模／數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)／模轉(zhuǎn)換器

1、第十四章 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 和數(shù)模轉(zhuǎn)換器第一節(jié)第一節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器第二節(jié)第二節(jié) D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器小結(jié)小結(jié)習題十四習題十四返返 回回 總總 目目 錄錄*第一節(jié)AD轉(zhuǎn)換器 AD轉(zhuǎn)換(模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換)和DA轉(zhuǎn)換(數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換)是現(xiàn)代數(shù)字化設(shè)備中不可缺少的部分，它是數(shù)字電路和模擬電路的中間接口電路。典型的數(shù)字控制系統(tǒng)框圖典型的數(shù)字控制系統(tǒng)框圖一、一、AD轉(zhuǎn)換的基本原理轉(zhuǎn)換的基本原理AD轉(zhuǎn)換器：轉(zhuǎn)換器：是一種將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的轉(zhuǎn)換器，簡稱是一種將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的轉(zhuǎn)換器，簡稱ADC。要將連續(xù)變化的模擬量變?yōu)殡x散的數(shù)字量，通常要經(jīng)過要將連續(xù)變化的模擬量變?yōu)殡x散的數(shù)字量，通常要經(jīng)過四個步驟

2、：四個步驟： 采樣、保持、量化和編碼。采樣、保持、量化和編碼。 前兩步由取樣保持電路完成，量化和編碼由前兩步由取樣保持電路完成，量化和編碼由AD轉(zhuǎn)換電路來完成。轉(zhuǎn)換電路來完成。1采樣與保持采樣與保持（1）采樣：）采樣：就是將模擬信號按一定時間間隔抽取樣值的過程。就是將模擬信號按一定時間間隔抽取樣值的過程。 其過程的實質(zhì)：將連續(xù)變化的模擬信號變成一連串等距不等幅的其過程的實質(zhì)：將連續(xù)變化的模擬信號變成一連串等距不等幅的脈沖。脈沖。 模擬信號的取樣過程模擬信號的取樣過程 （2）保持：）保持：信號的取樣過程往往是非常短暫的，為了使后續(xù)電路能信號的取樣過程往往是非常短暫的，為了使后續(xù)電路能很好的對取樣

3、結(jié)果進行處理，通常要將結(jié)果存儲起來，直到下次取很好的對取樣結(jié)果進行處理，通常要將結(jié)果存儲起來，直到下次取樣，這個過程稱作保持。樣，這個過程稱作保持。取樣取樣-保持電路圖保持電路圖取樣取樣-保持電路波形圖保持電路波形圖2量化和編碼量化和編碼量化量化：用數(shù)字量表示模擬量時，需要先將取樣電平歸一化為與之接近：用數(shù)字量表示模擬量時，需要先將取樣電平歸一化為與之接近的基準值，這個過程稱為量化。的基準值，這個過程稱為量化。編碼編碼：把量化的數(shù)值用二進制數(shù)碼來表示稱作編碼。：把量化的數(shù)值用二進制數(shù)碼來表示稱作編碼。 把變化范圍在把變化范圍在07V間的模擬電壓轉(zhuǎn)換為間的模擬電壓轉(zhuǎn)換為3位二進制代碼的數(shù)字信號位

4、二進制代碼的數(shù)字信號量化與編碼方法示意圖量化與編碼方法示意圖1）概念）概念：取樣后得到的樣值：取樣后得到的樣值不可能剛好是某個量化基準值，不可能剛好是某個量化基準值，總會有一定的誤差?？倳幸欢ǖ恼`差。2）相關(guān)量：）相關(guān)量：量化級越細，量量化級越細，量化誤差就越小，但是，所用的化誤差就越小，但是，所用的二進制代碼的位數(shù)就越多，電二進制代碼的位數(shù)就越多，電路也將越復(fù)雜。路也將越復(fù)雜。 量化誤差量化誤差。二、并行比較型二、并行比較型A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路1電路組成電路組成3位并行比較型位并行比較型A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路 由電阻分壓器、電壓比較器及編碼由電阻分壓器、電壓比較器及編碼電路組成。電路組成

