第十章 數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換

1、1第十章第十章A/DA/D和和D/AD/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換2本章基本內(nèi)容本章基本內(nèi)容 數(shù)模數(shù)模 (D/A)轉(zhuǎn)換的基本原理及典型電路轉(zhuǎn)換的基本原理及典型電路 模數(shù)模數(shù) (A/D)轉(zhuǎn)換的基本原理及典型電路轉(zhuǎn)換的基本原理及典型電路 數(shù)模數(shù)模(D/A)和模數(shù)和模數(shù)(A/D)的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度概念換速度概念310. 1 概概 述述傳感器放大器A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換微型計(jì)算機(jī)微型計(jì)算機(jī)控制對(duì)象D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換電加熱爐熱電偶執(zhí)行機(jī)構(gòu) D/AD/A轉(zhuǎn)換器的功能是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成與之成正比的轉(zhuǎn)換器的功能是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成與之成正比的模擬量。模擬量。 A/D A/D轉(zhuǎn)換器的功能是將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)轉(zhuǎn)換器的功能

2、是將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量輸出。字量輸出。4D/A轉(zhuǎn)換器和轉(zhuǎn)換器和A/DA/D轉(zhuǎn)換器的分類：轉(zhuǎn)換器的分類：DACDACDACDACTDACAD權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)開關(guān)樹型權(quán)電流型形電阻網(wǎng)絡(luò)倒權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)/變換型變換型間接型反饋比較型并聯(lián)比較型直接型FVTVDA/D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器本章本章主主要介紹權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)要介紹權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DACDAC和倒和倒T T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)DACDAC的的D/AD/A轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。 本章本章主要介紹并聯(lián)比較型、主要介紹并聯(lián)比較型、反饋比較型以及間接型的反饋比較型以及間接型的A/DA/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。510. 2 D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 D

3、/A轉(zhuǎn)換器的功能是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成與之成正比的轉(zhuǎn)換器的功能是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成與之成正比的模擬量。模擬量。 D/A轉(zhuǎn)換器的輸入是一個(gè)轉(zhuǎn)換器的輸入是一個(gè)n位二進(jìn)制數(shù)位二進(jìn)制數(shù)D。 D/A轉(zhuǎn)換器的輸轉(zhuǎn)換器的輸 出是一個(gè)與輸入出是一個(gè)與輸入D成正比的模擬量成正比的模擬量（電壓或電流）（電壓或電流）A。即。即A=KD。001122112222ddddDnnnn D111101D/AA(電壓 或 電流)6 D/A轉(zhuǎn)換器通常是由譯碼網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)、求和運(yùn)轉(zhuǎn)換器通常是由譯碼網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)、求和運(yùn)算放大器和基準(zhǔn)電壓源等部分組成。算放大器和基準(zhǔn)電壓源等部分組成。)2222(00112211ddddKAnnnn 10.

4、2.1 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)模擬開關(guān)求和放大器基準(zhǔn)電壓源7權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)模擬開關(guān)求和放大器控制受數(shù)字0303ddSS 點(diǎn)點(diǎn)流向流向時(shí)，時(shí)，時(shí)，時(shí)，iiiiIdId100RVIRVIRVIRVIRVIii0REF31REF22REF13REF0REF2222 權(quán)電流：權(quán)電流：8)2222)(2/( )2222( )( 001122334REF03REF12REF21REF30REFF0123FFOddddVdRVdRVdRVdRVRIIIIRRiv 輸出模擬電壓量：輸出模擬電壓量：2/RRF 實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換 當(dāng)輸入數(shù)字信號(hào)當(dāng)輸入數(shù)字信號(hào)D D（d3d2d1

5、d0）取值為）取值為00001111時(shí)，輸出模時(shí)，輸出模擬電壓為擬電壓為權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)模擬開關(guān)求和放大器轉(zhuǎn)換比例系數(shù)轉(zhuǎn)換比例系數(shù) 44REF2)12(0V910.2.2 10.2.2 倒倒T T形電阻網(wǎng)絡(luò)型形電阻網(wǎng)絡(luò)型D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器希望用較少類型的電阻，仍然能得到一系列權(quán)電流模擬開關(guān)模擬開關(guān)基準(zhǔn)電壓源求和電路1000112233dIdIdIdIi )2222)(2/(001122334REFOddddVRiv 40312213REFREF2/ 2/ 2/ 2/ /IIIIIIIIRVIV 流過(guò)開關(guān)的電流分別為流過(guò)開關(guān)的電流分別為產(chǎn)生的電流為產(chǎn)生的電流為11例例一個(gè)四位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)一個(gè)四位權(quán)

