第10章模擬量與數(shù)字量的轉(zhuǎn)換

1、學(xué)習(xí)要點(diǎn)學(xué)習(xí)要點(diǎn)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的組成和工作原理數(shù)模轉(zhuǎn)換器的組成和工作原理模數(shù)轉(zhuǎn)換器的組成和工作原理模數(shù)轉(zhuǎn)換器的組成和工作原理能將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的電路稱為，簡(jiǎn)稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC；能將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的電路稱為，簡(jiǎn)稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC。ADC和DAC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口。多路開關(guān)數(shù)字控制計(jì)算機(jī)DACADC功率放大功率放大執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)加熱爐加熱爐溫度傳感器溫度傳感器信號(hào)放大信號(hào)放大多路開關(guān)10.1.1 T型電阻網(wǎng)絡(luò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器型電阻網(wǎng)絡(luò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器1 0 1 0 1 0 1 0RRR2R2R2R2RRfS0S3S2S1d3d0d1d2URuoA +2R2R

2、數(shù)碼di=1（i=0、1、2、3），即為高電平時(shí)，則由其控制的模擬電子開關(guān)Si自動(dòng)接通左邊觸點(diǎn)，即接到基準(zhǔn)電壓UR上；而當(dāng)di=0，即為低電平時(shí)，則由其控制的模擬電子開關(guān)Si自動(dòng)接通右邊觸點(diǎn)，即接到地。RRR2R2R2R2RURA2RRfuo +2Rd3d2d1d0=0001時(shí)的電路：用戴維南定理從左至右逐級(jí)對(duì)各虛線處進(jìn)行等效。UR 21RRR2R2RARfuo +2R2RRUR 22RRR2R2RARfuo +2RUR 23RR2RARfuo +2RUR 24RARfuo +2R由圖可得輸出電壓為：4Rf4Rfo02322RURURRRu由于d0=、 d3=d2=d1=0，所以上式又可寫為：

3、04Rfo023dRURu同理，當(dāng)d3d2d1d0=0010時(shí)的輸出電壓為：13Rfo123dRURu當(dāng)d3d2d1d0=0100時(shí)的輸出電壓為：22Rfo223dRURu當(dāng)d3d2d1d0=1000時(shí)的輸出電壓為：31Rfo323dRURu應(yīng)用疊加原理將上面4個(gè)電壓分量疊加，即得T形電阻網(wǎng)絡(luò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為：)2222(2323232323001122334Rf31Rf22Rf13Rf04Rfo3o2o1o0oddddRURdRURdRURdRURdRURuuuuu當(dāng)取Rf=3R時(shí)，則上式成為：)2222(2001122334RoddddUu)2222(200112211RoddddU

4、unnnnn括號(hào)中的是 4 位二進(jìn)制數(shù)按權(quán)的展開式?？梢?，輸入的數(shù)字量被轉(zhuǎn)換為模擬電壓，而且輸出模擬電壓 uo與輸入的數(shù)字量成正 比 。 當(dāng) 輸入 信 號(hào)00000123dddd時(shí) ，輸 出 電 壓0ou；當(dāng)輸入信 號(hào)00010123dddd時(shí)， 輸出電壓Ro161Uu， ，當(dāng)輸入信號(hào)11110123dddd時(shí)，輸出電壓Ro1615Uu。S0S3S2S11 0 1 0 1 0 1 0RRFd3d0d1d2URuo +RR2R2R2R2R2RIRABCD分別從虛線A、B、C、D處向左看的二端網(wǎng)絡(luò)等效電阻都是R。不論模擬開關(guān)接到運(yùn)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(hào)是1還

5、是0，各支路的電流不變。從參考電壓UR處輸入的電流IR為：RUIRR10.1.2 倒倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器型電阻網(wǎng)絡(luò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器S0S3S2S11 0 1 0 1 0 1 0RRFd3d0d1d2URuo +RR2R2R2R2R2RIRABCDI3I2I1I0IRUIIRUIIRUIIRUIIRRRFRRRR403122132161 281241 221各支路電流IR為：S0S3S2S11 0 1 0 1 0 1 0RRFd3d0d1d2URuo +RR2R2R2R2R2RIRABCDI3I2I1I0I)2222(200112233433221100ddddRUdIdIdIdIIREF)222

6、2(2001122334oddddRRUIRuFRF10.1.3 集成數(shù)模轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用集成數(shù)模轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用0.1FIoUR(+5V)UEE(-5V)1162153144135126117108 9DAC0808NCGNDUEEIod7d6d5d4COPUR(-)UR(+)UCCd0d1d2d35 13 1467 1589 21011 412 3 16DAC0808UCC(+5V)2.4k2.4kRLd0d1d2d3d4d5d6d7(a)(b)（1）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n位的D/A轉(zhuǎn)換器中，輸出電壓能區(qū)分2n個(gè)不同的輸入二進(jìn)制代碼狀態(tài)，能給出2n個(gè)不同等級(jí)的輸

