數(shù)字電路--第10章

1、第十章第十章 數(shù)數(shù)- -模和模模和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換第十章第十章 數(shù)數(shù)-模和模模和模-數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換概述概述應(yīng)用知識(shí)應(yīng)用知識(shí)第十章第十章 數(shù)數(shù)- -模和模模和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述 大多數(shù)物理量都可以轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)，它們必須經(jīng)大多數(shù)物理量都可以轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)，它們必須經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后才能送計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。同樣，計(jì)算機(jī)輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后才能送計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。同樣，計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)必須經(jīng)的數(shù)字信號(hào)必須經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后才能被某些類型的執(zhí)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后才能被某些類型的執(zhí)行機(jī)構(gòu)所接收。行機(jī)構(gòu)所接收。模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器是溝通模擬電路和數(shù)字電路模數(shù)轉(zhuǎn)換器

2、和數(shù)模轉(zhuǎn)換器是溝通模擬電路和數(shù)字電路的橋梁，是數(shù)字電子技術(shù)中的重要組成部分的橋梁，是數(shù)字電子技術(shù)中的重要組成部分第十章第十章 數(shù)數(shù)- -模和模模和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換第二節(jié)第二節(jié) D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器一、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)換器這是一個(gè)這是一個(gè)4位位D/A轉(zhuǎn)換器，圖上的轉(zhuǎn)換器，圖上的開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)Si是受數(shù)字位是受數(shù)字位di控制的，當(dāng)控制的，當(dāng)di=0時(shí)開(kāi)關(guān)接地，否時(shí)開(kāi)關(guān)接地，否則，開(kāi)關(guān)接則，開(kāi)關(guān)接VREF由于電路是線性由于電路是線性電路，所以可以電路，所以可以用疊加原理進(jìn)行用疊加原理進(jìn)行分析。分析。 數(shù)模轉(zhuǎn)換就是將離散的數(shù)字?jǐn)?shù)模轉(zhuǎn)換就是將離散的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為連續(xù)變化的模擬量，量轉(zhuǎn)換為

3、連續(xù)變化的模擬量，實(shí)現(xiàn)該功能的電路或器件稱為實(shí)現(xiàn)該功能的電路或器件稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，通常稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，通常稱為D/A轉(zhuǎn)換器或轉(zhuǎn)換器或DAC(Digital Analog Converter)。 DAC電路應(yīng)由以下幾部分構(gòu)電路應(yīng)由以下幾部分構(gòu)成：參考電壓源、求和運(yùn)算放成：參考電壓源、求和運(yùn)算放大器、權(quán)產(chǎn)生電阻網(wǎng)絡(luò)。大器、權(quán)產(chǎn)生電阻網(wǎng)絡(luò)。權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器、倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器、倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器、權(quán)電流型轉(zhuǎn)換器、權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器、權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器、權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器以及開(kāi)關(guān)樹(shù)型轉(zhuǎn)換器以及開(kāi)關(guān)樹(shù)型D/A轉(zhuǎn)換器等轉(zhuǎn)換器等。第十章第十章 數(shù)數(shù)- -模和模模和模- -數(shù)

4、轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換 iRVFo1 當(dāng)僅當(dāng)僅d0接有參考電壓，其余接地時(shí)，電路如圖。接有參考電壓，其余接地時(shí)，電路如圖。004032222/dVdVRRREFREF 第十章第十章 數(shù)數(shù)- -模和模模和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換0040312222/dVdVRRVREFREFo 1141222222/dVdVRRVREFREFo 224232222/dVdVRRVREFREFo133434222/dVdVRRVREFREFo )2222(2001122334ddddVVREFo noDV 442DVVREFonnREFoDVV2第十章第十章 數(shù)數(shù)- -模和模模和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換 如果增加數(shù)碼的位數(shù)，在權(quán)電阻

5、網(wǎng)絡(luò)如果增加數(shù)碼的位數(shù)，在權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的電路中轉(zhuǎn)換器的電路中的電阻數(shù)值差別就會(huì)加大，的電阻數(shù)值差別就會(huì)加大，IC制造工藝很難確保其精度。制造工藝很難確保其精度。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)換器這是一個(gè)這是一個(gè)4位位D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器，圖上的開(kāi)關(guān)圖上的開(kāi)關(guān)Si是受數(shù)字位是受數(shù)字位di控制的，當(dāng)控制的，當(dāng)di=0時(shí)開(kāi)關(guān)接時(shí)開(kāi)關(guān)接地，否則，開(kāi)地，否則，開(kāi)關(guān)接關(guān)接V第十章第十章 數(shù)數(shù)- -模和模模和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換 分別從分別從AA，BB，CC，DD端口端口向左看過(guò)去的向左看過(guò)去的等效電阻都是等效電阻都是 R，顯然，顯然DD端口的電壓為端口的電壓為VREF， CC端

