第5章 數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換

1、數(shù)字電子技術(shù)數(shù)字電子技術(shù) 數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換學(xué)習(xí)要點：學(xué)習(xí)要點： 數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換的基本原理 數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換1 概述概述能將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的電路稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱能將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的電路稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或轉(zhuǎn)換器或ADC；能將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的電路稱為；能將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，簡稱數(shù)模轉(zhuǎn)換器，簡稱D/A轉(zhuǎn)換器或轉(zhuǎn)換器或DAC。ADC和和DAC是溝是溝通模擬電路和數(shù)字電路的橋梁，也可稱之為兩者之間的接通模擬電路和數(shù)字電路的橋梁，也可稱之為兩者之間的接口?？?。多路開關(guān)數(shù)字控制計算機DACADC功率放大功率放大執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)加熱爐

2、加熱爐溫度傳感器溫度傳感器信號放大信號放大多路開關(guān)2 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2.1 D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理轉(zhuǎn)換器的基本原理1 D /A 轉(zhuǎn) 換 器 的 基 本 原 理 和 轉(zhuǎn) 換 特 性將輸入的每一位二進(jìn)制代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成將輸入的每一位二進(jìn)制代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將代表各位的模擬量相加，相應(yīng)的模擬量，然后將代表各位的模擬量相加，所得的總模擬量就與數(shù)字量成正比，這樣便實現(xiàn)所得的總模擬量就與數(shù)字量成正比，這樣便實現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。uo或io輸出D/Ad0d1dn1輸入)2222(00112211oddddKunnnnu76543210000

3、001 010 011 100 101 110 111uo(V)DD/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性是指其輸出模擬量和輸入數(shù)字量之間轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性是指其輸出模擬量和輸入數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。圖示是輸入為的轉(zhuǎn)換關(guān)系。圖示是輸入為3位二進(jìn)制數(shù)時的位二進(jìn)制數(shù)時的D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性。理想的換特性。理想的D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性，應(yīng)是輸出模擬量與轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性，應(yīng)是輸出模擬量與輸入數(shù)字量成正比。即：輸出模擬電壓輸入數(shù)字量成正比。即：輸出模擬電壓 uo=KuD或輸出?；蜉敵瞿M電流擬電流io=KiD。其中。其中Ku或或Ki為電壓或電流轉(zhuǎn)換比例系數(shù)，為電壓或電流轉(zhuǎn)換比例系數(shù)，D為輸入二進(jìn)制數(shù)所代表的十進(jìn)

4、制數(shù)。如果輸入為為輸入二進(jìn)制數(shù)所代表的十進(jìn)制數(shù)。如果輸入為n位二進(jìn)制位二進(jìn)制數(shù)數(shù)dn-1dn-2d1d0，則輸出模擬電壓為：，則輸出模擬電壓為：)2222(00112211oddddKunnnnu2 D /A 轉(zhuǎn) 換 器 的 主 要 技 術(shù) 指 標(biāo)（1）分辨率）分辨率分辨率用輸入二進(jìn)制數(shù)的有效位數(shù)表示。在分辨率為分辨率用輸入二進(jìn)制數(shù)的有效位數(shù)表示。在分辨率為n位的位的D/A轉(zhuǎn)換器中，輸出電壓能區(qū)分轉(zhuǎn)換器中，輸出電壓能區(qū)分2n個不同的輸入二進(jìn)制代碼狀個不同的輸入二進(jìn)制代碼狀態(tài)，能給出態(tài)，能給出2n個不同等級的輸出模擬電壓。個不同等級的輸出模擬電壓。分辨率也可以用分辨率也可以用D/A轉(zhuǎn)換器的最小輸

5、出電壓與最大輸出電壓轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓的比值來表示。的比值來表示。10位位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為：轉(zhuǎn)換器的分辨率為：（2）轉(zhuǎn)換精度）轉(zhuǎn)換精度D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是指輸出模擬電壓的實際值與理想值轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是指輸出模擬電壓的實際值與理想值之差，即最大靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。之差，即最大靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。（3）輸出建立時間）輸出建立時間從輸入數(shù)字信號起，到輸出電壓或電流到達(dá)穩(wěn)定值時所需要從輸入數(shù)字信號起，到輸出電壓或電流到達(dá)穩(wěn)定值時所需要的時間，稱為輸出建立時間。的時間，稱為輸出建立時間。001. 010231121102.2 D/A轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成R2R4R8RRFI1I0I2I

