第11章 數(shù)-模和模-數(shù)轉(zhuǎn)換

1、第第 十一十一 章章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換 教學內(nèi)容11.1 概述11.2 D/A轉(zhuǎn)換器11.3 A/D轉(zhuǎn)換器 教學要求教學要求 1、掌握DAC和ADC的定義及應用；2、了解DAC的組成、倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)、集成D/A轉(zhuǎn)換器、轉(zhuǎn)換精度及轉(zhuǎn)換速度；3、了解ADC組成、逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器、積分型A/D轉(zhuǎn)換器、轉(zhuǎn)換精度及轉(zhuǎn)換速度。 11.1 11.1 概述概述模數(shù)轉(zhuǎn)換（模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D轉(zhuǎn)換）：轉(zhuǎn)換）：將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。實現(xiàn)字信號。實現(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，簡轉(zhuǎn)換器，簡寫為寫為ADC(Analog-Digital Converter)數(shù)模轉(zhuǎn)換（數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/

2、A轉(zhuǎn)換）：轉(zhuǎn)換）：將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。實現(xiàn)擬信號。實現(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，簡轉(zhuǎn)換器，簡寫為寫為DAC(Digital-Analog Converter)例如：對于例如：對于0 5V的直流電壓，計算機用的直流電壓，計算機用8位數(shù)字位數(shù)字量來描述時：量來描述時： 最小值（最小值（00000000）B = 0對應對應0V， 最大值（最大值（11111111）B = 255 對應對應 5V， 中間值（中間值（01111111）B = 127 對應對應2. 5V 等等 D/A的任務是接收到一個數(shù)字量后，給出一個的任務是接收到一個數(shù)字量后，給出一個相應的

3、電壓。比如收到（相應的電壓。比如收到（00111111）B ，應給出幅，應給出幅度為度為1.25V 的電壓。的電壓。11.2 11.2 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的電路。將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的電路。電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò)模擬電子開關(guān)模擬電子開關(guān)求和放大求和放大器器參考電壓參考電壓一、權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)一、權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器集成運放通過集成運放通過RF接入負反饋，有虛短，接入負反饋，有虛短，V-V+=0)(0123IIIIRiRvFFo33dRVIREF222dRVIREF1212dRVIREF0302dRVIREF)2222(2001122334ddddVvREFo取取RF=R

4、/2)22.22(200112211ddddVvnnnnnREFo n位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，當反饋電阻取為轉(zhuǎn)換器，當反饋電阻取為R/2時，輸出電壓的計算公式：時，輸出電壓的計算公式：輸出電壓的變化范圍輸出電壓的變化范圍:REFnnV2120優(yōu)點：優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，所用的電阻元件數(shù)很少。結(jié)構(gòu)簡單，所用的電阻元件數(shù)很少。缺點：缺點：各電阻的阻值相差較大，不能保證有很各電阻的阻值相差較大，不能保證有很高的精度。高的精度。二、倒二、倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò)模擬電子開關(guān)模擬電子開關(guān)求和放大求和放大器器 由于由于V-V+=0,所以開關(guān)所以開關(guān)S合到哪一邊，都

5、相當合到哪一邊，都相當于接到了于接到了“地地”電位，流過每條電路的電流始終不電位，流過每條電路的電流始終不變?？傻刃椋鹤?。可等效為：012316842dIdIdIdIi取取RF=R)2222(2001122334ddddVRivREFoRVIREF n位輸入的倒位輸入的倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，當反饋轉(zhuǎn)換器，當反饋電阻取為電阻取為R時，輸出電壓的計算公式：時，輸出電壓的計算公式：)22.22(200112211ddddVvnnnnnREFo優(yōu)點：優(yōu)點：（1）只有）只有R和和2R兩種阻值的電阻，可達到較高的兩種阻值的電阻，可達到較高的精度；精度；（2）各支路電流恒定不變，在開關(guān)狀態(tài)