6、端口的電壓為口的電壓為VREF/2， BB端口的電壓為端口的電壓為VREF/4， AA端口的電壓為端口的電壓為VREF/8。 運(yùn)放的反向輸入端是運(yùn)放的反向輸入端是“虛地虛地”的，所以不論開(kāi)關(guān)的，所以不論開(kāi)關(guān)Si合到那合到那一邊，轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)都可以等效為下面的電路。一邊，轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)都可以等效為下面的電路。第十章第十章 數(shù)數(shù)- -模和模模和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換440011223342)2222(2DVddddVVREFREFo 在分析電阻網(wǎng)絡(luò)在分析電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的時(shí)候，都把模擬開(kāi)關(guān)當(dāng)作理轉(zhuǎn)換器的時(shí)候，都把模擬開(kāi)關(guān)當(dāng)作理想開(kāi)關(guān)處理，其實(shí)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻會(huì)影響轉(zhuǎn)換精度。想開(kāi)關(guān)處理，其實(shí)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻會(huì)影響轉(zhuǎn)

7、換精度。RVIREF 012316842dIdIdIdIi 第十章第十章 數(shù)數(shù)- -模和模模和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換三、權(quán)電流型三、權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 這是一個(gè)這是一個(gè)4位位D/A轉(zhuǎn)換器，圖上的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器，圖上的開(kāi)關(guān)Si是受數(shù)字位是受數(shù)字位di控制的，控制的，當(dāng)當(dāng)di = 0時(shí)開(kāi)關(guān)接地，否則，開(kāi)關(guān)接運(yùn)放的反向輸入端。時(shí)開(kāi)關(guān)接地，否則，開(kāi)關(guān)接運(yùn)放的反向輸入端。每個(gè)恒流源電流的數(shù)值與輸入的二進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)位的每個(gè)恒流源電流的數(shù)值與輸入的二進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)位的“權(quán)權(quán)”成正比。成正比。第十章第十章 數(shù)數(shù)- -模和模模和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換 為了電流恒定，應(yīng)當(dāng)為了電流恒定，應(yīng)當(dāng)確保確保REi兩端的電壓恒定兩

8、端的電壓恒定.)2222(2)16842(0011223340123ddddRIRdIdIdIdIRiVFFFo顯然顯然:恒流源常采用圖示結(jié)構(gòu)恒流源常采用圖示結(jié)構(gòu)EiEEbeBiRVVVI 第十章第十章 數(shù)數(shù)- -模和模模和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換四、四、 DAC的主要技術(shù)指標(biāo)的主要技術(shù)指標(biāo) 分辨率用來(lái)表示分辨率用來(lái)表示DAC能夠分辨輸出最小電壓的能力。能夠分辨輸出最小電壓的能力。分辨分辨率也可用率也可用DAC輸出的最小電壓與輸出最大電壓之比表示。輸出的最小電壓與輸出最大電壓之比表示。輸出輸出最小電壓是指輸入數(shù)字量只有最低有效位為最小電壓是指輸入數(shù)字量只有最低有效位為1時(shí)的輸出電壓。輸時(shí)的輸出電壓

9、。輸出最大電壓是指輸入數(shù)字量各位全為出最大電壓是指輸入數(shù)字量各位全為1時(shí)的輸出電壓。時(shí)的輸出電壓。 DAC的位數(shù)越高，它的分辨率就越小。分辨率小說(shuō)明在相的位數(shù)越高，它的分辨率就越小。分辨率小說(shuō)明在相同條件下，輸出最小電壓小。同條件下，輸出最小電壓小。l l、分辨率、分辨率121n分辨率n為被轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)為被轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù) 分辨率可用分辨率可用DAC的位數(shù)表示。的位數(shù)表示。n位位DAC的輸出電壓能夠給的輸出電壓能夠給出出2n個(gè)不同的數(shù)量等級(jí)。當(dāng)然個(gè)不同的數(shù)量等級(jí)。當(dāng)然DAC的位數(shù)高，它的輸出電壓等的位數(shù)高，它的輸出電壓等級(jí)就多，每個(gè)電壓等級(jí)對(duì)應(yīng)的電壓值就越小。這從理論上講可級(jí)就多，

10、每個(gè)電壓等級(jí)對(duì)應(yīng)的電壓值就越小。這從理論上講可以表示以表示DAC的精度。的精度。（一）轉(zhuǎn)換精度（一）轉(zhuǎn)換精度第十章第十章 數(shù)數(shù)- -模和模模和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換2、轉(zhuǎn)換誤差轉(zhuǎn)換誤差 由于由于DAC的各環(huán)節(jié)不可避免地存在參數(shù)和性能方面的誤差，的各環(huán)節(jié)不可避免地存在參數(shù)和性能方面的誤差，使得使得DAC也不可避免地存在誤差。轉(zhuǎn)換誤差常用輸出電壓滿刻也不可避免地存在誤差。轉(zhuǎn)換誤差常用輸出電壓滿刻度度FSR的百分?jǐn)?shù)表示。的百分?jǐn)?shù)表示。 例如例如AD7520的線性誤差等于的線性誤差等于0.05%FSR，就是說(shuō)轉(zhuǎn)換誤差，就是說(shuō)轉(zhuǎn)換誤差等于滿刻度的萬(wàn)分之五。等于滿刻度的萬(wàn)分之五。 如果給出的轉(zhuǎn)換誤差等于如果