7、出模擬電壓。分辨率也可以用D/A轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓的比值來表示。10位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為：（2）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(shí)際值與理想值之差，即最大靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。（3）輸出建立時(shí)間從輸入數(shù)字信號(hào)起，到輸出電壓或電流到達(dá)穩(wěn)定值時(shí)所需要的時(shí)間，稱為輸出建立時(shí)間。001. 0102311211010.1.4 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)10.2.1 逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器逐次逼近型模數(shù)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(shí)鐘脈沖首先將寄存器最高位置

8、成1，使輸出數(shù)字為1000。這個(gè)數(shù)碼被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓uo，送到比較器中與ui進(jìn)行比較。若uiuo，說明數(shù)字過大了，故將最高位的1清除；若uiuo，說明數(shù)字還不夠大，應(yīng)將這一位保留。然后，再按同樣的方式將次高位置成1，并且經(jīng)過比較以后確定這個(gè)1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。G5 G6 G7G1 G2 G3 G4Q1 Q2 Q3 Q4 Q5uiD CD CD CD CD C&11&uoCuAd3(23)d2(22)d1(21)d0(20) FB Q J K FA Q J K FC Q J K4

9、位 D/A 轉(zhuǎn)換器F1 F2 F3 F4 F5 + + A FD Q J K1&d3d2d1d0CCCCG8G9G10G11為了分析方便，設(shè)D/A轉(zhuǎn)換器的參考電壓為UR=8V，輸入的模擬電壓為ui=4.52V。轉(zhuǎn)換開始前，先將逐次逼近寄存器的4個(gè)觸發(fā)器FAFD清0，并把環(huán)形計(jì)數(shù)器的狀態(tài)置為Q1Q2Q3Q4Q5=00001。第1個(gè)時(shí)鐘脈沖C的上升沿到來時(shí)，環(huán)形計(jì)數(shù)器右移一位，其狀態(tài)變?yōu)?0000。由于Q1=1，Q2、Q3、Q4、Q5均為0，于是觸發(fā)器FA被置1，F(xiàn)B、FC和FD被置0。所以，這時(shí)加到D/A轉(zhuǎn)換器輸入端的代碼為d3d2d1d0=1000 ，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為：V 48

10、168)2222(2001122334RoddddUuuo和ui在比較器中比較，由于uoui，所以比較器的輸出電壓為uA=1。第3個(gè)時(shí)鐘脈沖C的上升沿到來時(shí)，環(huán)形計(jì)數(shù)器又右移一位，其狀態(tài)變?yōu)?0100。這時(shí)由于uA=1，Q3=1，Q1、Q2、Q4、Q5均為0，于是觸發(fā)器FA的1保留，而FB被置0。與此同時(shí)，Q3的高電平將觸發(fā)器FC置1。所以，這時(shí)加到D/A轉(zhuǎn)換器輸入端的代碼為d3d2d1d0=1010 ，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為：V 5)28(168)2222(2001122334RoddddUuuo和ui在比較器中比較，由于uoui，所以比較器的輸出電壓為uA=1。第4個(gè)時(shí)鐘脈沖C的上升沿到

11、來時(shí)，環(huán)形計(jì)數(shù)器又右移一位，其狀態(tài)變?yōu)?0010。這時(shí)由于uA=1，Q4=1，Q1、Q2、Q3、Q5均為0，于是觸發(fā)器FA、FB的狀態(tài)保持不變，而觸發(fā)器FC被置0。與此同時(shí)，Q4的高電平將觸發(fā)器FD置1。所以，這時(shí)加到D/A轉(zhuǎn)換器輸入端的代碼為d3d2d1d0=1001 ，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為：V 5 . 4) 18(168)2222(2001122334RoddddUuuo和ui在比較器中比較，由于uoui，所以比較器的輸出電壓為uA=0。第5個(gè)時(shí)鐘脈沖C的上升沿到來時(shí)，環(huán)形計(jì)數(shù)器又右移一位，其狀態(tài)變?yōu)?0001。這時(shí)由于uA=0，Q5=1，Q1、Q2、Q3、Q4均為0，于是觸發(fā)器FA、

12、FB、FC、FD的狀態(tài)均保持不變，即加到D/A轉(zhuǎn)換器輸入端的代碼為d3d2d1d0=1001。同時(shí)，Q5的高電平將門G8G11打開，使作為轉(zhuǎn)換結(jié)果通過門G8G11送出。這樣就完成了一次轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換過程如表所示。順序脈沖d3 d2 d1 d0uo/V比較判斷該位數(shù)碼 1是否保留12341 0 0 01 1 0 01 0 1 01 0 0 14654.5uouiuouiuoui保留除去除去保留10.2.2 集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用(20)+5VUin(+) VCC D0Uin(-) D1AGND D2 ADC0801 D3UR/2 D4CLKRD5D6CLKinD7CSRDWRDGND INTR1k1k1k1k1k1k1k1k+5V(1)(2)(10)(6)(7)(8)(9)(19)(4)(18)(17)(16)(15)(14)(13)(12)(11)(5)(3)LED輸入模擬電壓ui05V調(diào)節(jié)時(shí)鐘頻率R10kC150pF空腳（1）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，誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高。例如，輸入模擬電壓的變化范圍為05V，輸出8位二進(jìn)制數(shù)可以分辨的最