第九章數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

1、9.1 概述 模數(shù)轉(zhuǎn)換（模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/DA/D）模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換 A/DA/D轉(zhuǎn)換器或轉(zhuǎn)換器或ADCADC（Analog to Digital ConverterAnalog to Digital Converter）實現(xiàn)實現(xiàn)A/DA/D轉(zhuǎn)換的電路。轉(zhuǎn)換的電路。 數(shù)模轉(zhuǎn)換（數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/AD/A）數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)換數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)換 D/AD/A轉(zhuǎn)換器或轉(zhuǎn)換器或DACDAC（Digital to Analog ConverterDigital to Analog Converter） 能實現(xiàn)能實現(xiàn)D/AD/A轉(zhuǎn)換的電路。轉(zhuǎn)換的電路。數(shù)字控制系統(tǒng)原理框

2、圖數(shù)字控制系統(tǒng)原理框圖非電模擬量非電模擬量電模擬量電模擬量模數(shù)轉(zhuǎn)換模數(shù)轉(zhuǎn)換計算機或計算機或數(shù)字系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)傳感器傳感器開關(guān)控制開關(guān)控制數(shù)模轉(zhuǎn)換數(shù)模轉(zhuǎn)換模擬控制模擬控制溫度溫度壓力壓力流量流量速度速度 電流電流電壓電壓 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)原理框圖數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)原理框圖電模擬量電模擬量模數(shù)轉(zhuǎn)換模數(shù)轉(zhuǎn)換存儲、傳存儲、傳輸、處理輸、處理聲音或圖像聲音或圖像聲音或圖像聲音或圖像 傳感器傳感器數(shù)模轉(zhuǎn)換數(shù)模轉(zhuǎn)換9.29.2 數(shù)模（數(shù)模（D/AD/A）轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 一、一、 D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu) 數(shù)字輸入數(shù)字輸入數(shù)碼鎖存器數(shù)碼鎖存器電子開關(guān)電子開關(guān)電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò)求和電路求和電路模擬輸出模擬輸出 VOD0D1D

3、n-1VREF數(shù)碼鎖存器數(shù)碼鎖存器完成輸入數(shù)字的鎖存并為轉(zhuǎn)換保留一定時間完成輸入數(shù)字的鎖存并為轉(zhuǎn)換保留一定時間電子開關(guān)電子開關(guān)完成基準電壓完成基準電壓VREF和地之間的倒換和地之間的倒換電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò)根據(jù)輸入數(shù)字產(chǎn)生不同的電流或電壓根據(jù)輸入數(shù)字產(chǎn)生不同的電流或電壓求和電路求和電路產(chǎn)生模擬輸出電壓產(chǎn)生模擬輸出電壓1. 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 （1）電路結(jié)構(gòu)）電路結(jié)構(gòu)（2）工作原理）工作原理當輸入數(shù)字當輸入數(shù)字D0=1時時 )2(22200REF01REF00REF0DRVDRVDRVInn)2(22211REF12REF11REF1DRVDRVDRVInn當輸入數(shù)字當輸入數(shù)字D

4、1=1時時 當輸入數(shù)字當輸入數(shù)字Di=1時時 )2(22REFREFiiniiiDRVDRVII0S0S1Sn-1數(shù)碼鎖存器數(shù)碼鎖存器D0D1Dn-1數(shù)字輸入數(shù)字輸入VREFR0=2n-1RR1=2n-2RRn-1=20R模擬輸出模擬輸出 VORfAIIn-1I10111100111100110)2(22)2.22(22)2(22.)2(22)2(22.niiinREFnnnREFnnnREFnREFnREFnDRVDDDRVDRVDRVDRVIIII10REFf)2(22niiinfODVRRRIV設(shè)設(shè)n=4，Rf = R/2，VREF=-5V，則，則:)2222(25)2(252/2001

5、1223341404DDDDDRRViiiO401234min012325)21202020(250001OOVVDDDD時當) 12(25)21212121 (2511114401234max0123OOVVDDDD時當 VOVOt01211212/ ) 12(52/54444maxminnOOVV分辨率25511218n8 時：分辨率當1023112110n10時：分辨率當因此：時，因為：,1)2(min10OOOniiiVVVD10)2(/niiiOODVVAD轉(zhuǎn)換器輸出的通式為：【例例】已知某已知某8位位D/A轉(zhuǎn)換器的輸入為轉(zhuǎn)換器的輸入為11010001時時，輸出，輸出VO=2.09V

6、，求輸入為求輸入為00111100時的輸出電壓時的輸出電壓值。值。VDVVniiiOO01. 0)11010001(09. 2)2(/2101解：)(6 . 06001. 0)2(102VDVVniiiOO權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的特點：轉(zhuǎn)換器的特點：（1 1）電路結(jié)構(gòu)比較簡單；電路結(jié)構(gòu)比較簡單；（2 2）電阻網(wǎng)絡(luò)中各個電阻的阻值相差太大；）電阻網(wǎng)絡(luò)中各個電阻的阻值相差太大；（3 3）容易產(chǎn)生輸出尖峰現(xiàn)象。）容易產(chǎn)生輸出尖峰現(xiàn)象。2. 倒倒T 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 （1）電路結(jié)構(gòu)（）電路結(jié)構(gòu)（AD7520、CB7520）I 模擬輸出模擬輸出 VORfA2R I/16

