曹银祥dept.ofphysiology&pathophysiologyshanghai

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1、曹银祥Dept.ofPhysiology&PathophysiologyShanghaiMedicalCollegeFudanUniversity医学信号处理的原理和方法上一章复习第五讲模拟信号的数字化数模和模数转换的基本原理Nyquist采样定律数字量与绝对量的换算十进制和二进制第n位第n-1位…第3位第2位第1位十进制权10n-110n-2…102101100二进制权2n-12n-2…222120例如：十进制数7256=7*103+2*102+5*101+6*100二进制数1011=1*23+0*22+1*21+1*20=11(十进制数)5-1数模和

2、模数转换的基本原理5-1-1概述5-1-2D/A转换器5-1-3A/D转换器5-1-1概述能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器，简称A/D转换器或ADC；能将数字量转换为模拟量的电路称为数模转换器，简称D/A转换器或DAC。ADC和DAC是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口。5-1-2D/A转换器D/A转换器的基本原理D/A转换器的构成集成D/A转换器D/A转换器的基本原理和转换特性将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转

3、换。基本原理转换特性D/A转换器的转换特性，是指其输出模拟量和输入数字量之间的转换关系。图示是输入为3位二进制数时的D/A转换器的转换特性。理想的D/A转换器的转换特性，应是输出模拟量与输入数字量成正比。即：输出模拟电压uo=Ku×D或输出模拟电流io=Ki×D。其中Ku或Ki为电压或电流转换比例系数，D为输入二进制数所代表的十进制数。如果输入为n位二进制数dn-1dn-2…d1d0，则输出模拟电压为：D/A转换器的主要技术指标（1）分辨率分辨率用输入二进制数的有效位数表示。在分辨率为n位的D/A转换器中，输出电压能区分2n个不同的输入二进制代码状态，能

4、给出2n个不同等级的输出模拟电压。（2）转换精度D/A转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想值之差，即最大静态转换误差。（3）输出建立时间从输入数字信号起，到输出电压或电流到达稳定值时所需要的时间，称为输出建立时间。不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接到地，也就是不论输入数字信号是1还是0，各支路的电流不变的。二进制权电阻网络D/A转换器设RF=R/2倒T型电阻网络D/A转换器①分别从虚线A、B、C、D处向右看的二端网络等效电阻都是R。②不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接到地，也就是不论输入数字信号是1还是0，各

5、支路的电流不变。集成D/A转换器5-1-3A/D转换器A/D转换器的基本原理A/D转换器的构成集成A/D转换器A/D转换器的基本原理模拟电子开关S在采样脉冲CPS的控制下重复接通、断开的过程。S接通时，ui(t)对C充电，为采样过程；S断开时，C上的电压保持不变，为保持过程。在保持过程中，采样的模拟电压经数字化编码电路转换成一组n位的二进制数输出采样-保持电路t0时刻S闭合，CH被迅速充电，电路处于采样阶段。这一阶段uo跟随ui变化，即uo＝kui。t1时刻采样阶段结束，S断开，电路处于保持阶段。若A2的输入阻抗为无穷大，S为理想开关，则CH没有放电回路

6、，两端保持充电时的最终电压值不变，从而保证电路输出端的电压uo维持不变，在t1与下一个t0(t0’)之间，完成数据转换。A/D转换器的主要技术指标（1）分辨率A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示，位数越多，误差越小，转换精度越高。例如，输入模拟电压的变化范围为0～5V，输出8位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V×2－8＝20mV；而输出12位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V×2－12≈1.22mV。（2）相对精度在理想情况下，所有的转换点应当在一条直线上。相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。（3）转换速度转换速度是指完成一次转换

7、所需的时间。转换时间是指从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间。计数-比较型A/D转换器启动转换后，计数器清零，然后计数器开始计数，其数值经D/A转换器转换为模拟量，输入信号与D/A转换器输出的模拟量由比较器作比较，当两者相等时，控制电路停止计数器计数，此时，计数器的计数值便是输入信号的转换值。原理框图基本原理逐次逼近型A/D转换器转换开始前先将所有寄存器清零。开始转换以后，时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为100…0。这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压uo，送到比较器中与ui进行比较。若ui＞uo，说

8、明数字过大了，故将最高位的1清除；若ui＜uo，说明数字还不够大，应将这一位保留