模數(shù)變換--莊友誼

1、1數(shù)字電子電路數(shù)字電子電路授課人：莊友誼授課人：莊友誼2第十章第十章 數(shù)模與模數(shù)變換器數(shù)模與模數(shù)變換器10.1 D/A 轉換器轉換器10.2 A/D 轉換器轉換器3 數(shù)數(shù)/模與模模與模/數(shù)轉換器是計算機與外部設備的重要數(shù)轉換器是計算機與外部設備的重要接口接口,也是數(shù)字測量和數(shù)字控制系統(tǒng)的重要部件。也是數(shù)字測量和數(shù)字控制系統(tǒng)的重要部件。 能將數(shù)字量轉換為模擬量的裝置稱為數(shù)能將數(shù)字量轉換為模擬量的裝置稱為數(shù)/模轉模轉換器換器( 簡稱簡稱D/A轉換器轉換器 ); 能將模擬量轉換為數(shù)字量能將模擬量轉換為數(shù)字量的裝置稱為模的裝置稱為模/數(shù)轉換器數(shù)轉換器( 簡稱簡稱A/D轉換器轉換器 )。概述概述4 由于

2、構成數(shù)字代碼的每一位都有一定的由于構成數(shù)字代碼的每一位都有一定的“權權重重”，因此為了將數(shù)字量轉換成模擬量，就必須將，因此為了將數(shù)字量轉換成模擬量，就必須將每一位代碼按其每一位代碼按其“權重權重”轉換成相應的模擬量，然轉換成相應的模擬量，然后再將代表各位的模擬量相加，即可得到與該數(shù)字后再將代表各位的模擬量相加，即可得到與該數(shù)字量成正比的模擬量，這就是構成量成正比的模擬量，這就是構成D/A變換器的基本變換器的基本思想。思想。10.1 D/A轉換器：轉換器：510.1.2 權電阻、權電流權電阻、權電流D/A轉換器：轉換器： 這種變換器由這種變換器由“電子模擬開關電子模擬開關”、“權電阻求權電阻求和

3、網絡和網絡”、“運算放大器運算放大器”和和“基準電源基準電源”等部分等部分組成。組成。 UR+-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RFD3D2D1D000115 kR = 80 k00111 1、權電阻、權電阻D/AD/A轉換器：轉換器： 電子模擬開關電子模擬開關( ( S S0 0-S-S3 3) )由電子器件構成，其動由電子器件構成，其動作受二進制數(shù)作受二進制數(shù)D D0 0-D-D3 3 控制。當控制。當 D DK K 1 1 時，則相應時，則相應的開關的開關S SK K 接到位置接到位置1 1上，將基準電源上，將基準電源U UR R經電阻經電阻R Rk k引引起的

4、電流接到運算放大器的虛地點（如圖中起的電流接到運算放大器的虛地點（如圖中S S0 0、S S1 1）；當）；當D Dk k0 0 時，開關時，開關S Sk k 接到位置接到位置0 0 ，將相應電，將相應電流直接接地而不進運放（如圖中流直接接地而不進運放（如圖中S S2 2、S S3 3）。）。 UR+-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RFD3D2D1D000115 kR = 80 k0011T1T2SDa電子模擬開關的電子模擬開關的簡化原理電路簡化原理電路 當當 D = 1 時，時，T T2 2 管飽管飽和導通，和導通，T T1 1 管截止，則管截止，則 S 與與 a

5、 點通點通 ； 當當 D = 0 時，時，T T1 1 管管飽和導通，飽和導通，T T2 2 管截止，管截止，則則 S 被接地被接地 。 前者相當于開關前者相當于開關S 接到接到 “ 1 ” 端端 ，后者，后者則則 相當于開關相當于開關S 接到接到“ 0 ”端端 。根據反相比例運算公式可得：根據反相比例運算公式可得： 顯然，輸出模擬電壓的大小直接與輸入顯然，輸出模擬電壓的大小直接與輸入 二進制數(shù)二進制數(shù)的大小成正比，從而實現(xiàn)了數(shù)字量的大小成正比，從而實現(xiàn)了數(shù)字量 到模擬量的轉換到模擬量的轉換 。 UR+-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RFD3D2D1D000115