6、3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo+RVIRVIRVIRVIREFREFREFREF3210 2 4 8不論模擬開關(guān)接到運算放大器的反相輸入端（虛地）還是接到地，不論模擬開關(guān)接到運算放大器的反相輸入端（虛地）還是接到地，也就是不論輸入數(shù)字信號是也就是不論輸入數(shù)字信號是1還是還是0，各支路的電流不變。，各支路的電流不變。R2R4R8RRFI1I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo+)2222(2248001122333321033221100ddddRVdRVdRVdRVdRVdIdIdIdIiREFREFREFREFREF)2222

7、(22001122334oddddViRiRuREFFF設(shè)RF=R/22 倒 T 型 電 阻 網(wǎng) 絡(luò) D /A 轉(zhuǎn) 換 器RRR2R2R2R2R2RRFI1I1I2I3I0I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo+BCDA分別從虛線分別從虛線A、B、C、D處向右看的二端網(wǎng)絡(luò)等效電阻都是處向右看的二端網(wǎng)絡(luò)等效電阻都是R。不論模擬開關(guān)接到運算放大器的反相輸入端（虛地）還是接不論模擬開關(guān)接到運算放大器的反相輸入端（虛地）還是接到地，也就是不論輸入數(shù)字信號是到地，也就是不論輸入數(shù)字信號是1還是還是0，各支路的電流不變。，各支路的電流不變。從參考電壓端輸入的電流為：RVI

8、REFREFRVIIRVIIRVIIRVIIREFREFREFREFREFREFREFREF16161 881441 2210123RRR2R2R2R2R2RRFI1I1I2I3I0I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo+BCDARVIREFREF)2222(2)214181161(001122334321033221100ddddRVRVdddddIdIdIdIiREFREF)2222(2001122334oddddRRViRiRuFREFFFFRRR2R2R2R2R2RRFI1I1I2I3I0I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VR

9、EFuo+BCDA本節(jié)小結(jié)：D/A轉(zhuǎn)換器的功能是將輸入的二進(jìn)制數(shù)字信轉(zhuǎn)換器的功能是將輸入的二進(jìn)制數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的模擬信號輸出。號轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的模擬信號輸出。D/A轉(zhuǎn)換器根轉(zhuǎn)換器根據(jù)工作原理基本上可分為二進(jìn)制權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)據(jù)工作原理基本上可分為二進(jìn)制權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器和轉(zhuǎn)換器和T型電阻網(wǎng)絡(luò)型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器兩大類。由于轉(zhuǎn)換器兩大類。由于T型電阻網(wǎng)絡(luò)型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器只要求兩種阻值的電阻，轉(zhuǎn)換器只要求兩種阻值的電阻，因此最適合于集成工藝，集成因此最適合于集成工藝，集成D/A轉(zhuǎn)換器普遍采轉(zhuǎn)換器普遍采用這種電路結(jié)構(gòu)。用這種電路結(jié)構(gòu)。如果輸入的是如果輸入的是n位二進(jìn)制數(shù)，則位二進(jìn)制數(shù)，則D

10、/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為：的輸出電壓為：)2222(200112211oddddVunnnnnREF3 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器3.1 A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理轉(zhuǎn)換器的基本原理1 A /D 轉(zhuǎn) 換 器 的 基 本 原 理dn-1d1d0數(shù)字量輸出(n位)ADC的數(shù)字化編碼電路 CPS SCADC采樣-保持電路采樣展寬信號輸入模擬電壓ui(t)us(t)模擬電子開關(guān)模擬電子開關(guān)S在采樣脈沖在采樣脈沖CPS的控制下重復(fù)接通、斷開的過程。的控制下重復(fù)接通、斷開的過程。S接通時，接通時，ui(t)對對C充電，為采樣過程；充電，為采樣過程；S斷開時，斷開時，C上的電壓保上的電壓保持不變，為保持過程。在保持過

11、程中，采樣的模擬電壓經(jīng)數(shù)字持不變，為保持過程。在保持過程中，采樣的模擬電壓經(jīng)數(shù)字化編碼電路轉(zhuǎn)換成一組化編碼電路轉(zhuǎn)換成一組n位的二進(jìn)制數(shù)輸出。位的二進(jìn)制數(shù)輸出。2 采 樣 - 保 持 電 路+uiuoCHSA1A2uCuo, uiuoui0(a) 電路圖(b) 波形圖 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11t采樣脈沖（fS）開關(guān)驅(qū)動電路t0時刻時刻S閉合，閉合，CH被迅速充電，電路處于采樣階段。由于兩個放大被迅速充電，電路處于采樣階段。由于兩個放大器的增益都為器的增益都為1，因此這一階段，因此這一階段uo跟隨跟隨ui變化，即變化，即uoui。t1時刻采時刻采樣