6、變化時，）各支路電流恒定不變，在開關(guān)狀態(tài)變化時，不需電流建立時間，所以電路轉(zhuǎn)換速度高，使用不需電流建立時間，所以電路轉(zhuǎn)換速度高，使用廣泛。廣泛。CB7520電路原理圖電路原理圖三、權(quán)電流型三、權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器恒流源恒流源恒流源模型：恒流源模型：EiBEEEBiRVVVI 只要電路工作時保證只要電路工作時保證VB和和VEE穩(wěn)定不變，則穩(wěn)定不變，則三極管的集電極電流即可保持恒定，不受開關(guān)內(nèi)三極管的集電極電流即可保持恒定，不受開關(guān)內(nèi)阻的影響。阻的影響。)2222(2)2222(0011223340413223ddddIRdIdIdIdIRRivFFFo 為減少電阻阻值的種類，在實用的權(quán)電流

7、型為減少電阻阻值的種類，在實用的權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器中，經(jīng)常利用倒中，經(jīng)常利用倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)的分流作用產(chǎn)生一組所需的恒流形電阻網(wǎng)絡(luò)的分流作用產(chǎn)生一組所需的恒流源。源。按比例加大發(fā)射結(jié)的面積按比例加大發(fā)射結(jié)的面積DAC0808電路結(jié)構(gòu)框圖電路結(jié)構(gòu)框圖已知已知VREF=10V kRR5 kRF5nnRREFFnFoDDRVRDIRv88821022四、具有雙極性輸出的四、具有雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器接一偏置電流接一偏置電流符號位求反符號位求反把輸入的正、負數(shù)的補碼分別轉(zhuǎn)換成正、負極性的模把輸入的正、負數(shù)的補碼分別轉(zhuǎn)換成正、負極性的模 擬電壓。擬電壓。五、五、D/A轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)轉(zhuǎn)換器

8、的主要參數(shù)（1 1）分辨率：）分辨率：D/A轉(zhuǎn)換器理論上可達到的精度。轉(zhuǎn)換器理論上可達到的精度。 1.D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度 分辨率也可用分辨率也可用D/A轉(zhuǎn)換器能夠分辨出來的最小輸轉(zhuǎn)換器能夠分辨出來的最小輸出電壓與最大輸出電壓的比值來表示。出電壓與最大輸出電壓的比值來表示。10位位D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器的分辨率為：器的分辨率為： 分辨率可以用輸入二進制數(shù)碼的位數(shù)給出。分辨率可以用輸入二進制數(shù)碼的位數(shù)給出。（2）轉(zhuǎn)換誤差：）轉(zhuǎn)換誤差：D/A轉(zhuǎn)換器實際上能達到的轉(zhuǎn)換精度。轉(zhuǎn)換器實際上能達到的轉(zhuǎn)換精度。 可以用輸出電壓滿刻度值的百分數(shù)表示，也可用可以用輸出電壓滿刻度值的百分數(shù)表示，也可用

9、最低位有效值的倍數(shù)表示。最低位有效值的倍數(shù)表示。 如：轉(zhuǎn)換誤差為如：轉(zhuǎn)換誤差為0.5LSB，表示輸出模擬電壓的，表示輸出模擬電壓的絕對誤差等于當輸入數(shù)字量的絕對誤差等于當輸入數(shù)字量的LSB1時，其余各位時，其余各位均為均為0時輸出模擬電壓的一半。時輸出模擬電壓的一半。 轉(zhuǎn)換誤差可分為靜態(tài)誤差和動態(tài)誤差。產(chǎn)生靜態(tài)誤轉(zhuǎn)換誤差可分為靜態(tài)誤差和動態(tài)誤差。產(chǎn)生靜態(tài)誤差的原因是基準電源不穩(wěn)定、運放的零點漂移、模擬開差的原因是基準電源不穩(wěn)定、運放的零點漂移、模擬開關(guān)導通時的內(nèi)阻和壓降及電阻網(wǎng)絡(luò)中阻值的偏差等；動關(guān)導通時的內(nèi)阻和壓降及電阻網(wǎng)絡(luò)中阻值的偏差等；動態(tài)誤差則是在轉(zhuǎn)換的動態(tài)過程中產(chǎn)生的附加誤差。態(tài)誤差

