數(shù)電第3版8-數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器

1、概述,第 8 章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器,本章小結(jié),A/D 轉(zhuǎn)換器,D/A 轉(zhuǎn)換器,8.1 概述,主要要求：,理解數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的概念和作用。,一、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換的概念和作用,數(shù)模轉(zhuǎn)換即將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬電量(電壓或電流)，使輸出的模擬電量與輸入的數(shù)字量成正比。,實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路稱數(shù)模轉(zhuǎn)換器,Digital - Analog Converter，簡稱 D/A 轉(zhuǎn)換器或 DAC。,模數(shù)轉(zhuǎn)換即將模擬電量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，使輸出的數(shù)字量與輸入的模擬電量成正比。,實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路稱模數(shù)轉(zhuǎn)換器,Analog - Digital Converter，簡稱 A/D 轉(zhuǎn)換器或 ADC。,為何要進行數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換？,

2、二、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例,主要要求：,了解數(shù)模轉(zhuǎn)換的基本原理。,了解常用 D/A 轉(zhuǎn)換器的類型和主要參數(shù)。,了解 R - 2R 倒 T 形電阻網(wǎng)絡(luò) D/A 轉(zhuǎn)換器的 電路與工作原理。,8.2 D/A 轉(zhuǎn)換器,一、數(shù)模轉(zhuǎn)換的基本原理,輸出模擬電壓 uO = D = (Dn-1 2n-1 + Dn-2 2n-2 + + D1 21 + D0 20 ),可見，uO D，uO 的大小反映了數(shù)字量 D 的大小。,LSB Least Significant Bit,輸入數(shù)字量 D = (Dn-1 Dn-2 D1 D0 ) 2 = Dn-1 2n-1 + Dn-2 2n-2 + + D1 21 + D0

3、 20, 是 DAC 能輸出的最小電壓值，稱為 DAC 的單位量化電壓，它等于 D 最低位(LSB)為 1、其余各位均為 0 時的模擬輸出電壓(用 ULSB 表示)。,二、R - 2R 倒 T 形電阻網(wǎng)絡(luò) DAC,模擬開關(guān) Si 打向“1”側(cè)時，相應(yīng) 2R 支路接虛地；打向“0”側(cè)時，相應(yīng) 2R 支路接地。故無論開關(guān)打向哪一側(cè)，倒 T 型電阻網(wǎng)絡(luò)均可等效為下圖：,從 A、B、C 節(jié)點向左看去，各節(jié)點對地的等效電阻均為 2R。,可見，支路電流值 Ii 正好代表了二進制數(shù)位 Di 的權(quán)值 2i 。,即 I3 = 23 I0， I2 = 22 I0， I1 = 21 I0， I0 = 20 I0,i

4、 = D3 I3 + D2 I2 + D1 I1 + D0 I0 = ( D3 23 + D2 22 + D1 21 + D0 20 ) I0 = D I0,n 位 DAC 將參考電壓 VREF 分成 2n 份，uO 是每份的 D 倍。調(diào)節(jié) VREF 可調(diào)節(jié) DAC 的輸出電壓。,三、常用 DAC 的類型和主要參數(shù),(一) 常用 DAC 的類型,常用 DAC 主要有權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò) DAC、 R - 2R T 形電阻網(wǎng)絡(luò) DAC、R - 2R 倒 T 形電阻網(wǎng)絡(luò) DAC 和權(quán)電流網(wǎng)絡(luò) DAC。其中，后兩者轉(zhuǎn)換速度快， 性能好，因而被廣泛采用，權(quán)電流網(wǎng)絡(luò) DAC 轉(zhuǎn)換 精度高，性能最佳。,(二) 主要

5、參數(shù),1. 分辨率,指 D/A 轉(zhuǎn)換器模擬輸出所能產(chǎn)生的最小電壓變化量與滿刻度輸出電壓之比。,例如，一個 10 位的 DAC，分辨率為 0.000 978。,DAC 的位數(shù)越多，分辨率值就越小， 能分辨的最小輸出電壓值也越小。,3. 轉(zhuǎn)換時間,指 DAC 在輸入數(shù)字信號開始轉(zhuǎn)換，到輸出的模擬信號達到穩(wěn)定值所需的時間。,轉(zhuǎn)換時間越小，轉(zhuǎn)換速度就越高。,2. 轉(zhuǎn)換精度,指 DAC 實際輸出模擬電壓與理想輸出模擬電壓間的最大誤差。,它是一個綜合指標，不僅與 DAC 中元件參數(shù)的精度有關(guān)，而且與環(huán)境溫度、求和運算放大器的溫度漂移以及轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有關(guān)。,通常要求 DAC的誤差小于 ULSB / 2。,四

