數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換原理.ppt

第8章 數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換,8.1 概述 8.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 8.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換器,A/D,計(jì)算機(jī)（數(shù)字量）,顯示器,D/A,執(zhí)行部件（模擬量控制）,打印機(jī),8.1 概述,能夠?qū)⒛M量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC。,能夠?qū)?shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的器件稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC。,ADC和DAC是溝通模擬電路和數(shù)字電路的橋梁，也可稱之為兩者之間的接口.,ADC和DAC的應(yīng)用：,D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)譯碼器（解碼器）。一般常用的線性D/A轉(zhuǎn)換器，其輸出模擬電壓uO和輸入數(shù)字量Dn之間成正比關(guān)系。UREF為參考電壓。,一、D/A轉(zhuǎn)換器的基本工作原理,8.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器,D/A轉(zhuǎn)換器是將輸入的二進(jìn)制數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，以電壓或電流的形式輸出。,uODnUREF,將輸入的每一位二進(jìn)制代碼按其權(quán)值大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將代表各位的模擬量相加，則所得的總模擬量就與數(shù)字量成正比，這樣便實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。,8.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器,即：D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓uO，等于代碼為1的各位所對(duì)應(yīng)的各分模擬電壓之和。,D/A轉(zhuǎn)換器一般由數(shù)碼緩沖寄存器、模擬電子開關(guān)、參考電壓、解碼網(wǎng)絡(luò)和求和電路等組成。,8.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器,數(shù)字量以串行或并行方式輸入，并存儲(chǔ)在數(shù)碼緩沖寄存器中；寄存器輸出的每位數(shù)碼驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)數(shù)位上的電子開關(guān)，將在解碼網(wǎng)絡(luò)中獲得的相應(yīng)數(shù)位權(quán)值送入求和電路；求和電路將各位權(quán)值相加，便得到與數(shù)字量對(duì)應(yīng)的模擬量。,1. 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器,權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC原理圖,8.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器,二、D/A轉(zhuǎn)換器的主要電路形式,權(quán)電阻,雙向模擬開關(guān),數(shù)字量輸入,模擬量輸出,權(quán)電阻的排列順序和權(quán)值的排列順序相反。,運(yùn)算放大器,集成運(yùn)算放大器，作為求和權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)的緩沖，并將電流轉(zhuǎn)換為電壓輸出。,8.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器,權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC的原理分析,開關(guān)Si的位置受數(shù)據(jù)鎖存器輸出的數(shù)碼di控制：當(dāng)di=1時(shí)，Si將對(duì)應(yīng)的權(quán)電阻接到參考電壓UREF上；當(dāng)di=0時(shí)，Si將對(duì)應(yīng)的權(quán)電阻接地。,虛短,8.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器,虛斷,運(yùn)算放大器總的輸入電流為,運(yùn)算放大器輸出電壓為,令 RF=R/2 ，則,即：輸出的模擬電壓uO正比于輸入的數(shù)字量Dn，從而實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。,因而uO的變化范圍是,8.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器,權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電阻元件數(shù)較少； 缺點(diǎn)：阻值相差較大，制造工藝復(fù)雜。,8.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器,2. 倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器,數(shù)字量輸入,模擬量輸出,電阻解碼網(wǎng)絡(luò)中，電阻只有R和2R兩種，并構(gòu)成倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)di=1時(shí)，相應(yīng)的開關(guān)Si接到求和點(diǎn)；當(dāng)di=0時(shí)，相應(yīng)的開關(guān)Si接地。但由于虛短，求和點(diǎn)和地相連，所以不論開關(guān)如何轉(zhuǎn)向，電阻2R總是與地相連。這樣，倒T型網(wǎng)絡(luò)的各節(jié)點(diǎn)向上看和向右看的等效電阻都是2R，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的等效輸入電阻為R。,求和點(diǎn),倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器原理圖,8.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器,參考電壓UREF供出的總電流為：,分流：流入求和點(diǎn)的各支路電流為：,8.