重量的原理可构成逐次逼近型A/D 转换器。 逐次逼近型 A/D 转换器的结构框图如图 7.7 所示，包括四个部分：电压比较器、D/A 转 换器、逐次逼近寄存器和顺序脉冲发生器及相应的控制逻辑。 逐次逼近型 A/D 转换器是将大小不同的参考电压与输入模拟电压逐步进行比较， 比较结果以 相应的二进制代码表示。转换开始前先将寄存器清零，即送给D/A 转换器的数字量为 0，三 个输出门 G7、G8、G9被封锁，没有输出。转换控制信号有效后（为高电平）开始转换，在时 钟脉冲作用下， 顺序脉冲发生器发出一系列节拍脉冲， 寄存器受顺序脉冲发生器及控制电路 的控制， 逐位改变其中的数码。 首先控制逻辑将寄存器的最高位置为1， 使其输出为 100…… 00。这个数码被 D/A 转换器转换成相应的模拟电压 Uo,送到比较器与待转换的输入模拟电压 Ui进行比较。若 Uo＞Ui，说明寄存器输出数码过大，故将最高位的 1 变成 0，同时将次高位 置 1；若Uo≤Ui,说明寄存器输出数码还不够大，则应将这一位的1 保留。数码的取舍通过电 压比较器的输出经控制器来完成的。 依次类推按上述方法将下一位置1 进行比较确定该位的 1 是否保留，直到最低位为止。此时寄存器里保留下来的数码即为所求的输出数字量。 2) 并联比较型 A/D 转换器 并联比较型 A/D 转换器是一种高速 A/D 转换器。图 8-9 所示是 3 位并联型 A/D 转换器， 第 1 页 共 5 页 它由基准电压UREF、电阻分压器、电压比较器、寄存器和编码器等五部分组成。UREF是基 准电压、ui是输入模拟电压，其幅值在0 到UREF之间，d 2d1d0是输出的 3 位二进制代码， CP 是控制时钟信号。 由图 8-9 可知，由 8 个电阻组成的分压器将基准电压UREF分成 8 个等级，其中七个等 级的电压接到 7 个电压比较器C1到C7的反相输入端， 作为它们的参考电压， 其数修正值分 别为UREF/14、3UREF/14…13UREF/14。输入模拟电压ui同时接到每个电压比较器的同相 输入端上，使之与 7 个参考电压进行比较，从而决定每个电压比较器的输出状态。 当0uiUREF/14 时，7 个电压比较器的输出全为 0，CP 到来后，寄存器中各个触发 器都被置 0 状态。经编码器编码后输出的二进制代码为d 2d1d0=0。 依次类推，可以列出ui为不同等级时寄存器的状态及相应的输出二进制数，如表 8-1 所示： 输入模拟电压 ui （0-1/14）UREF （1/14-3/14）UREF （3/14-5/14）UREF （5/14-7/14）UREF （7/14-9/14）UREF （9/14-11/14）UREF （11/14-13/14）UREF （13/14-1/14）UREF 寄存器状态输出二进制数 D0 0 0 0 0 0 0 0 1 D1 0 0 0 0 0 0 1 1 D2D3 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 D4 0 0 0 1 1 1 1 1 D5 0 0 1 1 1 1 1 1 D6 0 0 1 1 1 1 11 1 D7 0 1 1 1 1 1 1 1 d 2 0 0 0 0 1 1 1 1 d 0 d 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 表 8-1双并联比较型 A/D 转换器真值表 并联比较型 A/D 转换器的最大优点是转换速度快， 它是各种 A/D 转换器中速度最快的一 种。这是因为输入信号电压ui同时加到电压比较器的所有输入端，从加入ui到二进制数的 稳定输出所经历的时间为电压比较器、 触发器和编码器的延迟时间之和。 而且各位代码的转 换几乎是同时进行的，增加输出代码位数对转换速度的影响很小。 并联比较型 A/D 转换器的主要缺点是使用的比较器和触发器较多。随着分辨率的提高， 所需元件数目要按几何级数增加。 输出为 3 位二进制代码时， 需要电压比较器和触发器的个 3n 数均为 2 -1=7。当输出为n位二进制数时，需要个数为2 -1。例如：当n=10 时，需要的电 10 压比较器和触发器的个数均为 2 -1=1023。相应的编码器也变得复杂起来。显然，这种A/D 转换器的成本高，价格贵，是不经济的。在一般场合较少使用。 (2) 模/数（A/D）转换器的主要技术性能 1．分辨率 分辨率是指 A/D 转换器输出数字量的最低位变化一个数码时，对应输入模拟量的变化 量。通常以 A/D 转换器输出数字量的位数表示分辨率的高低， 因为位数越多，量化单位就越 小，对输入信号的分辨能力也就越高。例如，输入模拟电压满量程为10V，若用8 位 A/D 转 8 换器转换时， 其分辨率为 10V/2 =39mV， 10 位的 A/D 转换器是 9.76Mv,而 12 位的 A/D 转换器 为 2.44mV。 2．转换误差 转换误差表示 A/D 转换器实际输出的数字量与理论上的输出数字量之间的差别。 通常以 输出误差的最大值形式给出。 转换误差也叫相对精度或相对误差。 转换误差常用最低有效位 的倍数表示。例如，某A/D 转换的相对精度为±（1/2）LSB，这说明理论上应输出的数字量 第 2 页 共 5 页 与实际输出的数字量之间的误差不大于最低位为1 的一半。 3．转换