5、。電阻分壓器用以確定量化電壓，電電阻分壓器用以確定量化電壓，電壓比較器壓比較器(C1C7)用來確定取樣電用來確定取樣電壓的量化，編碼器對比較器的輸出壓的量化，編碼器對比較器的輸出進行編碼，然后輸出二進制代碼進行編碼，然后輸出二進制代碼Q2Q1Q0。 電路組成及各部分作用電路組成及各部分作用：2工作原理工作原理參考電壓參考電壓UREF經(jīng)過電阻分壓器分壓，形成七個比較電平：（經(jīng)過電阻分壓器分壓，形成七個比較電平：（78）UREF、（、（68）UREF、（、（18）UREF。它們分別接到電壓比較器。它們分別接到電壓比較器C7C1的反相輸入的反相輸入端。端。當輸入電壓當輸入電壓ui大于比較器的某一比較

6、電平時，該比較器輸出高電平大于比較器的某一比較電平時，該比較器輸出高電平1，反之則輸，反之則輸出低電平出低電平0。當輸入的模擬電壓當輸入的模擬電壓ui在在0UREF之間變化時，并行之間變化時，并行A/D轉(zhuǎn)換電路將按不同轉(zhuǎn)換電路將按不同的值轉(zhuǎn)換出對應(yīng)的的值轉(zhuǎn)換出對應(yīng)的3位二進制代碼，從而實現(xiàn)了位二進制代碼，從而實現(xiàn)了AD間信號的轉(zhuǎn)換。間信號的轉(zhuǎn)換。 三、逐位比較型三、逐位比較型A/D轉(zhuǎn)換電路簡介轉(zhuǎn)換電路簡介1轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理逐位比較型逐位比較型A/D電路的轉(zhuǎn)換原理與天平稱物的原理十分相似。電路的轉(zhuǎn)換原理與天平稱物的原理十分相似。 用已知砝碼重量逐次與未知物重進行比較，使天平上累加砝用已知砝碼重量

7、逐次與未知物重進行比較，使天平上累加砝碼的總重量逐次逼近被稱物重的方法也稱為逐次逼近法。碼的總重量逐次逼近被稱物重的方法也稱為逐次逼近法。逐次逼近法逐次逼近法2電路框圖與工作原理電路框圖與工作原理逐位比較型逐位比較型A/D轉(zhuǎn)換電路框圖轉(zhuǎn)換電路框圖 由控制電路、數(shù)碼寄存器、由控制電路、數(shù)碼寄存器、DA轉(zhuǎn)換器及電壓比較器轉(zhuǎn)換器及電壓比較器C等等四部分電路組成。四部分電路組成。（1）電路組成）電路組成3位位A/D轉(zhuǎn)換為例轉(zhuǎn)換為例（2）工作過程）工作過程 首先，控制電路使數(shù)碼寄存器的輸出為首先，控制電路使數(shù)碼寄存器的輸出為100，經(jīng)，經(jīng)DA轉(zhuǎn)換器變?yōu)橄鄳?yīng)轉(zhuǎn)換器變?yōu)橄鄳?yīng)的電壓的電壓uf，送入比較器，送入

8、比較器C與取樣電壓與取樣電壓ui比較。若比較。若uiuf，則將最高位的，則將最高位的1保留；反之就清除，使最高位為保留；反之就清除，使最高位為0。接著控制器將次高位置接著控制器將次高位置1，再經(jīng)，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器變?yōu)橄鄳?yīng)電壓轉(zhuǎn)換器變?yōu)橄鄳?yīng)電壓uf，送到比較，送到比較器器C與取樣電壓與取樣電壓ui再比較，同樣方法來決定該位為再比較，同樣方法來決定該位為1還是為還是為0。最后比。最后比較到最低位為止。這樣，數(shù)碼寄存器中保存的數(shù)碼就是較到最低位為止。這樣，數(shù)碼寄存器中保存的數(shù)碼就是A/D轉(zhuǎn)換后的轉(zhuǎn)換后的數(shù)碼了。數(shù)碼了。返返 回回*第二節(jié)DA轉(zhuǎn)換器vDA轉(zhuǎn)換器：轉(zhuǎn)換器：是一種將離散的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為連續(xù)變