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器,流入求和點(diǎn)的電流為：,虛斷，運(yùn)算放大器的輸出電壓為：,倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：電阻種類少，只有R和2R，提高了制造精度；而且支路電流流入求和點(diǎn)不存在時(shí)間差，提高了轉(zhuǎn)換速度。 應(yīng)用：它是目前集成D/A轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換速度較高且使用較多的一種，如8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832，就是采用倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)。,8.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器,令 RF=R ，則,即：輸出的模擬電壓uO正比于輸入的數(shù)字量Dn，從而實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。,分辨率用于表征D/A轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入微小量變化的敏感程度。,分辨率,分辨率越高，轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)輸入量的微小變化的反應(yīng)越靈敏。 而分辨率與輸入數(shù)字量的位數(shù)有關(guān)，n越大，分辨率越高。,8.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器,1. 分辨率,三、D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo),D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級(jí)數(shù)可用輸入數(shù)字量的位數(shù)n表示D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率； 可用D/A轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比來表示分辨率。,8.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器,2. 轉(zhuǎn)換精度,D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是指輸出模擬電壓的實(shí)際值與理想值之差，即最大靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。,3. 轉(zhuǎn)換速度,從輸入的數(shù)字量發(fā)生突變開始，到輸出電壓進(jìn)入與穩(wěn)定值相差0.5LSB范圍內(nèi)所需要的時(shí)間，稱為建立時(shí)間tset。目前單片集成D/A轉(zhuǎn)換器（不包括運(yùn)算放大器）的建立時(shí)間最短達(dá)到0.1微秒以內(nèi)。,4. 溫度系數(shù),在輸入不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化產(chǎn)生的變化量。一般用滿刻度輸出條件下溫度每升高1，輸出電壓變化的百分?jǐn)?shù)作為溫度系數(shù)。,8.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器,1.DAC0832結(jié)構(gòu)框圖,四、8位集成DAC0832,它由一個(gè)8位輸入寄存器、一個(gè)8位DAC寄存器和一個(gè)8位D/A轉(zhuǎn)換器三大部分組成，D/A轉(zhuǎn)換器采用了倒T型R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)。,8.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器,2.DAC0832引腳功能,DI7DI0：8位輸入數(shù)據(jù)信號(hào)。,Rfb：反饋電阻（內(nèi)已含一個(gè)反饋電阻）接線端。DAC0832中無運(yùn)放，且為電流輸出，使用時(shí)須外接運(yùn)放。芯片中已設(shè)置了Rfb，只要將此引腳接到運(yùn)放的輸出端即可。若運(yùn)放增益不夠，還須外加反饋電阻。,8.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器,任何導(dǎo)線都可以被理解成電阻，因此，盡管連在一起的“地”，其各個(gè)位置上的電壓也并非一致的，對(duì)于數(shù)字電路，由于噪聲容限較高，通常是不需要考慮“地”的形式的，但對(duì)于模擬電路而言，這個(gè)不同地方的“地”對(duì)測(cè)量的精度是構(gòu)成影響的，因此，通常是把數(shù)字電路部分的地和模擬部分的地分開布線，只在板中的一點(diǎn)把它們連接起來。,3.DAC0832特性參數(shù),8.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器,分辨率： 8位 建立時(shí)間： 1s 增益溫度系數(shù)： 20ppm/（ppm-百萬(wàn)分之一，10-6） 輸入電平： TTL 功耗： 20mW,4.DAC0832工作方式,當(dāng)ILE、CS和WR1同時(shí)有效時(shí)，輸入數(shù)據(jù)DI7DI0進(jìn)入輸入寄存器；并在WR1的上升沿實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鎖存。當(dāng)WR2和XFER同時(shí)有效時(shí)，輸入寄存器的數(shù)據(jù)進(jìn)入DAC寄存器；并在WR2的上升沿實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鎖存。八位D/A轉(zhuǎn)換電路隨時(shí)將DAC寄存器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)（IOUT1+IOUT2）輸出。 DAC0832 的使用有雙緩沖器型、單緩沖器型和直通型三種工作方式。,DAC0832的三種工作方式,8.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器,（b）單緩沖方式：適合在不要求多片D/A同時(shí)輸出時(shí)。此時(shí)只需一次寫操作，就開始轉(zhuǎn)換，提高了D/A的數(shù)據(jù)吞吐量。