11、給出的轉(zhuǎn)換誤差等于1/2LSB，就是說(shuō)輸出電壓的絕對(duì)，就是說(shuō)輸出電壓的絕對(duì)誤差小于或等于輸入只有最低有效位為誤差小于或等于輸入只有最低有效位為1時(shí)的輸出模擬電壓的時(shí)的輸出模擬電壓的一半。一半。 有的也用最低有效位的倍數(shù)來(lái)表示。有的也用最低有效位的倍數(shù)來(lái)表示。第十章第十章 數(shù)數(shù)- -模和模模和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換 (1) 比例系數(shù)誤差比例系數(shù)誤差：VREF波動(dòng)引起的誤差。波動(dòng)引起的誤差。 DAC產(chǎn)生誤差的主要原因有參考電壓產(chǎn)生誤差的主要原因有參考電壓VREF的波動(dòng)，運(yùn)算放的波動(dòng)，運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移，電阻網(wǎng)絡(luò)中電阻的阻值偏差，模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)大器的零點(diǎn)漂移，電阻網(wǎng)絡(luò)中電阻的阻值偏差，模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電

12、阻和導(dǎo)通電壓的變化等。通電阻和導(dǎo)通電壓的變化等。 (2) 漂移誤差漂移誤差：由運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移引起的。：由運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移引起的。 (3) 非線性誤差非線性誤差： (a) 由于模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通電壓不等于由于模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通電壓不等于0，而且每，而且每個(gè)模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻和電壓也不等，模擬開(kāi)關(guān)接個(gè)模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻和電壓也不等，模擬開(kāi)關(guān)接VREF和接地和接地時(shí)的壓降也不一定相等。這些原因使得誤差電壓不僅不是常數(shù)，時(shí)的壓降也不一定相等。這些原因使得誤差電壓不僅不是常數(shù)，而且又不與輸入數(shù)字量成正比。這種性質(zhì)的誤差叫做非線性誤而且又不與輸入數(shù)字量成正比。這種性質(zhì)的誤差叫做非線性

13、誤差。差。 (b) 電阻網(wǎng)絡(luò)中的電阻值存在偏差。每個(gè)支路的阻值偏差也電阻網(wǎng)絡(luò)中的電阻值存在偏差。每個(gè)支路的阻值偏差也不同。不同支路上的電阻阻值偏差對(duì)輸出電壓的影響也不同。不同。不同支路上的電阻阻值偏差對(duì)輸出電壓的影響也不同。這也使得誤差電壓與輸入數(shù)字量之間不存在線性關(guān)系。這也使得誤差電壓與輸入數(shù)字量之間不存在線性關(guān)系。第十章第十章 數(shù)數(shù)- -模和模模和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換 一些產(chǎn)品通常規(guī)定為輸入由全一些產(chǎn)品通常規(guī)定為輸入由全0變?yōu)槿優(yōu)槿?(或由全或由全1變?yōu)槿優(yōu)槿?)起，到輸出穩(wěn)定電壓的一段時(shí)間。建立時(shí)間短，說(shuō)明該起，到輸出穩(wěn)定電壓的一段時(shí)間。建立時(shí)間短，說(shuō)明該DAC的的轉(zhuǎn)換速度快。轉(zhuǎn)換速

14、度快。 通常，不包含參考電壓電源和運(yùn)算放大器的通常，不包含參考電壓電源和運(yùn)算放大器的DAC，建立時(shí)，建立時(shí)間最短可在間最短可在0.l微秒以內(nèi)。而包含參考電壓電源和運(yùn)算放大器的微秒以內(nèi)。而包含參考電壓電源和運(yùn)算放大器的DAC，建立時(shí)間最短的可達(dá)，建立時(shí)間最短的可達(dá)1.5微秒微秒。 建立時(shí)間建立時(shí)間t tsetset DAC的指標(biāo)不止這些。在使用的指標(biāo)不止這些。在使用DAC時(shí)還必須查手冊(cè)，了時(shí)還必須查手冊(cè)，了解其他參數(shù)。解其他參數(shù)。 （ 二）轉(zhuǎn)換速度二）轉(zhuǎn)換速度 從輸入數(shù)字量發(fā)生突變開(kāi)始，直到輸出電壓進(jìn)入與穩(wěn)態(tài)值從輸入數(shù)字量發(fā)生突變開(kāi)始，直到輸出電壓進(jìn)入與穩(wěn)態(tài)值相差相差1/2LSB范圍以內(nèi)的這段時(shí)

15、間。范圍以內(nèi)的這段時(shí)間。第十章第十章 數(shù)數(shù)- -模和模模和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換 第三節(jié)第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器一、模數(shù)轉(zhuǎn)換的基本過(guò)程一、模數(shù)轉(zhuǎn)換的基本過(guò)程 模擬信號(hào)是一種幅度上及時(shí)間上都是連續(xù)的信號(hào)，而數(shù)字模擬信號(hào)是一種幅度上及時(shí)間上都是連續(xù)的信號(hào)，而數(shù)字信號(hào)是一種幅度及時(shí)間上皆離散的信號(hào)，要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為信號(hào)是一種幅度及時(shí)間上皆離散的信號(hào)，要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字就需要完成這兩個(gè)方面的轉(zhuǎn)換。數(shù)字就需要完成這兩個(gè)方面的轉(zhuǎn)換。 首先是將時(shí)間上進(jìn)行離散化處理，完成這一步是通過(guò)取樣首先是將時(shí)間上進(jìn)行離散化處理，完成這一步是通過(guò)取樣來(lái)實(shí)現(xiàn)的。來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 另一步幅度離散是通過(guò)量化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。另一步幅度離