12、階段結(jié)束，樣階段結(jié)束，S斷開，電路處于保持階段。若斷開，電路處于保持階段。若A2的輸入阻抗為無窮的輸入阻抗為無窮大，大，S為理想開關(guān)，則為理想開關(guān)，則CH沒有放電回路，兩端保持充電時的最終電沒有放電回路，兩端保持充電時的最終電壓值不變，從而保證電路輸出端的電壓壓值不變，從而保證電路輸出端的電壓uo維持不變。維持不變。采樣定理：max2isff3 A /D 轉(zhuǎn) 換 器 的 主 要 技 術(shù) 指 標(biāo)（1）分辨率）分辨率A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率用輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示，位數(shù)越多，轉(zhuǎn)換器的分辨率用輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示，位數(shù)越多，誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高。例如，輸入模擬電壓的變化范圍誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高。例

13、如，輸入模擬電壓的變化范圍為為05V，輸出，輸出8位二進(jìn)制數(shù)可以分辨的最小模擬電壓為位二進(jìn)制數(shù)可以分辨的最小模擬電壓為5V2820mV；而輸出；而輸出12位二進(jìn)制數(shù)可以分辨的最小模擬位二進(jìn)制數(shù)可以分辨的最小模擬電壓為電壓為5V2121.22mV。（2）相對精度）相對精度在理想情況下，所有的轉(zhuǎn)換點應(yīng)當(dāng)在一條直線上。相對精度在理想情況下，所有的轉(zhuǎn)換點應(yīng)當(dāng)在一條直線上。相對精度是指實際的各個轉(zhuǎn)換點偏離理想特性的誤差。是指實際的各個轉(zhuǎn)換點偏離理想特性的誤差。（3）轉(zhuǎn)換速度）轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度是指完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間。轉(zhuǎn)換時間是指從接轉(zhuǎn)換速度是指完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間。轉(zhuǎn)換時間是指從接到轉(zhuǎn)換控制信號開始

14、，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字輸出信號所到轉(zhuǎn)換控制信號開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字輸出信號所經(jīng)過的這段時間。經(jīng)過的這段時間。0uiVREF/14時，時，7個比個比較器輸出全為較器輸出全為0，CP到來到來后，后，7個觸發(fā)器都置個觸發(fā)器都置0。經(jīng)編碼器編碼后輸出的經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進(jìn)制代碼為二進(jìn)制代碼為d2d1d0000。VREF/14ui3VREF/14時，時，7個比較器中只有個比較器中只有C1輸出輸出為為1，CP到來后，只有觸到來后，只有觸發(fā)器發(fā)器FF1置置1，其余觸發(fā)，其余觸發(fā)器仍為器仍為0。經(jīng)編碼器編碼。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進(jìn)制代碼為后輸出的二進(jìn)制代碼為d2d1d0=001。+C6+C7+

15、C5+C4+C3+C2+C11D C11D C11D C11D C11D C11D C11D C1&VREFuid2d1d0Q4Q4Q7Q6Q5Q3Q2Q2Q1R/2R/2RRRRRRCP比較器寄存器編碼器FF7FF6FF5FF4FF3FF2FF13.2 A/D轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成1 并 聯(lián) 比 較 型 A /D 轉(zhuǎn) 換 器+C6+C7+C5+C4+C3+C2+C11D C11D C11D C11D C11D C11D C11D C1&VREFuid2d1d0Q4Q4Q7Q6Q5Q3Q2Q2Q1R/2R/2RRRRRRCP比較器寄存器編碼器FF7FF6FF5FF4FF3FF

16、2FF13VREF/14 ui5VREF/14時，比較器時，比較器C1、C2輸出輸出為為1，CP到來后，觸發(fā)到來后，觸發(fā)器器FF1、FF2置置1。經(jīng)編。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進(jìn)碼器編碼后輸出的二進(jìn)制代碼為制代碼為d2d1d0010。5VREF/14ui7VREF/14時，比較器時，比較器C1、 C2、 C3輸出為輸出為1，CP到來后，到來后，觸發(fā)器觸發(fā)器FF1、 FF2、 FF3置置1。經(jīng)編碼器編碼后。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進(jìn)制代碼為輸出的二進(jìn)制代碼為d2d1d0=011。依此類推，可以列出依此類推，可以列出ui為不同等級時寄存器的為不同等級時寄存器的狀態(tài)及相應(yīng)的輸出二進(jìn)狀態(tài)及相應(yīng)的輸出二進(jìn)制