6、kR = 80 k0011)2222(332211003210DDDDRUIIIIiR)2222(332211000DDDDRRUiRUFRF92 2、權電流、權電流D/AD/A轉換器：轉換器： -UR+-AuoS2S3S1S0RFD3D2D1D0I16I8I4I2i)2222(16332211003210DDDDIIIIIi)2222(16332211000DDDDIRiRUFF10.1.1 T形和倒形和倒T解碼網絡解碼網絡D/A轉換器：轉換器： 由于解碼網絡的電路結構和參數(shù)匹配，使得上圖由于解碼網絡的電路結構和參數(shù)匹配，使得上圖中中D、C、B、A四點的電位逐位減半四點的電位逐位減半. 和權

7、電阻網絡相比，和權電阻網絡相比，T T形解碼網絡中電阻的類型少，形解碼網絡中電阻的類型少，只有只有R、2R兩種，電路構成比較方便。兩種，電路構成比較方便。AB+-AuoS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0RFD3D2D1D00011 UR2RRRRI3I2I1I0ICD1 1、 T T形網絡形網絡D/AD/A轉換器：轉換器：UD = URUC = UR/ 2UB = UR/4UA = UR/8即：即： 因此，每個因此，每個 2R支路支路中的電流也逐位減半。中的電流也逐位減半。AB+-AuoS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0RFD3D2D1D00011 UR2RRRRI

8、3I2I1I0ICDI = I3 + I2 + I1 + I0UR2R=D3UR16RD0UR8RD1UR4RD2+=UR16R( 8D3 + 4D2 + 2D1 + 1D0 )=URRF16R( 8D3 + 4D2 + 2D1 + 1D0 )uo -AB+-AuoS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0RFD3D2D1D00011 UR2RRRRI3I2I1I0ICD132 2、 倒倒T T形網絡形網絡D/AD/A轉換器：轉換器：UR+-AuoS2S3S1S0RFD3D2D1D0I16I8I4I2iI2I4I16I8RRR2R2R2R2R2R=URRF16R( 8D3 + 4D2 +

9、 2D1 + 1D0 )uo -1410.2.3 D/A轉換器的輸出方式：轉換器的輸出方式： 大部分的常用大部分的常用D/A轉換器是數(shù)字電流轉換器，轉換器是數(shù)字電流轉換器，輸出量是電流，需要變?yōu)殡妷?。輸出量是電流，需要變?yōu)殡妷?。輸出電壓有單極性（正、負極性），也有雙極性。輸出電壓有單極性（正、負極性），也有雙極性。1510.2.4 D/A轉換器的主要技術指標轉換器的主要技術指標指最小輸出電壓和最大輸出電壓之比。指最小輸出電壓和最大輸出電壓之比。有時也用輸入數(shù)字量的有效位數(shù)來表示分辨率。有時也用輸入數(shù)字量的有效位數(shù)來表示分辨率。1、分辨率分辨率 2、轉換誤差：轉換誤差：包括比例系數(shù)誤差、失調誤差

10、和非線性誤差。包括比例系數(shù)誤差、失調誤差和非線性誤差。二、二、轉換速度：轉換速度：一、一、轉換精度：轉換精度：三、三、溫度系數(shù)：溫度系數(shù)：121 nn位的位的D/A轉換器的分辨率為轉換器的分辨率為 1610.1.5 集成電路集成電路D/A轉換器及其應用轉換器及其應用 D/A變換器集成電路有多種型號。下面僅以變換器集成電路有多種型號。下面僅以DAC0832為例來介紹集成電路為例來介紹集成電路D/A變換器。變換器。 它是八位的它是八位的D/A變換器變換器,即在對其輸入八位即在對其輸入八位數(shù)字量后，通過外接的運算放大器，可以獲得數(shù)字量后，通過外接的運算放大器，可以獲得相應的模擬電壓值。相應的模擬電壓

11、值。DAC 0832 簡化電路框圖簡化電路框圖八位八位寄存器寄存器(1)輸入輸入八位八位寄存器寄存器(2)輸入輸入八位八位變換器變換器URRfbIout1Iout2AGNDVCCuoDGND&ILECSWR1WR2XFERA/DD7D0.11下圖是它的內部下圖是它的內部簡化電路框圖簡化電路框圖 和和管腳圖管腳圖：DAC 0832 管腳圖管腳圖CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCURRf bDGNDILEXFERIout2Iout11234567891019181716151413121120CS：片選端：片選端WR1、WR2：寫入端：寫入端D7-D0：數(shù)據輸入