9、化的模是一種將離散的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為連續(xù)變化的模擬量的電路擬量的電路,簡稱簡稱DAC（Digital to Analog Converter）。）。v數(shù)字量數(shù)字量:是用按數(shù)位組合起來的二進制代碼表示的，每位代是用按數(shù)位組合起來的二進制代碼表示的，每位代碼都有一定的權(quán)。為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，必須將每一碼都有一定的權(quán)。為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，必須將每一位的代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將代表每位的代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將代表每位的模擬量相加，所得的總模擬量就與數(shù)字量成正比。位的模擬量相加，所得的總模擬量就與數(shù)字量成正比。 vD/A轉(zhuǎn)換器的基本組成：轉(zhuǎn)換器的基本組成：電

10、阻譯碼網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)、基準電電阻譯碼網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)、基準電源和求和運算放大器。源和求和運算放大器。 一、一、D/A轉(zhuǎn)換的基本原理轉(zhuǎn)換的基本原理1.D/A轉(zhuǎn)換的示意圖轉(zhuǎn)換的示意圖 將輸入的二進制數(shù)字量轉(zhuǎn)換成將輸入的二進制數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓，經(jīng)運算放大相應(yīng)的模擬電壓，經(jīng)運算放大器器C的緩沖，輸出模擬電壓的緩沖，輸出模擬電壓uo。2.D/A轉(zhuǎn)換器作用：轉(zhuǎn)換器作用：二、權(quán)電阻二、權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器4位二進制權(quán)電阻位二進制權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換電路原理圖轉(zhuǎn)換電路原理圖 1.權(quán)電阻為譯碼網(wǎng)絡(luò)，權(quán)電阻為譯碼網(wǎng)絡(luò)，S0S3為為模擬開關(guān)，模擬開關(guān)，C為運算放大器，為運算放大器，UREF為基準電源。為基準

11、電源。2.電阻網(wǎng)絡(luò)的各電阻的值呈二進電阻網(wǎng)絡(luò)的各電阻的值呈二進制權(quán)的關(guān)系，并與輸入二進制數(shù)制權(quán)的關(guān)系，并與輸入二進制數(shù)字量對應(yīng)的位權(quán)成比例關(guān)系。字量對應(yīng)的位權(quán)成比例關(guān)系。 3.D3、D2、D1和和D0分別控制模擬電子開關(guān)分別控制模擬電子開關(guān)S3、S2、S1和和S0的工作狀態(tài)。的工作狀態(tài)。當當Di為為“1”時，開關(guān)時，開關(guān)Si接通參考電壓接通參考電壓UREF，反之當，反之當Di為為“0”時，開關(guān)時，開關(guān)Si接接地。地。 電路說明：電路說明：若運算放大器的反饋電阻若運算放大器的反饋電阻 則：則：對于對于n位的權(quán)電阻位的權(quán)電阻DA轉(zhuǎn)換器，其輸出電壓為轉(zhuǎn)換器，其輸出電壓為優(yōu)點：電路結(jié)構(gòu)簡單，適用于各種