7、2R I/82R I/4 2R I/22RRRRVREFII/2I/4I/8I/16S0S1S2S3D0D1D2D3（2）工作原理）工作原理)2222(2168420011223340123DDDDIDIDIDIDII)( ; )2(2)2222(2304001122334RVIDRRVDDDDRIRIVREFiiiFREFFFO)2(2)/10niiinREFOFDVVRRADn轉(zhuǎn)換（取位對于倒倒T T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的特點：轉(zhuǎn)換器的特點：（1 1）電路結(jié)構(gòu)比較簡單；電路結(jié)構(gòu)比較簡單；（2 2）電阻網(wǎng)絡(luò)中的種類少（僅）電阻網(wǎng)絡(luò)中的種類少（僅R R和和2R2R兩種）。兩種）。二

8、、二、 電子開關(guān)電子開關(guān) 1. CMOS電壓開關(guān)電壓開關(guān)2. CMOS電流開關(guān)（電流開關(guān)（CB7520）1RiIiDi-VREFVDDVSS2RRRIout1Iout2VDDVSSDi三、三、 集成集成D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器DAC0832 8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器位數(shù)模轉(zhuǎn)換器1. DAC0832的內(nèi)部結(jié)的內(nèi)部結(jié)1）8位輸入寄存器位輸入寄存器第一級數(shù)據(jù)鎖存器第一級數(shù)據(jù)鎖存器2）8位位DAC寄存器寄存器第二級數(shù)據(jù)鎖存器第二級數(shù)據(jù)鎖存器3）8位位D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器完成數(shù)模轉(zhuǎn)換完成數(shù)模轉(zhuǎn)換8位位輸入輸入寄存器寄存器8位位DAC寄存器寄存器8位位D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器DI7DI7 DI0DI0ILEILECSCSWR1W

9、R1WR2WR2XFERXFERV VREFREFI IOUT2OUT2I IOUT1OUT1RBFRBFAGNDAGNDVCCVCCDGNDDGNDIE1IE1IE2IE2&CS片選信號，用于芯片尋址；片選信號，用于芯片尋址；ILE允許鎖存信號；允許鎖存信號；WR1寫信號寫信號1；當；當LE1（內(nèi)部輸入鎖存信號內(nèi)部輸入鎖存信號1）=CSWR1 ILE=1時，將數(shù)據(jù)鎖存于輸入鎖存器；時，將數(shù)據(jù)鎖存于輸入鎖存器；WR2寫信號寫信號2；XFER通道控制信號，當通道控制信號，當LE2（內(nèi)部輸入鎖存信號內(nèi)部輸入鎖存信號2）=WR2 XFER=1時，時，8位位DAC寄存器可作為數(shù)據(jù)通道；寄存器可

10、作為數(shù)據(jù)通道；2. 信號線信號線DI7DI08位數(shù)據(jù)輸入位數(shù)據(jù)輸入IOUT1模擬電流輸出模擬電流輸出1，當，當DI7DI0為為FFH時，時， IOUT1最大，最大，當當DI7DI0為為0時，時， IOUT1=0（最小）最?。㊣OUT2模擬電流輸出模擬電流輸出2， IOUT2=常數(shù)常數(shù)- IOUT1RFB反饋電阻引出端；反饋電阻引出端；VREF參考電壓輸入，范圍：參考電壓輸入，范圍：+10V-10V；VCC芯片電壓，范圍：芯片電壓，范圍：+5V+15V，最佳最佳15V；AGND模擬地；模擬地；DGND數(shù)字地；數(shù)字地；3. 使用說明使用說明（1）雙緩沖器方式）雙緩沖器方式特點：轉(zhuǎn)換速度快，但控制電

11、路復特點：轉(zhuǎn)換速度快，但控制電路復雜。雜。（2）單緩沖器方式）單緩沖器方式特點：轉(zhuǎn)換速度慢，但控制電路簡特點：轉(zhuǎn)換速度慢，但控制電路簡單（常用方式）。單（常用方式）。4. DAC0832應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例DAC0832采用單緩沖器方式采用單緩沖器方式四、四、 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標1. 轉(zhuǎn)換精度（分辨率或位數(shù)轉(zhuǎn)換精度（分辨率或位數(shù)n）121n分辨率取樣取樣用周期性的取樣脈沖用周期性的取樣脈沖fS，對輸入模擬對輸入模擬信號的幅度定時取出樣值，將其變成一連串信號的幅度定時取出樣值，將其變成一連串等距而不等幅的脈沖的過程。等距而不等幅的脈沖的過程。 保持保持把取樣電壓保持一段時