,（a）雙緩沖方式：采用二次緩沖方式，可在輸出的同時(shí)，采集下一個(gè)數(shù)據(jù)，提高了轉(zhuǎn)換速度；也可在多個(gè)轉(zhuǎn)換器同時(shí)工作時(shí)，實(shí)現(xiàn)多通道D/A的同步轉(zhuǎn)換輸出。,（c）直通方式：輸出隨輸入的變化隨時(shí)轉(zhuǎn)換。,A/D轉(zhuǎn)換是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，轉(zhuǎn)換過程通過取樣、保持、量化和編碼四個(gè)步驟完成。,8.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換器,一、A/D轉(zhuǎn)換器的基本工作原理,模擬量輸入,數(shù)字量輸出,取樣（也稱采樣）是將時(shí)間上連續(xù)變化的信號(hào)，轉(zhuǎn)換為時(shí)間上離散的信號(hào)，即將時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為一系列等間隔的脈沖，脈沖的幅度取決于輸入模擬量。,1.取樣和保持,8.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換器,取樣過程,采樣脈沖,輸入模擬信號(hào),采樣輸出信號(hào),模擬信號(hào)經(jīng)采樣后，得到一系列樣值脈沖。采樣脈沖寬度一般是很短暫的，在下一個(gè)采樣脈沖到來之前，應(yīng)暫時(shí)保持所取得的樣值脈沖幅度，以便進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因此，在取樣電路之后須加保持電路。,8.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換器,在采樣脈沖S(t)到來的時(shí)間內(nèi)，VT導(dǎo)通，UI(t)向電容C充電，假定充電時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于，則有：UO(t)US(t)UI(t)。采樣,采樣結(jié)束，VT截止，而電容C上電壓保持充電電壓UI(t)不變，直到下一個(gè)采樣脈沖到來為止。保持,場(chǎng)效應(yīng)管VT為采樣門，電容C為保持電容，運(yùn)算放大器為跟隨器，起緩沖隔離作用。,取樣保持電路及輸出波形,輸入的模擬電壓經(jīng)過取樣保持后，得到的是階梯波。而該階梯波仍是一個(gè)可以連續(xù)取值的模擬量，但n位數(shù)字量只能表示2n個(gè)數(shù)值。因此，用數(shù)字量來表示連續(xù)變化的模擬量時(shí)就有一個(gè)類似于四舍五入的近似問題。,8.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換器,2.量化和編碼,將采樣后的樣值電平歸化到與之接近的離散電平上，這個(gè)過程稱為量化。指定的離散電平稱為量化電平Uq 。用二進(jìn)制數(shù)碼來表示各個(gè)量化電平的過程稱為編碼。兩個(gè)量化電平之間的差值稱為量化單位，位數(shù)越多，量化等級(jí)越細(xì)，就越小。取樣保持后未量化的Uo值與量化電平Uq值通常是不相等的，其差值稱為量化誤差，即=Uo-Uq。,量化的方法一般有兩種：只舍不入法和有舍有入法。,8.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換器,1)只舍不入法 當(dāng)Uo的尾數(shù)時(shí)，舍尾取整。這種方法總為正值，max 。,2)有舍有入法 當(dāng)Uo的尾數(shù)/2時(shí)，舍尾取整；當(dāng)Uo的尾數(shù)/2時(shí)，舍尾入整。這種方法可正可負(fù)，但是| max|= /2?？梢?，它的誤差要小。, A/D轉(zhuǎn)換器有直接轉(zhuǎn)換法和間接轉(zhuǎn)換法兩大類。 直接法是通過一套基準(zhǔn)電壓與取樣保持電壓進(jìn)行比較，從而直接將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。其特點(diǎn)是工作速度高，轉(zhuǎn)換精度容易保證，調(diào)準(zhǔn)也比較方便。直接A/D轉(zhuǎn)換器有計(jì)數(shù)型、逐次比較型、并行比較型等。 間接法是將取樣后的模擬信號(hào)先轉(zhuǎn)換成中間變量時(shí)間t或頻率f, 然后再將t或f轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。其特點(diǎn)是工作速度較低，但轉(zhuǎn)換精度可以做得較高，且抗干擾性強(qiáng)。間接A/D轉(zhuǎn)換器有單次積分型、雙積分型等。,8.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換器,二、A/D轉(zhuǎn)換器的主要電路形式,8.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換器,1. 并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器,量化電平依據(jù)有舍有入劃分為7個(gè)電平。 量化單位為 =(2/15)UREF 量化誤差為 |max|= (1/15)UREF,8.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換器,并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器真值表,例如：uI4.2V，UREF6V。,3.6V4.4V,則數(shù)字量輸出d2d1d0101。,優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度很快，故又稱高速A/D轉(zhuǎn)換器。含有寄存器的A/D轉(zhuǎn)換器兼有取樣保持功能，所以它可以不用附加取樣保持電路。 缺點(diǎn)：電路復(fù)雜，對(duì)于一個(gè)n位二進(jìn)制輸出的并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器，需n -1個(gè)電壓比較器和2n -1個(gè)觸發(fā)器，編碼電路也隨n的增大變得相當(dāng)復(fù)雜。且轉(zhuǎn)換精度還受分壓網(wǎng)絡(luò)和電壓比較器靈敏度的限制。 因此，這種轉(zhuǎn)換器適用于高速， 精度較低的場(chǎng)合。,8.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換器,并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)：,2. 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器,8.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換器,逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器原理圖,8.