12、權(quán)碼；優(yōu)點：電路結(jié)構(gòu)簡單，適用于各種權(quán)碼；主要缺點：構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)電阻的阻值范圍較寬，品種較多。主要缺點：構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)電阻的阻值范圍較寬，品種較多。在集成電路中很少采用這種在集成電路中很少采用這種D/A轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。 4.權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DA轉(zhuǎn)換器的優(yōu)缺點：轉(zhuǎn)換器的優(yōu)缺點：三、倒三、倒T型型D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器4位位R2R倒倒T型型D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 當當Di為為“1”時，開關(guān)時，開關(guān)Si接通右邊，相應(yīng)的支路電流流入運算放接通右邊，相應(yīng)的支路電流流入運算放大器；大器；當當Di為為“0”時，開關(guān)時，開關(guān)Si接通左邊，相應(yīng)的支路電流流入地。接通左邊，相應(yīng)的支路電流流入地。1.電路組成電路組成由倒由倒T型

13、電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)和運算放大器組成型電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)和運算放大器組成倒倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)由型電阻網(wǎng)絡(luò)由R、2R兩種阻值的電阻構(gòu)成。兩種阻值的電阻構(gòu)成。因為虛短，分別從因為虛短，分別從A、B、C、D向右看的二端網(wǎng)絡(luò)等效電阻都是向右看的二端網(wǎng)絡(luò)等效電阻都是2R其中：其中：假設(shè)所有開關(guān)都接右邊假設(shè)所有開關(guān)都接右邊 用用Di1表示開關(guān)接通右邊表示開關(guān)接通右邊 推廣到推廣到n位位 若若RfR，因為，因為if=i，所以運算放大器的輸出為，所以運算放大器的輸出為 模擬開關(guān)不論處于何位置，流過各支路模擬開關(guān)不論處于何位置，流過各支路2R的電流總是接近于恒定值。的電流總是接近于恒定值。由于該由于該D/A轉(zhuǎn)換器只采

14、用轉(zhuǎn)換器只采用R和和2R兩種電阻，故在集成芯片中應(yīng)用非常廣兩種電阻，故在集成芯片中應(yīng)用非常廣泛，是目前泛，是目前D/A轉(zhuǎn)換器中速度最快的一種。轉(zhuǎn)換器中速度最快的一種。2.倒倒T型型D/A轉(zhuǎn)換器的特點是：轉(zhuǎn)換器的特點是：小結(jié)vA/D轉(zhuǎn)換器和轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器是計算機參與自動控制系統(tǒng)的重要轉(zhuǎn)換器是計算機參與自動控制系統(tǒng)的重要部件。掌握其基本原理，可為今后應(yīng)用打下一個良好的基礎(chǔ)。部件。掌握其基本原理，可為今后應(yīng)用打下一個良好的基礎(chǔ)。vA/D轉(zhuǎn)換按工作原理主要分為并行比較型轉(zhuǎn)換按工作原理主要分為并行比較型A/D、逐位比較型、逐位比較型A/D等。等。v不同的轉(zhuǎn)換方式具有各自的特點，在要求速度高的情況下

15、，不同的轉(zhuǎn)換方式具有各自的特點，在要求速度高的情況下，可采用并行比較型可采用并行比較型A/D；在要求精度較高的情況下，可采用；在要求精度較高的情況下，可采用逐位比較型逐位比較型A/D。vD/A轉(zhuǎn)換器按工作原理可分為權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器按工作原理可分為權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A和倒和倒T型電阻網(wǎng)型電阻網(wǎng)絡(luò)絡(luò)D/A。由于倒。由于倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換電路只要求兩種阻值的電型電阻網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換電路只要求兩種阻值的電阻，因此在集成阻，因此在集成D/A轉(zhuǎn)換器中得到廣泛的應(yīng)用。轉(zhuǎn)換器中得到廣泛的應(yīng)用。返返 回回習題十四v14-1試說明在試說明在A/D轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生量化誤差的原因及減小量化誤差的方轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生量化誤差的原因及減小量化誤差的方法。法。v14-2試述逐位比較型試述逐位比較型A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理。轉(zhuǎn)換器的工作原理。v14-3若一理想的三位若一理想的三位A/D滿刻度模擬輸入為滿刻度模擬輸入為10V，當輸入為，當輸入為