重慶科創(chuàng)學(xué)院教案DA與AD轉(zhuǎn)換

1、第第11章章 D/A與與A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) Digital Electronics TechnologyDigital Electronics Technology11.1 概述概述1. 模模-數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換n定義：定義：模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換稱為模模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換稱為模-數(shù)轉(zhuǎn)換，或數(shù)轉(zhuǎn)換，或稱為稱為A/D（Analog to Digital）。）。n把實(shí)現(xiàn)把實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的電路稱為轉(zhuǎn)換的電路稱為A/D轉(zhuǎn)換器（轉(zhuǎn)換器（Analog Digital Converter ADC）。）。2. 數(shù)數(shù)-模轉(zhuǎn)換模轉(zhuǎn)換n定義：定義：模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換稱為模模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)

2、的轉(zhuǎn)換稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)轉(zhuǎn)換，或稱為或稱為A/D（Analog to Digital）n把實(shí)現(xiàn)把實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的電路稱為轉(zhuǎn)換的電路稱為D/A轉(zhuǎn)換器（轉(zhuǎn)換器（ Digital Analog Converter DAC）。）。Digital Electronics Technology典型數(shù)字控制系統(tǒng)框圖11.1 概述概述Digital Electronics TechnologyDAC網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)DAC權(quán)電阻權(quán)電阻倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)DACADC直接直接ADC間接間接ADC權(quán)電流型權(quán)電流型DAC權(quán)電容型權(quán)電容型DAC開關(guān)樹型開關(guān)樹型DAC輸入輸入/輸輸出方式出方式并行并行串行串行11.1 概述

3、概述3. 分類分類Digital Electronics Technology11.2 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器1. 權(quán)電阻型權(quán)電阻型D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 模擬開關(guān)，受Di控制。 Di =1時(shí)，模擬開關(guān)左撥； Di =0時(shí)，模擬開關(guān)右撥。權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)求和放大器MSBLSBDigital Electronics Technology運(yùn)算放大器總的輸入電流為運(yùn)算放大器總的輸入電流為 101101102222niiinREFniiinREFniiDRUDRUII運(yùn)算放大器的輸出電壓為運(yùn)算放大器的輸出電壓為 101022niiinREFFFDRURIRu若若RF=1/2R，代入上式后則得，代入上式后則得 DUD

4、UDRURunREFniiinREFniiinREFF2222210101011.2 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 輸出電壓正比于輸入的數(shù)字量輸出電壓正比于輸入的數(shù)字量D=Dn-1Dn-2 D1=D0，從而實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。從而實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。Digital Electronics Technology當(dāng)當(dāng)D=Dn-1D0=0時(shí)時(shí), uo =0 fnnomoUUuRe212 因而因而uo 的變化范圍是：的變化范圍是： RnnU2120 當(dāng)當(dāng)D=Dn-1D0=111時(shí)，時(shí)， 最大輸出電壓最大輸出電壓： 電路簡(jiǎn)單，器件少。但精度由電阻的精度定，此電電路簡(jiǎn)單，器件少。但精度由電阻的精

5、度定，此電路中阻值差別大，對(duì)集成不利。路中阻值差別大，對(duì)集成不利。特點(diǎn)：特點(diǎn)： 11.2 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器自學(xué)內(nèi)容：自學(xué)內(nèi)容： 雙級(jí)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)雙級(jí)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器Digital Electronics TechnologyDi=1，Si將電阻接到運(yùn)放反向輸入端將電阻接到運(yùn)放反向輸入端Di=0，Si將電阻接到運(yùn)放同向輸入端將電阻接到運(yùn)放同向輸入端都是虛地，各支路都是虛地，各支路電流不會(huì)變化電流不會(huì)變化11.2 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2. 倒倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 I 流入流入2R支路支路的電流是依的電流是依2的倍速遞減。的倍速遞減。Digital Electroni

6、cs Technology 1000112211011211122)2222(22222niiinnnnnnnnnnDIDDDDIIDIDIDIDI流入運(yùn)算放大器的電流為：流入運(yùn)算放大器的電流為： 11.2 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器運(yùn)算放大器的輸出電壓為：運(yùn)算放大器的輸出電壓為： 1022niiinFFDIRRIUDigital Electronics Technology 若若RF=R，并將，并將I=UR/R代入上式，代入上式， 則有則有 DUDUUnRniiinR22210可見，輸出模擬電壓正比于數(shù)字量的輸入?？梢?，輸出模擬電壓正比于數(shù)字量的輸入。 11.2 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器3.八位集成八位集

7、成DAC0832（1）引腳排列圖）引腳排列圖 Digital Electronics Technology11.2 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器（2）內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖）內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 Digital Electronics Technology11.2 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器（3） DAC0832的三種工作方式（的三種工作方式（1） Digital Electronics Technology11.2 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器（3） DAC0832的三種工作方式（的三種工作方式（2） Digital Electronics Technology11.2 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器（3） DAC0832的三種工作方式（的三種工作方式