6、電阻網(wǎng)絡(luò)D/AD/A轉(zhuǎn)換器電路如圖所示。轉(zhuǎn)換器電路如圖所示。設(shè)基準(zhǔn)電壓設(shè)基準(zhǔn)電壓V VREFREF=10V=10V，電阻，電阻R=10kR=10k，試求，試求I I3 3、I I2 2、I I1 1、I I0 0，當(dāng)輸入數(shù)字量為，當(dāng)輸入數(shù)字量為10101010時(shí)，輸出電壓為多少？時(shí)，輸出電壓為多少？解解mAkVRVImAkVRVImAkVRVImAkVRVIREFREFREFREF125. 08010825. 0401045 . 020102110103333VRIIRivF625. 55)125. 01 (2)(30012例例一個(gè)倒一個(gè)倒T T型電阻網(wǎng)絡(luò)型電阻網(wǎng)絡(luò)D/AD/A轉(zhuǎn)換器電路如圖所

7、示。轉(zhuǎn)換器電路如圖所示。設(shè)基準(zhǔn)電壓設(shè)基準(zhǔn)電壓V VREFREF=10V=10V，電阻，電阻R=10kR=10k，試求，試求I I3 3、I I2 2、I I1 1、I I0 0，當(dāng)輸入數(shù)字量為，當(dāng)輸入數(shù)字量為10101010時(shí)，輸出電壓為多少？時(shí)，輸出電壓為多少？解解mAkVRVIREF110/10/mAIImAIImAIImAII0625. 02/125. 02/25. 02/5 . 02/40312213VRivo625. 510)0625. 05 . 0(1310.2.3 D/A 10.2.3 D/A 轉(zhuǎn)換器的主要指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的主要指標(biāo)1.分辨率分辨率2.轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度 D/AD/A轉(zhuǎn)換

8、器的主要技術(shù)指標(biāo)有分辨率、轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)有分辨率、轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度。轉(zhuǎn)換速度。 輸入最低位為輸入最低位為1 1時(shí)的輸出電壓與輸入數(shù)字量全為時(shí)的輸出電壓與輸入數(shù)字量全為1 1時(shí)的的輸出電壓之比。時(shí)的的輸出電壓之比。分辨率分辨率=1/(2=1/(2n n-1)-1) 轉(zhuǎn)換精度是用轉(zhuǎn)換誤差來(lái)描述。它是指全量程轉(zhuǎn)換精度是用轉(zhuǎn)換誤差來(lái)描述。它是指全量程內(nèi)，內(nèi)，D/AD/A轉(zhuǎn)換電路實(shí)際輸出與理論值之間的最大誤轉(zhuǎn)換電路實(shí)際輸出與理論值之間的最大誤差。差。143.轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度 轉(zhuǎn)換速度是用轉(zhuǎn)換時(shí)間來(lái)表示，轉(zhuǎn)換時(shí)間是指數(shù)轉(zhuǎn)換速度是用轉(zhuǎn)換時(shí)間來(lái)表示，轉(zhuǎn)換時(shí)間是指數(shù)字量由全字量由全0 0變?yōu)槿?/p>

9、變?yōu)槿? 1或由全或由全1 1變?yōu)槿優(yōu)槿? 0時(shí)，輸出電壓達(dá)時(shí)，輸出電壓達(dá)到終值到終值1/2LSB1/2LSB時(shí)所需時(shí)間時(shí)所需時(shí)間。15D111101A/DA(電壓或電流)10. 3 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 A/D A/D轉(zhuǎn)換器的功能是將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)轉(zhuǎn)換器的功能是將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量輸出。字量輸出。10.3.1 A/D 轉(zhuǎn)換的一般步驟轉(zhuǎn)換的一般步驟采樣與保持采樣與保持采樣：采樣：將隨時(shí)間變化的模擬量轉(zhuǎn)換成與時(shí)間離散的模擬量。將隨時(shí)間變化的模擬量轉(zhuǎn)換成與時(shí)間離散的模擬量。保持：保持：為了給后續(xù)的量化編碼過(guò)程提供一個(gè)穩(wěn)定值，每次為了給后續(xù)的量化編碼過(guò)程提供一個(gè)穩(wěn)定值，每次

10、采樣值需保持一段時(shí)間。采樣值需保持一段時(shí)間。16 為了用采樣信號(hào)為了用采樣信號(hào)vS有有效地表示輸入信號(hào)效地表示輸入信號(hào)vI ，必須有足夠的采樣頻率必須有足夠的采樣頻率fS。根據(jù)采樣定理一般。根據(jù)采樣定理一般取：?。?將時(shí)間上連續(xù)的模擬量將時(shí)間上連續(xù)的模擬量 vi 變成時(shí)間上離散的模變成時(shí)間上離散的模擬量（如圖所示）。擬量（如圖所示）。max2ffS 采樣信號(hào)的頻率越高，所獲得的離散模擬采樣信號(hào)的頻率越高，所獲得的離散模擬量越接近連續(xù)的模擬量。量越接近連續(xù)的模擬量。1710.3.2 采樣保持電路采樣保持電路采樣控制信號(hào)采樣控制信號(hào)輸入信號(hào)輸入信號(hào)輸出信號(hào)輸出信號(hào)當(dāng)當(dāng)vL=1 T導(dǎo)通導(dǎo)通 采樣采樣