6、、集成 DAC應(yīng)用舉例,四、集成 DAC 應(yīng)用舉例,2. 8 位 CMOS 集成 D/A 轉(zhuǎn)換器 CDA7524 簡介,基準電壓輸入端 VREF 可正可負,片選控制端,電源電壓范圍 + 5 V + 15 V,8 位數(shù)據(jù)輸入端，其電平與 TTL 電平兼容。MSB 表示最高位，LSB 表示最低位。,接地端,內(nèi)部反饋電阻 RF 的引出端,兩個輸出端，一般將 OUT2 接地，OUT1 接運放反向端。,寫信號控制端,解：,當 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 = 時，輸出為滿度值。,uO = - UFSR - 9.961 V。,主要要求：,了解模數(shù)轉(zhuǎn)換的基本原理。,了解 A/D 轉(zhuǎn)換器的主

7、要參數(shù)。,了解常用 A/D 轉(zhuǎn)換器。,8.3 A/D 轉(zhuǎn)換器,一、A /D 轉(zhuǎn)換的基本原理和一般步驟,“ ”表示取整。,可見，輸出數(shù)字量 D 正比于輸入模擬量 uI 。,采樣：把時間連續(xù)變化的信號變換為時間離散的信號。保持：保持采樣信號，使有充分時間轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。量化：把采樣保持電路的輸出信號用單位量化電壓的 整數(shù)倍表示。編碼：把量化的結(jié)果用二進制代碼表示。,A /D 轉(zhuǎn)換的一般步驟,采樣信號是否會丟失原信號的信息呢？,對信號進行量化會引起誤差嗎？,量化誤差大小與 ADC 的位數(shù)、 基準電壓 VREF 和量化方法有關(guān)。,采樣定理：當采樣頻率不小于輸入模擬信號頻譜 中最高頻率的兩倍時，采樣信號

8、可以 不失真地恢復(fù)為原模擬信號。,量化誤差：因模擬電壓不一定能被 ULSB 整除， 量化時舍去余數(shù)而引起的誤差。,劃分量化電平的兩種方法,最大量化誤差 = = (1/8)V,最大量化誤差 = /2 = (1/15)V,二、并聯(lián)比較型 ADC,電阻構(gòu)成分壓器,三、常用 ADC 的類型和主要參數(shù),(一)常用 ADC 的類型,常用 ADC 主要有并聯(lián)比較型、雙積分型和逐次 逼近型。其中，并聯(lián)比較型 ADC 轉(zhuǎn)換速度最快，但 價格貴；雙積分型 ADC 精度高、抗干擾能力強，但 速度慢；逐次逼近型速度較快、精度較高、價格適中， 因而被廣泛采用。,指 ADC 實際輸出數(shù)字量與理想輸出數(shù)字量之間的最大差值。

9、通常用最低有效位 LSB 的倍數(shù)來表示。,(二) 主要參數(shù),2. 相對精度(又稱轉(zhuǎn)換誤差),指 ADC 輸出數(shù)字量的最低位變化一個數(shù)碼時，對應(yīng)輸入模擬量的變化量。,1. 分辨率,例如 最大輸出電壓為 5V 的 8 位 ADC 的分辨率為： 5V / 28 = 19.6 mA,分辨率也可用 ADC 的位數(shù)表示。位數(shù)越多，能分辨的最小模擬電壓值就越小。,例如 轉(zhuǎn)換誤差不大于 1/2 LSB，即說明 實際輸出數(shù)字量與理想輸出數(shù)字量 之間的最大誤差不超過 1/2 LSB。,3. 轉(zhuǎn)換時間,指 ADC 完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時間，即從轉(zhuǎn)換開始到輸出端出現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)字信號所需要的時間。,轉(zhuǎn)換時間越小，轉(zhuǎn)換速度

10、越高。,D/A 轉(zhuǎn)換是將輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為與之成正比 的模擬電量。常用的 DAC 主要有權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò) DAC、R - 2R T 形電阻網(wǎng)絡(luò) DAC、R - 2R 倒 T 形電阻網(wǎng)絡(luò) DAC 和權(quán)電流網(wǎng)絡(luò) DAC。其中， 后兩者轉(zhuǎn)換速度快，性能好，因而被廣泛采用， 權(quán)電流網(wǎng)絡(luò) DAC 轉(zhuǎn)換精度高，性能最佳。,本 章 小 結(jié),A/D 轉(zhuǎn)換是將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換為與之成正比的數(shù)字量。常用 ADC 主要有并聯(lián)比較型、雙積分型和逐次逼近型。其中，并聯(lián)比較型 ADC 屬于直接轉(zhuǎn)換型，其轉(zhuǎn)換速度最快，但價格貴；雙積分型 ADC 屬于間接轉(zhuǎn)換型，其速度慢，但精度高、抗干擾能力強；逐次逼近型也屬于直接轉(zhuǎn)換型，其速度較快、精度較高、價格適中，因而被廣泛采用。,A/D 轉(zhuǎn)換要經(jīng)過采樣 - 保持和量化與編碼兩步實現(xiàn)。采樣 - 保持電路對輸入模擬信號抽取樣值，并展寬(保持)；量化是對樣值脈沖進行分級，編碼是將分級后的信號轉(zhuǎn)換成二進制代碼。在對模擬信號采樣時，必須滿足采樣定理：采樣脈沖的頻率 fS 必須大于輸入模擬信號最高頻率分量的 2 倍。這樣才能