8、（3） Digital Electronics Technology 由于模擬量時(shí)間和（或）數(shù)值上是連續(xù)的，而數(shù)字量在由于模擬量時(shí)間和（或）數(shù)值上是連續(xù)的，而數(shù)字量在時(shí)間和數(shù)值上都是離散的，所以轉(zhuǎn)換時(shí)要在時(shí)間上對(duì)模擬時(shí)間和數(shù)值上都是離散的，所以轉(zhuǎn)換時(shí)要在時(shí)間上對(duì)模擬信號(hào)離散化（采樣），還要在數(shù)值上離散化（量化），一信號(hào)離散化（采樣），還要在數(shù)值上離散化（量化），一般步驟為：般步驟為：采樣采樣保持保持量化量化編碼編碼11.3 A / D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器1. A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理轉(zhuǎn)換器的基本原理 Digital Electronics Technology（1） 采樣定理采樣定理 模擬信號(hào)采樣信號(hào)

9、取樣頻率取樣頻率fS必須大于等于輸入模擬信號(hào)包含的最高頻率必須大于等于輸入模擬信號(hào)包含的最高頻率fmax的兩倍，即：的兩倍，即： max2 ffs11.3 A / D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器Digital Electronics Technology（2） 量化和編碼量化和編碼量化：量化： 將采樣電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字量最小數(shù)量單位的整數(shù)倍的過程。將采樣電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字量最小數(shù)量單位的整數(shù)倍的過程。用用 表示表示編碼：編碼： 將量化結(jié)果用代碼表示出來。將量化結(jié)果用代碼表示出來。量化誤差：量化誤差： 由于模擬量不一定能被由于模擬量不一定能被 整除。整除。11.3 A / D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器Digital Electron

10、ics Technology例如：例如：要將要將0 1V的模擬電壓轉(zhuǎn)換為三位二進(jìn)制代碼。的模擬電壓轉(zhuǎn)換為三位二進(jìn)制代碼。方法方法1：取取 1/8 V，0 1/8 V 的電壓以的電壓以0 表示，則：表示，則：模擬電壓模擬電壓二進(jìn)制編碼二進(jìn)制編碼 代表的模擬電壓電平代表的模擬電壓電平可見量化誤差最大達(dá)可見量化誤差最大達(dá) =1/8 V。11.3 A / D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器Digital Electronics Technology方法方法2：取取 2/15 V，0 1/15 V 的電壓以的電壓以0 表示，則表示，則模擬電壓模擬電壓二進(jìn)制編碼二進(jìn)制編碼代表的模擬電壓電平代表的模擬電壓電平可見量化誤差最大達(dá)

11、可見量化誤差最大達(dá) /2=1/15 V。11.3 A / D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器Digital Electronics TechnologyMOS管，做模擬開關(guān)采樣控制信號(hào)保持電容采樣輸出波形（3）采樣保持電路）采樣保持電路11.3 A / D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器Digital Electronics Technology（1） 并聯(lián)比較并聯(lián)比較型型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 11.3 A / D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器1. 直接直接A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器Digital Electronics Technology 寄存器：寄存器：由七個(gè)由七個(gè)D觸發(fā)器構(gòu)成。在時(shí)鐘脈沖觸發(fā)器構(gòu)成。在時(shí)鐘脈沖CP的作用的作用下，將比較結(jié)果暫時(shí)寄存，以供

12、編碼用。下，將比較結(jié)果暫時(shí)寄存，以供編碼用。 01234560135132QQQQQQQDQQQDQD 編碼器：編碼器：由六個(gè)與非門構(gòu)成。將比較器送來的七位二由六個(gè)與非門構(gòu)成。將比較器送來的七位二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成三位二進(jìn)制代碼進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成三位二進(jìn)制代碼D2、D1、D0。編碼網(wǎng)絡(luò)的邏。編碼網(wǎng)絡(luò)的邏輯關(guān)系為輯關(guān)系為：11.3 A / D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器Digital Electronics Technology并聯(lián)型并聯(lián)型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換關(guān)系轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換關(guān)系 11.3 A / D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器Digital Electronics Technology 例如：例如：假設(shè)模擬輸入假設(shè)模擬輸入U(xiǎn)IN=3.8V