12、間，保證完把取樣電壓保持一段時間，保證完成成A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 。 1、取樣保持、取樣保持-+UL取樣時間取樣時間保持時間保持時間0tVI0tVO波形表示波形表示1. 量化量化把取樣電平規(guī)范到某個最小單位把取樣電平規(guī)范到某個最小單位 電電壓的若干倍的過程。壓的若干倍的過程。0tVO12345678 量化方法量化方法（1）只舍不取法）只舍不取法量化誤差量化誤差 = （2）有舍有取法）有舍有取法量化誤差量化誤差 = /2二、二、 量化、編碼量化、編碼2. 編碼編碼編碼編碼把量化后把量化后 的倍數(shù)用二進制數(shù)表示的過程的倍數(shù)用二進制數(shù)表示的過程0000010100111001011101110 1 2 3

13、 4 5 6 7 0123456780000010100111001011101110 1 2 3 4 5 6 7 0123456789.3.2 A/D轉(zhuǎn)換器的類型轉(zhuǎn)換器的類型直接型直接型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器間接型間接型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器逐次逼近型逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 雙積分型雙積分型ADC一、直接型一、直接型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 1、逐次逼近型、逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器（2）工作原理：）工作原理：第一步送出第一步送出Qn-1=1（最大砝碼）將產(chǎn)生的最大砝碼）將產(chǎn)生的D/A電壓與輸入電壓電壓與輸入電壓VI比較。比較。第二步根據(jù)比較結(jié)果決定第二步根

14、據(jù)比較結(jié)果決定Qn-1的去留，并加入的去留，并加入Qn-2與與VI比較。比較。依此類推直至加入依此類推直至加入Q0。最后一步根據(jù)比較結(jié)果決定最后一步根據(jù)比較結(jié)果決定Q0的去留，并輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。的去留，并輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。-+A逐次逼近逐次逼近寄存器寄存器D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器控制控制邏輯邏輯輸輸出出緩緩沖沖器器Qn-1 Qn-2 Q0Qn-1(MSB)Qn-2Q0(LSB)數(shù)數(shù)字字輸輸出出時鐘脈沖時鐘脈沖CP啟動脈沖啟動脈沖模擬輸入模擬輸入VI基準電壓基準電壓VREF電壓電壓比較器比較器完成轉(zhuǎn)換時間：完成轉(zhuǎn)換時間： (n+1)TCP2 2、并聯(lián)比較型、并聯(lián)比較型A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 -+C6-+C

15、5-+C4-+C3-+C2-+C1-+C7DDDDDDDRRRRRRRR/2VREF模擬模擬輸入輸入VIVREF/153VREF/155VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/1513VREF/15&FF1FF7FF3FF4FF5&D2(MSB)D0(LSB)D1CP電壓比電壓比較器較器鎖存器鎖存器編碼器編碼器FF6FF2輸入模擬電壓輸入模擬電壓 VI 寄存器狀態(tài)寄存器狀態(tài)（編碼器輸入）（編碼器輸入）Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 數(shù)字量輸出數(shù)字量輸出（編碼器輸出）（編碼器輸出）D2 D1 D0 （01/15）VREF（1/153/15）VREF（

16、3/155/15）VREF （5/157/15）VREF（7/159/15）VREF（9/1511/15）VREF（11/1513/15）VREF（13/151）VREF 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 1 10 0 0 0 1 1 10 0 0 1 1 1 10 0 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1 42QD 2462462461QQQQQQQQQD1345671234567123456702QQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQ

17、D二、二、 間接型間接型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器電壓電壓頻率變換（頻率變換（VF變換）；電壓變換）；電壓時間變換時間變換（VT變換）變換）（VT變換）變換）（2） 工作原理工作原理下降；次積分），使第積分接通，積分器開始對與復位，啟動BIIAnDVVVVQQR1(0) 1 (0上升；次積分），使積分（第開始對的積分，結(jié)束對接于，脈沖后，個當輸入BREFIREFAnnVVVVVQCP212)2(。轉(zhuǎn)換，讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果結(jié)束本次，停止計數(shù)，（過零）使脈沖后，個當輸入01/00)3(DDDAVVCPMnCB-+A-+AFF2Q2D2FF1Q1D1FF0Q0D0FFn-1Qn-1Dn-1FFnQnRD啟動啟動&

18、amp;CPRC積分器積分器過零過零比較器比較器VAVBVCVDV I-VREFGCPnTT21M（3） 工作波形工作波形（4） 波形分析波形分析0tQn0tVA0tVC0tVB0tVD-VREFVIt1t20 0t t1 1階段積分器對階段積分器對V VI I積分：積分：CPnIItIBTRCVTRCVdtVRCV211101t t1 1t t2 2階段積分器對階段積分器對-V-VREFREF積分：積分：CPREFREFttREFBTMRCVTRCVdtVRCV2212)(1nREFICPREFCPnICPREFCPnIBBVVMTMRCVTRCVTMRCVTRCVVV2202021即：低速低速ADC;最小轉(zhuǎn)換時間最小轉(zhuǎn)換時間=2nTCP最大轉(zhuǎn)換時間最大轉(zhuǎn)換時間=2n+1TCP三、三、 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標 1.1. 轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度 （階梯電壓）分辨率（分解度）naxV2Im【例例】已知已知8位位A/D轉(zhuǎn)換器的基準電壓轉(zhuǎn)換器的基準電壓VREF=5.12V，求當輸入為求當輸入為VI=3.