16、散是通過(guò)量化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換實(shí)際的過(guò)程分為：實(shí)際的過(guò)程分為： 取樣、保持、量化、編碼四個(gè)過(guò)程。取樣、保持、量化、編碼四個(gè)過(guò)程。第十章第十章 數(shù)數(shù)- -模和模模和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換取樣（取樣（Sample） 取樣就是將一個(gè)時(shí)間上連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)間上離散取樣就是將一個(gè)時(shí)間上連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)間上離散變化的信號(hào)。具體說(shuō)就是將隨時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)轉(zhuǎn)換為一串變化的信號(hào)。具體說(shuō)就是將隨時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)轉(zhuǎn)換為一串脈沖，這個(gè)脈沖是等距離的，并且其幅度取決于輸入的模擬量。脈沖，這個(gè)脈沖是等距離的，并且其幅度取決于輸入的模擬量。如如下圖下圖所示所示: 在圖中，如果取樣頻率較低時(shí)其輸出的波形

17、將不能嚴(yán)格保在圖中，如果取樣頻率較低時(shí)其輸出的波形將不能嚴(yán)格保留輸入信號(hào)的信息，如果取樣頻率較高時(shí)，其轉(zhuǎn)換的輸出與輸留輸入信號(hào)的信息，如果取樣頻率較高時(shí)，其轉(zhuǎn)換的輸出與輸入波形形狀能做到較好的一致入波形形狀能做到較好的一致。第十章第十章 數(shù)數(shù)- -模和模模和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換 在圖中，如果取樣頻率較低時(shí)其輸出的波形將不能嚴(yán)格保在圖中，如果取樣頻率較低時(shí)其輸出的波形將不能嚴(yán)格保留輸入信號(hào)的信息，如果取樣頻率較高時(shí)，其轉(zhuǎn)換的輸出與輸留輸入信號(hào)的信息，如果取樣頻率較高時(shí)，其轉(zhuǎn)換的輸出與輸入波形形狀能做到較好的一致入波形形狀能做到較好的一致。 這頻率的選擇原則根據(jù)一個(gè)著名的定理，即這頻率的選擇原則根

18、據(jù)一個(gè)著名的定理，即取樣定理取樣定理。取樣定理描述了欲將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成離散信號(hào)，并且從離散取樣定理描述了欲將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成離散信號(hào)，并且從離散信號(hào)中可以恢復(fù)出其原始信號(hào)所需要的最低取樣頻率。如果信號(hào)中可以恢復(fù)出其原始信號(hào)所需要的最低取樣頻率。如果原始信號(hào)的最高頻率為原始信號(hào)的最高頻率為FH，則取樣頻率，則取樣頻率fs應(yīng)遵循下面的公式：應(yīng)遵循下面的公式： 上面公式給定了最低的取樣頻率，實(shí)際使用的頻率一般上面公式給定了最低的取樣頻率，實(shí)際使用的頻率一般為原始信號(hào)最高頻率的為原始信號(hào)最高頻率的35倍左右。倍左右。 那么取樣的頻率如何確定呢？那么取樣的頻率如何確定呢？fs2FH第十章第十章 數(shù)數(shù)- -

19、模和模模和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換 常見(jiàn)的幾種取樣情況的基帶信號(hào)（即原始信號(hào)）頻率和取常見(jiàn)的幾種取樣情況的基帶信號(hào)（即原始信號(hào)）頻率和取樣頻率的對(duì)照表：樣頻率的對(duì)照表：第十章第十章 數(shù)數(shù)- -模和模模和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換保持（保持（Hold）為了將采樣后的輸出信為了將采樣后的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，需號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，需要一定的時(shí)間對(duì)采樣值要一定的時(shí)間對(duì)采樣值進(jìn)行量化和編碼，在這進(jìn)行量化和編碼，在這段時(shí)間內(nèi)，采樣值應(yīng)保段時(shí)間內(nèi)，采樣值應(yīng)保持穩(wěn)定不變，持穩(wěn)定不變，這樣才這樣才可可以以穩(wěn)定地進(jìn)行量化編碼穩(wěn)定地進(jìn)行量化編碼。因此，采樣后的輸出信因此，采樣后的輸出信號(hào)必須通過(guò)保持電路保號(hào)必須通過(guò)保持電路

20、保持一段時(shí)間。持一段時(shí)間。典型的取樣保持電路原理圖典型的取樣保持電路原理圖 保持電路實(shí)際上保持電路實(shí)際上是使用了電容的存儲(chǔ)是使用了電容的存儲(chǔ)特性，實(shí)際使用時(shí)取特性，實(shí)際使用時(shí)取樣與保持兩個(gè)是合二樣與保持兩個(gè)是合二為一的。為一的。 當(dāng)當(dāng)vL為高電平時(shí)，為高電平時(shí)，T導(dǎo)通。輸入經(jīng)導(dǎo)通。輸入經(jīng)R1和和T向電容向電容CH充電；若取充電；若取R1= RF，充電結(jié)束后充電結(jié)束后vo= vC= - vi -采樣采樣。 當(dāng)當(dāng)vL為低電平時(shí)，為低電平時(shí)，T截止。截止。-保持保持第十章第十章 數(shù)數(shù)- -模和模模和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換量化和編碼量化和編碼 取樣保持后的信號(hào)仍然是一個(gè)時(shí)間上離散的模擬量，它取樣保持后的