11、當(dāng)當(dāng)vL=0 T截止截止 保持保持 將時(shí)間上連續(xù)的模擬量將時(shí)間上連續(xù)的模擬量 v vi i 變成時(shí)間上離散的模擬量。變成時(shí)間上離散的模擬量。18量化與編碼量化與編碼 數(shù)字信號(hào)不僅在時(shí)間上是離散的，而且在數(shù)值上的變化數(shù)字信號(hào)不僅在時(shí)間上是離散的，而且在數(shù)值上的變化也是不連續(xù)的。也是不連續(xù)的。模擬電壓模擬電壓二進(jìn)制代碼二進(jìn)制代碼 代表的模擬代表的模擬電平電平=1/8V1 1 11 1 01 0 11 0 00 1 10 1 00 0 10 0 07=7/8V6=6/8V5=5/8V4=4/8V3=3/8V2=2/8V1=1/8V0=0V1V7/8V6/8V5/8V1/8V4/8V3/8V2/8V0

12、V1910.3.3 并行比較型并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器3 3位并行比較型位并行比較型A/D A/D 轉(zhuǎn)換器如圖所示。轉(zhuǎn)換器如圖所示。比較器比較器觸發(fā)器觸發(fā)器 優(yōu)先編碼器，優(yōu)先編碼器，I7的級(jí)別最高，的級(jí)別最高，I0的的 級(jí)別最低級(jí)別最低輸入模擬信號(hào)輸入模擬信號(hào)基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓時(shí)鐘脈沖時(shí)鐘脈沖數(shù)字量輸出數(shù)字量輸出 分壓電阻，分壓電阻，以獲得不同以獲得不同的基準(zhǔn)電壓的基準(zhǔn)電壓20工作原理：工作原理： 例如，當(dāng)0viVREF /15時(shí)，比較器C7C1的輸出都為 0；當(dāng)3VREF /15vi5VREF /15時(shí)，比較器C6C7的輸出為1，其余各比較器均為0。 當(dāng)時(shí)鐘脈沖來(lái)的時(shí)，將比較器的輸出鎖存在

13、D觸發(fā)器中。D觸發(fā)器的輸出即加到優(yōu)先編碼器的輸入端。 經(jīng)優(yōu)先編碼器即可獲得對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制輸出。對(duì)應(yīng)的輸入模擬量和輸出關(guān)系如下表所示。213 3位并行位并行A/DA/D轉(zhuǎn)換器輸入和輸出關(guān)系表轉(zhuǎn)換器輸入和輸出關(guān)系表225V4.3V3.7V2.3V1.7V1V0.33V 3V 例例若如圖所示若如圖所示3 3 位并行位并行A/D A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 ，已知基準(zhǔn)電壓，已知基準(zhǔn)電壓VREF=5V，試求當(dāng)輸入模擬量，試求當(dāng)輸入模擬量vi=2.5V 時(shí)，輸出數(shù)字量為多時(shí)，輸出數(shù)字量為多少？少？0100101112.5V1輸出的數(shù)字量為：輸出的數(shù)字量為： 10110123并行比較型并行比較型A/D的特點(diǎn)的特點(diǎn)1

14、.1.由于轉(zhuǎn)換是并行的，其轉(zhuǎn)換時(shí)間只受比較器、由于轉(zhuǎn)換是并行的，其轉(zhuǎn)換時(shí)間只受比較器、觸發(fā)器、和編碼電路的延時(shí)時(shí)間限制，因此，轉(zhuǎn)觸發(fā)器、和編碼電路的延時(shí)時(shí)間限制，因此，轉(zhuǎn)換速度最快。換速度最快。2.2.隨著分辨率的提高，元件數(shù)目要按幾何級(jí)數(shù)增隨著分辨率的提高，元件數(shù)目要按幾何級(jí)數(shù)增加。由于位數(shù)越多，電路越復(fù)雜。加。由于位數(shù)越多，電路越復(fù)雜。3.3.為了解決上述矛盾?？梢圆捎梅旨?jí)并行轉(zhuǎn)換的為了解決上述矛盾?？梢圆捎梅旨?jí)并行轉(zhuǎn)換的方法。方法。2410.3.4 逐次逼近型逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 它是一種直接型它是一種直接型A/D轉(zhuǎn)換器。其轉(zhuǎn)換過(guò)程類似于用天平稱轉(zhuǎn)換器。其轉(zhuǎn)換過(guò)程類似于用天平稱物