13、，UR=8V。當(dāng)模擬輸入。當(dāng)模擬輸入U(xiǎn)IN=3.8V加到各級(jí)比較器時(shí)，由于加到各級(jí)比較器時(shí)，由于 VUVURR5 . 41695 . 3167 因此，比較器的輸出因此，比較器的輸出C6C0為為0001111。在時(shí)鐘脈沖。在時(shí)鐘脈沖作用下，比較器的輸出存入寄存器，經(jīng)編碼網(wǎng)絡(luò)輸出作用下，比較器的輸出存入寄存器，經(jīng)編碼網(wǎng)絡(luò)輸出A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果：轉(zhuǎn)換結(jié)果：D2D1D0=100。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度很快。轉(zhuǎn)換速度很快。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：電路復(fù)雜，轉(zhuǎn)換精度較低。電路復(fù)雜，轉(zhuǎn)換精度較低。11.3 A / D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器Digital Electronics Technology（2）反饋比較型）反饋比較型A/D轉(zhuǎn)

14、換器轉(zhuǎn)換器 11.3 A / D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器Digital Electronics Technology（3）逐次漸進(jìn)型）逐次漸進(jìn)型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 11.3 A / D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器Digital Electronics Technology（1）雙積分型）雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 11.3 A / D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2. 間接間接A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器Digital Electronics Technology積分器：積分器：輸入端接開關(guān)輸入端接開關(guān)S，S受觸發(fā)器受觸發(fā)器Fn的控制。的控制。 當(dāng)當(dāng)Qn=0 時(shí)，時(shí)，S接輸入電壓接輸入電壓+Ui，積分器對(duì)輸入信號(hào)電壓，積分器對(duì)輸入信號(hào)電壓+Ui（正

15、極性）積分（正向積分）。（正極性）積分（正向積分）。 當(dāng)當(dāng)Qn=1 時(shí)，時(shí)，S接基準(zhǔn)電壓接基準(zhǔn)電壓-UR（負(fù)極性），積分器對(duì)基（負(fù)極性），積分器對(duì)基準(zhǔn)電壓準(zhǔn)電壓-UR積分（負(fù)向積分）。積分（負(fù)向積分）。 積分器輸出積分器輸出Uo接零值比較器。接零值比較器。 11.3 A / D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 零值比較器：零值比較器：其輸出其輸出UC作為控制門作為控制門G的門控信號(hào)。的門控信號(hào)。 當(dāng)積分器輸出當(dāng)積分器輸出Uo0時(shí)，比較器輸出時(shí)，比較器輸出UC=1； 當(dāng)積分器輸出當(dāng)積分器輸出Uo0時(shí)，比較器輸出時(shí)，比較器輸出UC=0。Digital Electronics Technology 當(dāng)零值比較器輸出當(dāng)零

16、值比較器輸出UC=1 時(shí)，時(shí)，G門開，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖門開，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖通過通過G門加到計(jì)數(shù)器；門加到計(jì)數(shù)器；時(shí)鐘控制門時(shí)鐘控制門G： 當(dāng)零值比較器輸出當(dāng)零值比較器輸出UC=0時(shí)，時(shí)，G門關(guān)，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖門關(guān)，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖不能通過不能通過G門加到計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。門加到計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。11.3 A / D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器計(jì)數(shù)器：計(jì)數(shù)器：由由n+1個(gè)觸發(fā)器構(gòu)成，個(gè)觸發(fā)器構(gòu)成，F(xiàn)n-1F1F0構(gòu)成構(gòu)成n位二進(jìn)位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，制計(jì)數(shù)器，F(xiàn)n實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)現(xiàn)對(duì)S的控制。的控制。Digital Electronics Technology11.3 A / D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器電壓波形電壓波形Digital E

17、lectronics Technology取樣階段：取樣階段：dtUtUtio)(1)(0其中其中=RC為積分時(shí)間常數(shù)。為積分時(shí)間常數(shù)。 當(dāng)當(dāng)+Ui為正極性不變常量時(shí)，為正極性不變常量時(shí)，Uo（T1）值為：）值為： iCPnioUTUTTU2)(1111.3 A / D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器比較階段：比較階段：開關(guān)轉(zhuǎn)至開關(guān)轉(zhuǎn)至-UR后，積分器對(duì)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行負(fù)向后，積分器對(duì)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行負(fù)向積分，積分器輸出為：積分，積分器輸出為： )(2)(1)()(111TtUUTdtUTUtURiCPntTRooDigital Electronics Technology 當(dāng)當(dāng)Uo0 時(shí)，零值比較器輸出時(shí)，零值比較器輸出UC=0，G門關(guān)，計(jì)數(shù)器停門關(guān)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，完成一個(gè)轉(zhuǎn)換周期。假設(shè)此時(shí)計(jì)數(shù)器已記錄了止計(jì)數(shù)，完成一個(gè)轉(zhuǎn)換周期。假設(shè)此時(shí)計(jì)數(shù)器已記錄了個(gè)個(gè)脈沖，脈沖， 則：則： RinUU211.3 A / D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器VUTUTTUUTTtUUTTTURCPiCPnRiCPnRiCPn02)(2)(2)(2121CPTTtT12Digital Electronics Technology（2）八位集成）八位集成ADC0809 11.3 A /