21、信號(hào)仍然是一個(gè)時(shí)間上離散的模擬量，它的取樣信號(hào)取值是任意的，而數(shù)字信號(hào)的取值是有限的或離散的取樣信號(hào)取值是任意的，而數(shù)字信號(hào)的取值是有限的或離散的，如用四位二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示，其只有的，如用四位二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示，其只有00001111共十六種狀共十六種狀態(tài)，因此要實(shí)現(xiàn)幅度數(shù)字化就是用具體的數(shù)字量來(lái)態(tài)，因此要實(shí)現(xiàn)幅度數(shù)字化就是用具體的數(shù)字量來(lái)近似近似表示對(duì)表示對(duì)應(yīng)的模擬值，這個(gè)過(guò)程就是量化。應(yīng)的模擬值，這個(gè)過(guò)程就是量化。 在進(jìn)行在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，必須把取樣電壓表示為某個(gè)規(guī)定的最轉(zhuǎn)換時(shí)，必須把取樣電壓表示為某個(gè)規(guī)定的最小數(shù)量單位的整數(shù)倍，這個(gè)過(guò)程是量化。小數(shù)量單位的整數(shù)倍，這個(gè)過(guò)程是量化。 量化過(guò)程中

22、所取最小數(shù)量單位稱為量化單位，用量化過(guò)程中所取最小數(shù)量單位稱為量化單位，用表示。表示。 在量化過(guò)程中，由于取樣電壓不一定能被在量化過(guò)程中，由于取樣電壓不一定能被整除，所以量整除，所以量化前后不可避免地存在誤差，即量化誤差。化前后不可避免地存在誤差，即量化誤差。 在數(shù)字電路的量化中采用一種在數(shù)字電路的量化中采用一種“只舍不入只舍不入”的量化規(guī)則，的量化規(guī)則，或采用或采用“四舍五入四舍五入”的舍入規(guī)則，如圖所示。的舍入規(guī)則，如圖所示。第十章第十章 數(shù)數(shù)- -模和模模和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換例：把例：把01V模擬電壓轉(zhuǎn)換成模擬電壓轉(zhuǎn)換成3位二進(jìn)制代碼。位二進(jìn)制代碼。第十章第十章 數(shù)數(shù)- -模和模模和模

23、- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換 量化的方法不同其輸出的格式也不同，即輸出編碼的形式不量化的方法不同其輸出的格式也不同，即輸出編碼的形式不同，這就需要進(jìn)一步編碼。即編碼就是將量化的結(jié)果轉(zhuǎn)換為需同，這就需要進(jìn)一步編碼。即編碼就是將量化的結(jié)果轉(zhuǎn)換為需要的要的代代碼形式。碼形式。二、模數(shù)轉(zhuǎn)換的幾種方法二、模數(shù)轉(zhuǎn)換的幾種方法 模數(shù)轉(zhuǎn)換的方法很多，其在轉(zhuǎn)換速度、轉(zhuǎn)換精度、抗干模數(shù)轉(zhuǎn)換的方法很多，其在轉(zhuǎn)換速度、轉(zhuǎn)換精度、抗干擾能力方面各有特色。擾能力方面各有特色。直接直接A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換間接間接A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型反饋比較型反饋比較型V-T型型V-F型型第十章第十章 數(shù)數(shù)- -模和模模和模-

24、-數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換 1、并聯(lián)比較型、并聯(lián)比較型ADC 各比較器的輸出送到各比較器的輸出送到D觸發(fā)器組成的緩沖存儲(chǔ)器中，以觸發(fā)器組成的緩沖存儲(chǔ)器中，以避免由于各比較器響應(yīng)速度的差異而造成的邏輯誤差。避免由于各比較器響應(yīng)速度的差異而造成的邏輯誤差。（一）直接型（一）直接型A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型ADC，它通過(guò)電阻分壓方式形成的各種比較，它通過(guò)電阻分壓方式形成的各種比較電平作為刻度。電平作為刻度。 輸入的模擬信號(hào)經(jīng)采樣保持后的信號(hào)與這刻度進(jìn)行比輸入的模擬信號(hào)經(jīng)采樣保持后的信號(hào)與這刻度進(jìn)行比較。當(dāng)高于比較器的比較電平時(shí)，該比較器輸出高電平，反較。當(dāng)高于比較器的比較電平時(shí)，該比較器輸出高電平，反

25、之為低電平。之為低電平。 緩沖器的輸出送到優(yōu)先編碼器，經(jīng)過(guò)編碼器將其輸出的緩沖器的輸出送到優(yōu)先編碼器，經(jīng)過(guò)編碼器將其輸出的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為三位二進(jìn)制信號(hào)。狀態(tài)轉(zhuǎn)換為三位二進(jìn)制信號(hào)。第十章第十章 數(shù)數(shù)- -模和模模和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換 輸入的模擬信號(hào)經(jīng)采樣保持后的信號(hào)與這刻度進(jìn)行比輸入的模擬信號(hào)經(jīng)采樣保持后的信號(hào)與這刻度進(jìn)行比較。當(dāng)高于比較器的比較電平時(shí)，該比較器輸出高電平，反較。當(dāng)高于比較器的比較電平時(shí)，該比較器輸出高電平，反之為低電平。之為低電平。 各比較器的輸出送到各比較器的輸出送到D觸發(fā)器組成的緩沖存儲(chǔ)器中，以觸發(fā)器組成的緩沖存儲(chǔ)器中，以避免由于各比較器響應(yīng)速度的差異而造成的邏輯誤差。避免由