15、的過(guò)程。物的過(guò)程。直到最低位為止”再將次高位置“”則去掉“則保留若”，其余全為“高位先置“1. 21,1,01. 1OIOIVVVV25三位逐次逼近型三位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器原理圖轉(zhuǎn)換器原理圖2610.3.5 雙積分型雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器控制門控制門過(guò)零比較器過(guò)零比較器積分器積分器時(shí)鐘脈沖時(shí)鐘脈沖定時(shí)器定時(shí)器清零信號(hào)清零信號(hào)N 級(jí)異步計(jì)數(shù)器級(jí)異步計(jì)數(shù)器27可將如上電路簡(jiǎn)化為如下形式：可將如上電路簡(jiǎn)化為如下形式：28 先將輸入的模擬電壓先將輸入的模擬電壓v vI I轉(zhuǎn)換成與之成正比的時(shí)間量轉(zhuǎn)換成與之成正比的時(shí)間量T T，然，然后在后在T T內(nèi)對(duì)固定頻率的時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)的結(jié)果就是一個(gè)內(nèi)

16、對(duì)固定頻率的時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)的結(jié)果就是一個(gè)正比于正比于v vI I的數(shù)字量。的數(shù)字量。IO101IIO1II1I11011 . 1vvCRTRCTvdtvRCvTvvSvTTtCST 為為固固定定數(shù)數(shù)值值，因因此此和和、為為時(shí)時(shí)間間后后得得到到的的輸輸出出電電壓壓經(jīng)經(jīng)進(jìn)進(jìn)行行積積分分積積分分器器對(duì)對(duì)一一側(cè)側(cè)，合合向向不不變變，期期間間定定時(shí)時(shí)積積分分完完全全放放電電，計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器清清零零閉閉合合轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換開開始始前前29IREF122REF1I2REF1I0REF1IO2COREF0REF2REF00)1(10. 22vVTTRCTVRCTvRCTVRCTvdtVRCRCTvvTVvVSVSV

17、T 這這個(gè)個(gè)過(guò)過(guò)程程需需要要的的時(shí)時(shí)間間，停停止止積積分分和和計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)時(shí)時(shí)，當(dāng)當(dāng)鐘鐘脈脈沖沖計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器對(duì)對(duì)固固定定頻頻率率的的時(shí)時(shí)進(jìn)進(jìn)行行反反向向積積分分，積積分分器器對(duì)對(duì)保保持持?jǐn)鄶嚅_開，閉閉合合向向的的積積分分對(duì)對(duì)固固定定參參考考電電壓壓IREFCLK12CLKCLK22CLKCLK/vVTTTfDTTTfDf 則則計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器輸輸出出為為設(shè)設(shè)時(shí)時(shí)鐘鐘脈脈沖沖的的固固定定頻頻率率30第一階段第一階段 定時(shí)積分定時(shí)積分第二階段第二階段 比較階段比較階段1011TiioRCTvdtvRCv210)1(1TTREFiodtVRCRCTvv021RCTVRCTvREFiiREFvVTT)

18、(12iCLKREFCLKvTVTTfD12計(jì)數(shù)器的輸出為：計(jì)數(shù)器的輸出為：3110.3.6 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)1.轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度 分辨率分辨率 輸出數(shù)字量變化一個(gè)最低位所對(duì)應(yīng)的輸入輸出數(shù)字量變化一個(gè)最低位所對(duì)應(yīng)的輸入模擬量所需變化的量。模擬量所需變化的量。 ADCADC的位數(shù)越多，量化的階梯越小，分辨率也越高。的位數(shù)越多，量化的階梯越小，分辨率也越高。 分辨率常以二進(jìn)制碼的位數(shù)表示。如輸入模擬電壓滿量程分辨率常以二進(jìn)制碼的位數(shù)表示。如輸入模擬電壓滿量程位位5V5V。8 8位位ADCADC可分辨的最小模擬電壓是：可分辨的最小模擬電壓是：mVV53.19258而十位而十位ADCADC可分辨最小模擬電壓為：可分辨最小模擬電壓為：mVV88. 42510可見可見ADC位數(shù)越多，分辨率越高。位數(shù)越多，分辨率越高。322.轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度 指從指從ADCADC接到轉(zhuǎn)換控制信號(hào)起，到輸出穩(wěn)定的數(shù)字量為止接到轉(zhuǎn)換控制信號(hào)起，到輸出穩(wěn)定的數(shù)字量為止所用的時(shí)間多少。用得時(shí)間越少，轉(zhuǎn)換速度越快。高速可達(dá)