10、則是在轉(zhuǎn)換的動態(tài)過程中產(chǎn)生的附加誤差。（1）建立時間）建立時間tset：指指輸入數(shù)字量各位由全輸入數(shù)字量各位由全0變?yōu)槿優(yōu)槿?或由全或由全1變?yōu)槿優(yōu)槿?時時,輸出電壓達到某一規(guī)定值所需輸出電壓達到某一規(guī)定值所需要的時間。要的時間。通常建立時間在通常建立時間在100 ns 幾十幾十 s之間。之間。2.D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度（2）轉(zhuǎn)換速率）轉(zhuǎn)換速率SR：指指輸入數(shù)字量各位由全輸入數(shù)字量各位由全0變?yōu)槿優(yōu)槿?或由全或由全1變?yōu)槿優(yōu)槿?時，輸出電壓的變化率。時，輸出電壓的變化率。11.3 11.3 AD轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器器A/DUI輸入模擬電壓輸入模擬電壓D7D0輸出數(shù)字量輸出數(shù)字量0

11、 5V0000000011111111一、一、A/D轉(zhuǎn)換的基本原理轉(zhuǎn)換的基本原理 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)取樣保持取樣保持 取樣是對模擬信取樣是對模擬信號進行周期性地抽取號進行周期性地抽取樣值的過程，就是把樣值的過程，就是把隨時間連續(xù)變化的信隨時間連續(xù)變化的信號轉(zhuǎn)換成在時間上斷號轉(zhuǎn)換成在時間上斷續(xù)、在幅度上等于取續(xù)、在幅度上等于取樣時間內(nèi)模擬信號大樣時間內(nèi)模擬信號大小的一串脈沖。小的一串脈沖。取樣定理：取樣定理：fs2fi(max)輸

12、入模擬信號的最高輸入模擬信號的最高頻率分量的頻率頻率分量的頻率取樣頻率取樣頻率量化編碼量化編碼 將取樣保持電路的輸出電壓，按某種近似方式將取樣保持電路的輸出電壓，按某種近似方式歸化到與之相應的離散電平上，這一轉(zhuǎn)化過程稱為歸化到與之相應的離散電平上，這一轉(zhuǎn)化過程稱為數(shù)數(shù)值量化值量化，簡稱，簡稱量化量化。 量化后的數(shù)值最后還須通過編碼過程用一個代量化后的數(shù)值最后還須通過編碼過程用一個代碼表示出來，這一過程稱為碼表示出來，這一過程稱為編碼編碼。 將取樣電壓表示為一個最小單位的整數(shù)倍，所將取樣電壓表示為一個最小單位的整數(shù)倍，所取的最小數(shù)量單位稱為量化單位，用取的最小數(shù)量單位稱為量化單位，用 表示。表示

13、。最大量化誤差為最大量化誤差為，即，即18V最大量化誤差為最大量化誤差為1/2，即，即115V取取 81取取 152對雙極性模擬電壓的量化和編碼對雙極性模擬電壓的量化和編碼二進制二進制補碼的補碼的形式編形式編碼碼二、直接二、直接A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型0viVREF/15時，時，7個比較個比較器輸出全為器輸出全為0 0，CP 到來后，到來后，7個觸發(fā)器都置個觸發(fā)器都置0 0。經(jīng)。經(jīng)編碼器編碼后編碼器編碼后輸出的二進制輸出的二進制代碼為代碼為d2d1d0000。時，時，7個比較器個比較器中只有中只有C1輸出輸出為為1，CP到來到來后，只有觸發(fā)后，只有觸發(fā)器器FF1置置1，其，其余

14、觸發(fā)器仍為余觸發(fā)器仍為0。經(jīng)編碼器編碼經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進后輸出的二進制代碼為制代碼為d2d1d0=001。15315REFiREFVuV時，比較器中時，比較器中C1、C2輸出為輸出為1，CP到來后，觸到來后，觸發(fā)器發(fā)器FF1、FF2置置1，其余觸發(fā)，其余觸發(fā)器仍為器仍為0。經(jīng)編。經(jīng)編碼器編碼后輸碼器編碼后輸出的二進制代出的二進制代碼為碼為d2d1d0=011。155153REFiREFVuV反饋比較型反饋比較型 逐次比較型逐次比較型AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四個其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四個砝碼共重砝碼共重15克，每個重量分別為克，每個重量分別為8、4、