26、于各比較器響應(yīng)速度的差異而造成的邏輯誤差。 緩沖器的輸出送到優(yōu)先編碼器，經(jīng)過(guò)編碼器將其輸出的緩沖器的輸出送到優(yōu)先編碼器，經(jīng)過(guò)編碼器將其輸出的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為三位二進(jìn)制信號(hào)。狀態(tài)轉(zhuǎn)換為三位二進(jìn)制信號(hào)。 并行比較型并行比較型ADC，它通過(guò)電阻分壓方式形成的各種比較，它通過(guò)電阻分壓方式形成的各種比較電平作為刻度。電平作為刻度。第十章第十章 數(shù)數(shù)- -模和模模和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換第十章第十章 數(shù)數(shù)- -模和模模和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換 并行比較型并行比較型ADC的精度取決于：的精度取決于： (1) 量化電平的劃分；劃分越細(xì)（量化電平的劃分；劃分越細(xì)（越?。仍礁?，越?。?，精度越高，比較器和觸發(fā)器的數(shù)目越

27、多。比較器和觸發(fā)器的數(shù)目越多。 從圖上可以看出，當(dāng)輸出位數(shù)增加一位，其比較器的個(gè)從圖上可以看出，當(dāng)輸出位數(shù)增加一位，其比較器的個(gè)數(shù)增加一倍，由于比較器屬于模擬電路，其集成度不是很高，數(shù)增加一倍，由于比較器屬于模擬電路，其集成度不是很高，給制造帶來(lái)不便，價(jià)格較高，一般較少使用。但這種轉(zhuǎn)換電路給制造帶來(lái)不便，價(jià)格較高，一般較少使用。但這種轉(zhuǎn)換電路的最大優(yōu)點(diǎn)是速度快，這是其它轉(zhuǎn)換電路無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，故在速的最大優(yōu)點(diǎn)是速度快，這是其它轉(zhuǎn)換電路無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，故在速度較高的場(chǎng)合，如視頻信號(hào)的度較高的場(chǎng)合，如視頻信號(hào)的ADC等常有使用。等常有使用。 (2) 參考電壓的穩(wěn)定度。參考電壓的穩(wěn)定度。 (3) 分壓電阻的

28、精度和比較器的靈敏度。分壓電阻的精度和比較器的靈敏度。 另外另外，含寄存器的，含寄存器的A/D轉(zhuǎn)換電路可以不用附加取樣轉(zhuǎn)換電路可以不用附加取樣保持保持電路。電路。第十章第十章 數(shù)數(shù)- -模和模模和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換2、反饋比較型、反饋比較型ADC 反饋比較方法的基本思想是，每次取一個(gè)數(shù)字量加到反饋比較方法的基本思想是，每次取一個(gè)數(shù)字量加到DAC，經(jīng)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換便得到了一個(gè)模擬電壓。用這個(gè)模擬電轉(zhuǎn)換便得到了一個(gè)模擬電壓。用這個(gè)模擬電壓和被轉(zhuǎn)換的輸入模擬電壓去比較，如果不相等，調(diào)整所壓和被轉(zhuǎn)換的輸入模擬電壓去比較，如果不相等，調(diào)整所取的數(shù)字量，直至兩個(gè)模擬電壓相等為止。取的數(shù)字量，直至兩個(gè)模擬

29、電壓相等為止。 反饋比較的方法是采用器件少的設(shè)計(jì)方案。反饋比較的方法是采用器件少的設(shè)計(jì)方案。 針對(duì)這兩種方法實(shí)現(xiàn)反饋比較有針對(duì)這兩種方法實(shí)現(xiàn)反饋比較有計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)和和逐次逐次逼近兩種方式。逼近兩種方式。 反饋比較方法和用天秤稱重物的過(guò)程相似。用天秤稱重反饋比較方法和用天秤稱重物的過(guò)程相似。用天秤稱重物有兩種方法。物有兩種方法。 (1) 計(jì)數(shù)型計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 每次加一個(gè)每次加一個(gè)等值等值的砝碼，直到砝碼和重物相等為止。每的砝碼，直到砝碼和重物相等為止。每次加一個(gè)砝碼的做法實(shí)質(zhì)是在做加法計(jì)數(shù)。次加一個(gè)砝碼的做法實(shí)質(zhì)是在做加法計(jì)數(shù)。第十章第十章 數(shù)數(shù)- -模和模模和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換下圖是下