12、端：數(shù)據輸入端XFER：轉移控制端：轉移控制端ILE：所存使能端：所存使能端Iout2Iout1：電流輸出端：電流輸出端UR：參考電壓端：參考電壓端Rf b：內部反饋電：內部反饋電 阻輸出端阻輸出端19功功 能能數(shù)據數(shù)據D D7 7-D-D0 0輸入輸入到寄存器到寄存器1 1數(shù)據由寄存器數(shù)據由寄存器1 1轉送寄存器轉送寄存器2 2從輸出端取從輸出端取模擬量模擬量控控 制制 條條 件件CSILEWR1WR2XFER說說 明明01WR1= 0時存入數(shù)據時存入數(shù)據WR1= 1時鎖定時鎖定WR2= 0時存入數(shù)據時存入數(shù)據WR2= 1時鎖定時鎖定0無控制信號，無控制信號，隨時可取隨時可取DAC0832

13、功功 能能 表表20例例1. 單步輸入操作單步輸入操作 - 適用于單個適用于單個DAC工作工作ILEWR2WR1CSXFERRfbD0D7Iout2Iout1-+.1(a)D7 D0CSWR1數(shù)據數(shù)據存入存入數(shù)據數(shù)據 鎖定鎖定( b)21 A/D轉換器的任務是將模擬量轉換成數(shù)字轉換器的任務是將模擬量轉換成數(shù)字量量,它是模擬信號和數(shù)字儀器的接口。它是模擬信號和數(shù)字儀器的接口。10.2 A/D 轉換器轉換器 A/D轉換器類型比較多，按其工作原理，可分轉換器類型比較多，按其工作原理，可分為為直接直接A/D轉換器轉換器和和間接間接A/D轉換器轉換器。直接直接A/D轉換器轉換器有：逐次逼近型、并聯(lián)比較型

14、；有：逐次逼近型、并聯(lián)比較型；間接間接A/D轉換器轉換器有雙積分型、電壓頻率轉換型等有雙積分型、電壓頻率轉換型等22 10.2.1 A/D轉換的一般工作過程轉換的一般工作過程1、取樣與保持：、取樣與保持：2、量化和編碼：、量化和編碼： 取樣定理：取樣定理：輸入的模擬信號的最高頻率分量為輸入的模擬信號的最高頻率分量為fmax，取樣信號頻率為取樣信號頻率為fs，如果，如果fs2fmax，則可以無失真地復現(xiàn)，則可以無失真地復現(xiàn)輸入信號。輸入信號。 數(shù)字信號的大小是某個規(guī)定最小數(shù)量單位的整數(shù)倍，數(shù)字信號的大小是某個規(guī)定最小數(shù)量單位的整數(shù)倍，取樣得到的信號必須按某種近似地規(guī)化為某一數(shù)值電平，取樣得到的信

15、號必須按某種近似地規(guī)化為某一數(shù)值電平，這個過程稱這個過程稱量化量化，而量化的結果必須經過編碼用一個代，而量化的結果必須經過編碼用一個代碼表示出來。碼表示出來。由量化引起的誤差稱由量化引起的誤差稱量化誤差量化誤差。23 10.2.2 并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型 電路由三部分電路由三部分組成組成: 分壓器分壓器、比比較器較器和和編碼器編碼器。 這種這種A/D 變換變換器的優(yōu)點是轉換器的優(yōu)點是轉換速度快，缺點速度快，缺點 是是所需比較器數(shù)目所需比較器數(shù)目多，位數(shù)越多矛多，位數(shù)越多矛盾越突出。盾越突出。uxERRRRRRRRD2D1D0數(shù)字輸出數(shù)字輸出AGFECDB先先碼碼器器7E/86E/85E/84E/