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換開始前先將逐次逼近寄存器SAR清“0”； 開始轉(zhuǎn)換以后，第一個(gè)時(shí)鐘脈沖首先將寄存器最高位置成1，使輸出數(shù)字為1000。這個(gè)數(shù)碼被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓uo，經(jīng)偏移/2后得到uOuO/2，并送到比較器中與uI進(jìn)行比較。若uIuo，說明數(shù)字過大，故將最高位的1清除置零；若uIuo，說明數(shù)字還不夠大，應(yīng)將這一位保留。 然后，按同樣的方法將次高位置成1，并且經(jīng)過比較以后確定這個(gè)1是保留還是清除。這樣逐位比較下去，一直到最低位為止。比較完畢后，SAR中的狀態(tài)就是所要求的數(shù)字量輸出。,逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理：,8.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換器,例：若UREF-4V，n4。當(dāng)采樣保持電路輸出電壓uI=2.49V時(shí)，試列表說明逐次逼近型ADC電路的A/D轉(zhuǎn)換過程。,解：量化單位為,偏移電壓為/20.125V,轉(zhuǎn)換的結(jié)果為：d3d2d1d01010。,雙積分型ADC的轉(zhuǎn)換原理是先將模擬電壓UI轉(zhuǎn)換成與其大小成正比的時(shí)間間隔T，再利用基準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖通過計(jì)數(shù)器將T變換成數(shù)字量。,8.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換器,3.雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器,這種A/D轉(zhuǎn)換器具有很多優(yōu)點(diǎn)。首先，其轉(zhuǎn)換結(jié)果與時(shí)間常數(shù)RC無關(guān)，從而消除了由于斜波電壓非線性帶來的誤差，允許積分電容在一個(gè)較寬范圍內(nèi)變化，而不影響轉(zhuǎn)換結(jié)果。其次，由于輸入信號(hào)積分的時(shí)間較長(zhǎng)，且是一個(gè)固定值T1，而T2正比于輸入信號(hào)在T1內(nèi)的平均值，這對(duì)于疊加在輸入信號(hào)上的干擾信號(hào)有很強(qiáng)的抑制能力。最后，這種A/D轉(zhuǎn)換器不必采用高穩(wěn)定度的時(shí)鐘源，它只要求時(shí)鐘源在一個(gè)轉(zhuǎn)換周期（T1+T2）內(nèi)保持穩(wěn)定即可。這種轉(zhuǎn)換器被廣泛應(yīng)用于要求精度較高而轉(zhuǎn)換速度要求不高的儀器中。,分辨率=,1. 分辨率 分辨率指A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入模擬信號(hào)的分辨能力。從理論上講，一個(gè)n位二進(jìn)制數(shù)輸出的A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)能區(qū)分輸入模擬電壓的2n個(gè)不同量級(jí)，能區(qū)分輸入模擬電壓的最小差異為 （滿量程輸入的1/2n）。,8.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換器,三、A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo),例如，A/D轉(zhuǎn)換器的輸出為12位二進(jìn)制數(shù)，最大輸入模擬信號(hào)為10V，則其分辨率為,2. 轉(zhuǎn)換時(shí)間 轉(zhuǎn)換時(shí)間是指A/D轉(zhuǎn)換器從接到轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)開始，到輸出端獲得穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所經(jīng)過的時(shí)間。 A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度主要取決于轉(zhuǎn)換電路的類型，不同類型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度相差很大。 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最慢，需幾百毫秒左右； 逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度較快，需幾十微秒； 并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最快，僅需幾十納秒時(shí)間。,8.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換器,8.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換器,3. 轉(zhuǎn)換誤差 它表示A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上輸出的數(shù)字量之間的差別。常用最低有效位的倍數(shù)表示。,例如，轉(zhuǎn)換誤差 。就表明實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上應(yīng)得到的輸出數(shù)字量之間的誤差小于最低位的半個(gè)字。,例：某信號(hào)采集系統(tǒng)要求用一片A/D轉(zhuǎn)換集成芯片在1s內(nèi)對(duì)16個(gè)熱電偶的輸出電壓分?jǐn)?shù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。已知熱電偶輸出電壓范圍為025mV（對(duì)應(yīng)于0450溫度范圍），需分辨的溫度為0.1，試問應(yīng)選擇幾位的A/D轉(zhuǎn)換器？其轉(zhuǎn)換時(shí)間為多少？,解：,分辨率=,12位ADC的分辨率=,故需選用13位A/D轉(zhuǎn)換器。,轉(zhuǎn)換時(shí)間=,8.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換器,四、8位集成ADC0809,1.ADC0809特性參數(shù),分辨率： 8位 精度： 8位 轉(zhuǎn)換時(shí)間： 100s 增益溫度系數(shù)： 20ppm/ 輸入電平： TTL 功耗： 15mW,ADC0809是采用