30、圖是計(jì)數(shù)型計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器的原理框圖：的原理框圖：轉(zhuǎn)換控制信號(hào)轉(zhuǎn)換控制信號(hào)首先，計(jì)數(shù)器置零，且首先，計(jì)數(shù)器置零，且vL=0，使門，使門G封鎖，封鎖，vo=0 之后之后vL = 1 ，計(jì)數(shù)器開(kāi)始加法計(jì)數(shù)，當(dāng)，計(jì)數(shù)器開(kāi)始加法計(jì)數(shù)，當(dāng)vo vi時(shí)，時(shí)，vB = 1僅當(dāng)僅當(dāng)vi = vo時(shí)，時(shí)，vB = 0，使門，使門G封鎖，此時(shí)計(jì)數(shù)器停止工作。封鎖，此時(shí)計(jì)數(shù)器停止工作。此時(shí)計(jì)數(shù)器所存儲(chǔ)的數(shù)字就是所求的輸出數(shù)字信號(hào)。此時(shí)計(jì)數(shù)器所存儲(chǔ)的數(shù)字就是所求的輸出數(shù)字信號(hào)。 當(dāng)轉(zhuǎn)換完成時(shí)，用當(dāng)轉(zhuǎn)換完成時(shí)，用vL的下降沿將計(jì)數(shù)器的數(shù)字信號(hào)輸?shù)南陆笛貙⒂?jì)數(shù)器的數(shù)字信號(hào)輸入寄存器中。入寄存器中。第十章第十章 數(shù)

31、數(shù)- -模和模模和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換 這種方法的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換時(shí)間太長(zhǎng)。當(dāng)輸出為這種方法的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換時(shí)間太長(zhǎng)。當(dāng)輸出為n位二進(jìn)制時(shí)，位二進(jìn)制時(shí)，最長(zhǎng)時(shí)間為：最長(zhǎng)時(shí)間為：2 n -1個(gè)時(shí)鐘周期。個(gè)時(shí)鐘周期。 首先，計(jì)數(shù)器置零，且首先，計(jì)數(shù)器置零，且vL= 0，使門，使門G封鎖，封鎖，vo = 0 之后之后vL = 1 ，計(jì)數(shù)器開(kāi)始加法計(jì)數(shù)，當(dāng)，計(jì)數(shù)器開(kāi)始加法計(jì)數(shù)，當(dāng)vo vo時(shí)，時(shí)，數(shù)字不夠大，數(shù)字不夠大，“1” 保留，保留，vi vo時(shí)，數(shù)字過(guò)大，時(shí)，數(shù)字過(guò)大，“1”去掉，置為去掉，置為零。零。然后將寄存器的次高位置然后將寄存器的次高位置1,這樣這樣逐次比較下去逐次比較下去直到最低位為止。直到最

32、低位為止。此時(shí)寄存器所存儲(chǔ)的數(shù)字就是所求的輸出數(shù)字信號(hào)。此時(shí)寄存器所存儲(chǔ)的數(shù)字就是所求的輸出數(shù)字信號(hào)。第十章第十章 數(shù)數(shù)- -模和模模和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換3位逐次比較位逐次比較型型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器的原理圖：的原理圖：FA、FB和和FC組成組成三位數(shù)碼寄存器三位數(shù)碼寄存器門門G1G9組成邏輯組成邏輯控制電路控制電路FF1FF5組成組成5位位環(huán)形計(jì)數(shù)器環(huán)形計(jì)數(shù)器第十章第十章 數(shù)數(shù)- -模和模模和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換初始條件：初始條件：QaQbQc = 000 Q1Q2Q3Q4Q5=100001、常態(tài)：時(shí)鐘運(yùn)行，、常態(tài)：時(shí)鐘運(yùn)行，VL=02、啟動(dòng)：、啟動(dòng)：VL = 1，轉(zhuǎn)換開(kāi)始，轉(zhuǎn)換開(kāi)始3、第、

33、第1個(gè)個(gè)CP脈沖：脈沖：QaQbQc = 100 Q1Q2Q3Q4Q5 = 01000 當(dāng)當(dāng)vi vo時(shí)，時(shí)，vB = 0；4、第、第2個(gè)個(gè)CP脈沖：脈沖：QaQbQc = 110 或或 010 ，記記為為Qa10 Q1Q2Q3Q4Q5 = 001005、第、第3個(gè)個(gè)CP脈沖：脈沖：QaQbQc = Qa11或或Qa01，記為記為QaQb1 Q1Q2Q3Q4Q5 = 000106、第、第4個(gè)個(gè)CP脈沖：脈沖：QaQbQc = QaQb1 或或 QaQb0，記為記為QaQbQc Q1Q2Q3Q4Q5 = 00001 輸出輸出 = QaQbQc7、第、第5個(gè)個(gè)CP脈沖：脈沖：QaQbQc = 00

34、0 Q1Q2Q3Q4Q5 = 10000第十章第十章 數(shù)數(shù)- -模和模模和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換1、雙積分型、雙積分型ADC 雙積分型雙積分型ADC電路與上面的幾種方法是不相同的，雙積分電路與上面的幾種方法是不相同的，雙積分式是一種間接轉(zhuǎn)換的方法。式是一種間接轉(zhuǎn)換的方法。常態(tài)：常態(tài)：VL = 0，先將計(jì)數(shù)器清零；接通，先將計(jì)數(shù)器清零；接通S0；使電容使電容C完全充電完全充電啟動(dòng)：?jiǎn)?dòng)：VL = 1轉(zhuǎn)換分兩個(gè)積分過(guò)程：轉(zhuǎn)換分兩個(gè)積分過(guò)程： (1) 對(duì)輸入信號(hào)對(duì)輸入信號(hào)VI的積分的積分 S0斷；斷；S1接接VI；進(jìn)行固定；進(jìn)行固定時(shí)間時(shí)間T1的積分。的積分。ITIoVRCTtRCVCV10d11 (