16、83E/82E/8E/8編編優(yōu)優(yōu)CP24比較器輸入比較器輸入E ux 7E / 87E / 8 ux 6E / 86E / 8 ux 5E / 85E / 8 ux 4E / 84E / 8 ux 3E / 83E / 8 ux 2E / 82E / 8 ux 1E / 81E / 8 ux 0A B C D E F G D2D0D1編碼器輸出編碼器輸出輸入電壓輸入電壓ux1 1 1 1 1 1 11111 1 1 1 1 1 0000111110 0 0 0 0 0 00000000 0 0 0 0 0000 0 00000 0 000 01111111111111111111000邏輯狀態(tài)

17、關系表邏輯狀態(tài)關系表25 10. 2. 3 逐次逼近型逐次逼近型 其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四個砝其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四個砝碼共重碼共重15克，每個重量分別為克，每個重量分別為8、4、2、1克。設待克。設待秤重量秤重量Wx = 13克，可以用下表步驟來秤量：克，可以用下表步驟來秤量：砝碼重砝碼重第一次第一次第二次第二次第三次第三次第四次第四次加加4克克加加2克克加加1克克8 克克 砝碼總重砝碼總重 待測重量待測重量Wx ，故保留，故保留砝碼總重仍砝碼總重仍 待測重量待測重量Wx ，故撤除，故撤除砝碼總重砝碼總重 待測重量待測重量Wx ，故保留，故保留暫時結果暫時結果8 克

18、克12 克克12 克克13 克克 結結 論論26vi計數(shù)器計數(shù)器D/A轉換器轉換器&CPdn-1dn-2d1d0控制信號控制信號vL并并行行數(shù)數(shù)字字輸輸出出27 10. 2. 4 雙積分型雙積分型 工作原理：工作原理：對輸入的模擬電壓和參考電壓進行對輸入的模擬電壓和參考電壓進行兩次積分，先將輸入電壓的平均值變換為與之成正兩次積分，先將輸入電壓的平均值變換為與之成正比的時間間隔，再利用時鐘脈沖和計數(shù)器測出此時比的時間間隔，再利用時鐘脈沖和計數(shù)器測出此時間間隔，從間間隔，從 而得到與其相應的數(shù)字量。而得到與其相應的數(shù)字量。包括：包括：積分器、過零比較器、計數(shù)器和定時器、積分器、過零比較器、

19、計數(shù)器和定時器、 時鐘脈沖控制器時鐘脈沖控制器+vi n位二進制計數(shù)器位二進制計數(shù)器開關控開關控制電路制電路&-VRS1S2CPQn-1Qn-2Q1Q0積分器積分器過零比較器過零比較器vo1vo2vGNt1t2t1t22nvo1vo2vGviRCVRRC0)(1)()(1)(12111211011211RCttVRCtvdtVRCtvtvRCtvdtvRCtvRittRooitionRRiRiRiNVtttVvttVtvRCttVRCtv2)()()(11212112129 10.2.5 A/D轉換器的主要技術指標轉換器的主要技術指標 用輸出數(shù)字量的有效位數(shù)來表示分辨率。用輸出數(shù)字量的

20、有效位數(shù)來表示分辨率。1、分辨率分辨率 2、轉換誤差：轉換誤差：以輸出誤差的最大值的形式給出。以輸出誤差的最大值的形式給出。二、二、轉換速度：轉換速度：一、一、轉換精度：轉換精度：并聯(lián)比較型：并聯(lián)比較型：50ns逐次逼近型逐次逼近型:10-50us雙積分型雙積分型:幾十幾十-幾百幾百ms30 10.3.6 集成電路集成電路A/D轉換器轉換器 及其應用及其應用 ADC0804 的的 分辨率為八位分辨率為八位,工作原理為逐次工作原理為逐次逼近型。逼近型。 A/D變換組件有多種型號可供選擇，如：高速變換組件有多種型號可供選擇，如：高速的，高分辨率的，高速且高精度的等等。使用者的，高分辨率的，高速且高精度的等等。使用者可根據任務要求進行選擇。下面以可根據任務要求進行選擇。下面以 ADC0804 為例為例 ，介紹集成電路介紹集成電路A/D變換器。變換器。+-+-11控控制制邏邏輯輯時時 鐘鐘CP電阻網絡電阻網絡及電子開關及電子開關數(shù)據寄存器數(shù)