15、2、1克?？恕ＴO(shè)待秤重量設(shè)待秤重量Wx = 13克，可以用下表步驟來秤量：克，可以用下表步驟來秤量：砝碼重砝碼重第一次第一次第二次第二次第三次第三次第四次第四次加加4克克加加2克克加加1克克8 克克砝碼總重砝碼總重 待測重量待測重量Wx ，故保留，故保留砝碼總重仍砝碼總重仍 待測重量待測重量Wx ，故撤除，故撤除砝碼總重砝碼總重 待測重量待測重量Wx ，故保留，故保留暫時結(jié)果暫時結(jié)果8 克克12 克克12 克克13 克克 結(jié)結(jié) 論論 轉(zhuǎn)換開始前先將所有寄存器清零。開始轉(zhuǎn)換轉(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，使輸

16、出數(shù)字為出數(shù)字為1000。這個數(shù)碼被。這個數(shù)碼被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相轉(zhuǎn)換成相應的模擬電壓應的模擬電壓uo，送到比較器中，送到比較器中與與ui進行比較進行比較。若。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清除；清除；若若ui uo，說明數(shù)字還不夠大，應將這一位保留。，說明數(shù)字還不夠大，應將這一位保留。然后，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，并且經(jīng)過比較以后確定這個比較以后確定這個1是否應該保留。這樣逐位比較是否應該保留。這樣逐位比較下去，一直到最低位為止。比較完畢后，寄存器下去，一直到最低位為止。比較完畢后，寄存器中的狀

17、態(tài)就是所要求的數(shù)字量輸出。中的狀態(tài)就是所要求的數(shù)字量輸出。10001000D / Avi(待轉(zhuǎn)換的模擬電壓待轉(zhuǎn)換的模擬電壓)vovc控控制制邏邏輯輯數(shù)碼寄存器數(shù)碼寄存器移位寄存器移位寄存器時鐘時鐘清清 0、置數(shù)、置數(shù)清清 0、置數(shù)、置數(shù)CP、(移位命令移位命令)“1”狀態(tài)是否保留狀態(tài)是否保留控制端控制端原理框圖原理框圖 01000000轉(zhuǎn)換開始前轉(zhuǎn)換開始前:1110000000轉(zhuǎn)換控制信號轉(zhuǎn)換控制信號 變成高電平以后，轉(zhuǎn)換開始變成高電平以后，轉(zhuǎn)換開始。Lv第一個第一個CP:轉(zhuǎn)換控制信號轉(zhuǎn)換控制信號 變成高電平以后，轉(zhuǎn)換開始變成高電平以后，轉(zhuǎn)換開始。Lv第二個第二個CP:001000100000

18、00100轉(zhuǎn)換控制信號轉(zhuǎn)換控制信號 變成高電平以后，轉(zhuǎn)換開始變成高電平以后，轉(zhuǎn)換開始。Lv第三個第三個CP:00001000轉(zhuǎn)換控制信號轉(zhuǎn)換控制信號 變成高電平以后，轉(zhuǎn)換開始變成高電平以后，轉(zhuǎn)換開始。Lv第四個第四個CP:00010000Lv轉(zhuǎn)換控制信號轉(zhuǎn)換控制信號 變成高電平以后，轉(zhuǎn)換開始變成高電平以后，轉(zhuǎn)換開始。 第五個第五個CP:b、第二個第二個CP脈沖：脈沖： 置置1。若原來若原來 ，則，則 置置0。若原來若原來 ，則，則 置置1。移位積存器右移一位移位積存器右移一位 00100BF01CCvvAAFFc、第三個第三個CP： 置置1。若若 ，則，則 。若若 ，則，則 。移位寄存器右移一位移位寄存器右移一位 00010CF01CCvv10BBFF01CCvv10CCFFd、第四個第四個CP：若若 ，則，則 。若若 ，則，則 。移位寄存器右移一位移位寄存器右移一位 00001e