17、數(shù)。制數(shù)。輸入模擬電壓寄 存 器 狀 態(tài)輸出二進(jìn)制數(shù)uiQ7 Q6 Q5 Q4 Q2 Q2 Q1d2 d1 d0REFV)0(1410 0 0 0 0 0 00 0 0REFV)(1431410 0 0 0 0 0 10 0 1REFV)(1451430 0 0 0 0 1 10 1 0REFV)(1471450 0 0 0 1 1 10 1 1REFV)(1491470 0 0 1 1 1 11 0 0REFV)(14111490 0 1 1 1 1 11 0 1REFV)(141314110 1 1 1 1 1 11 1 0REFV) 1(14131 1 1 1 1 1 11 1 12 逐

18、 次 逼 近 型 A /D 轉(zhuǎn) 換 器輸出數(shù)字量輸入模擬電壓uoui順序脈沖發(fā)生器逐次逼近寄存器D/A轉(zhuǎn)換器電壓比較器轉(zhuǎn)換開始前先將所有寄存器清零。開始轉(zhuǎn)換以后，時鐘脈沖轉(zhuǎn)換開始前先將所有寄存器清零。開始轉(zhuǎn)換以后，時鐘脈沖首先將寄存器最高位置成首先將寄存器最高位置成1，使輸出數(shù)字為，使輸出數(shù)字為1000。這個數(shù)。這個數(shù)碼被碼被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓uo，送到比較器中與，送到比較器中與ui進(jìn)行比較。若進(jìn)行比較。若uiuo，說明數(shù)字過大了，故將最高位的，說明數(shù)字過大了，故將最高位的1清清除；若除；若uiuo，說明數(shù)字還不夠大，應(yīng)將這一位保留。然后，說明數(shù)字還不夠

19、大，應(yīng)將這一位保留。然后，再按同樣的方式將次高位置成再按同樣的方式將次高位置成1，并且經(jīng)過比較以后確定這，并且經(jīng)過比較以后確定這個個1是否應(yīng)該保留。這樣逐位比較下去，一直到最低位為止。是否應(yīng)該保留。這樣逐位比較下去，一直到最低位為止。比較完畢后，寄存器中的狀態(tài)就是所要求的數(shù)字量輸出。比較完畢后，寄存器中的狀態(tài)就是所要求的數(shù)字量輸出。Q1 Q2 Q3 Q4 Q5ui1D C11D C11D C11D C11D C1&11FF1 FF2 FF3 FF4 FF5&uoCP +Cucd2(22)d1(21)d0(20)FFA Q FFB Q FFCG1 G2 G3G4 G5QG6G7G

20、8=1(ui0)uodn-1 dn-2 d0+TCCO=：對輸入模擬電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行兩次積分，先對輸入對輸入模擬電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行兩次積分，先對輸入模擬電壓進(jìn)行積分，將其變換成與輸入模擬電壓成正比的時間間模擬電壓進(jìn)行積分，將其變換成與輸入模擬電壓成正比的時間間隔隔T1，再利用計數(shù)器測出此時間間隔，則計數(shù)器所計的數(shù)字量就，再利用計數(shù)器測出此時間間隔，則計數(shù)器所計的數(shù)字量就正比于輸入的模擬電壓；接著對基準(zhǔn)電壓進(jìn)行同樣的處理。正比于輸入的模擬電壓；接著對基準(zhǔn)電壓進(jìn)行同樣的處理。邏輯控制門定時器n 位二進(jìn)制計數(shù)器&輸入模擬電壓基準(zhǔn)電壓積分器比較器時鐘輸入控制門 Gn 位二進(jìn)制數(shù)字輸出uiVREFS1S2RCCPCO=1(uo0)=0(uo0)uodn-1 dn-2 d0+TCCO=iREFnUVN22計 數(shù) 器 中 所 計 的 二 進(jìn) 制 數(shù) 值3.3 集成集成A/D轉(zhuǎn)換器及應(yīng)用轉(zhuǎn)換器及應(yīng)用Uin(+) VCC D0Uin(-) D1AGND D2 ADC0801 D3UREF/2D4