35、2) 對(duì)參考電壓對(duì)參考電壓 -VREF 的積分的積分 S0斷；斷；S1接接 -VREF；進(jìn)行反向；進(jìn)行反向積分，直到積分器輸出積分，直到積分器輸出Vo = 0為為止，經(jīng)歷的時(shí)間為止，經(jīng)歷的時(shí)間為T2。0d1102 ITREFoVRCTtRCVCVIREFVRCTVRCT12 得：得：12TVVTREFI 因?yàn)橐驗(yàn)門1，VREF為常數(shù)，所以為常數(shù)，所以T2與與VI成正比。因此，計(jì)數(shù)器成正比。因此，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值與的計(jì)數(shù)值與VI成正比成正比 （二）間接型（二）間接型A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換第十章第十章 數(shù)數(shù)- -模和模模和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換下圖為雙積分式的結(jié)構(gòu)框圖：下圖為雙積分式的結(jié)構(gòu)框圖：加電以后，時(shí)鐘

36、就開(kāi)始工作。加電以后，時(shí)鐘就開(kāi)始工作。 S0斷；斷；S1接接VI；進(jìn)行固定；進(jìn)行固定時(shí)間時(shí)間T1的積分。的積分。 S0斷；斷；S1接接 -VREF；進(jìn)行反向；進(jìn)行反向積分，直到積分器輸出積分，直到積分器輸出Vo = 0為為止，經(jīng)歷的時(shí)間為止，經(jīng)歷的時(shí)間為T2。常態(tài)：常態(tài)：VL = 0，先將計(jì)數(shù)器清零；接通，先將計(jì)數(shù)器清零；接通S0；使電容使電容C完全充電完全充電第十章第十章 數(shù)數(shù)- -模和模模和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換右圖是右圖是雙積分雙積分型型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器的電壓的電壓波形圖波形圖從電壓從電壓波形圖波形圖上可以上可以直觀地直觀地看到前看到前面結(jié)論面結(jié)論的正確的正確性。性。第十章第十章 數(shù)數(shù)-

37、 -模和模模和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換 由于由于 D 只與只與N，VREF，VI有關(guān)，與電路的其它參數(shù)無(wú)關(guān)，有關(guān)，與電路的其它參數(shù)無(wú)關(guān)，所以電路工作穩(wěn)定。所以電路工作穩(wěn)定。 結(jié)論：結(jié)論：1、CP脈沖的頻率穩(wěn)定性不影響轉(zhuǎn)換精度；脈沖的頻率穩(wěn)定性不影響轉(zhuǎn)換精度； 2、電、電路中的電阻和電容值穩(wěn)定性不影響轉(zhuǎn)換精度；路中的電阻和電容值穩(wěn)定性不影響轉(zhuǎn)換精度；3、電路要求、電路要求VREF必須穩(wěn)定。必須穩(wěn)定。 雙積分型雙積分型ADC具有很強(qiáng)的抗干擾能力，因?yàn)榉e分器可以將具有很強(qiáng)的抗干擾能力，因?yàn)榉e分器可以將平均值為零的噪聲干擾去掉平均值為零的噪聲干擾去掉. 雙積分型雙積分型ADC轉(zhuǎn)換速度很低，一般每秒轉(zhuǎn)換速度

38、很低，一般每秒10次左右。次左右。 設(shè)：時(shí)鐘周期為設(shè)：時(shí)鐘周期為Tc（fc = 1/Tc） 計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值：計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值： D = T2/Tc = (T1/Tc)(VI/VREF) 若若取取T1為為Tc的整數(shù)倍，即的整數(shù)倍，即T1 = N Tc，則上式可以化成：，則上式可以化成： D =（N/VREF）VI 其實(shí)，其實(shí)，T1為為Tc的整數(shù)倍很容易實(shí)現(xiàn)（用計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的整數(shù)倍很容易實(shí)現(xiàn)（用計(jì)數(shù)器產(chǎn)生T1）。）。第十章第十章 數(shù)數(shù)- -模和模模和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換第十章第十章 數(shù)數(shù)- -模和模模和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換 轉(zhuǎn)換控制信號(hào)轉(zhuǎn)換控制信號(hào)VL = 0時(shí)，時(shí)，N位計(jì)數(shù)器和位計(jì)數(shù)器和FFA被清零

39、，被清零，S0接通。接通。 轉(zhuǎn)換控制信號(hào)轉(zhuǎn)換控制信號(hào)VL = 1時(shí)，時(shí)，N位計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，同時(shí)積分器位計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，同時(shí)積分器開(kāi)始對(duì)開(kāi)始對(duì)VI積分，當(dāng)計(jì)數(shù)器回到積分，當(dāng)計(jì)數(shù)器回到“0”狀態(tài)時(shí)，狀態(tài)時(shí)，S1轉(zhuǎn)換，積分器開(kāi)轉(zhuǎn)換，積分器開(kāi)始對(duì)始對(duì)-VREF積分。積分。 當(dāng)積分器的輸出為零時(shí)，門當(dāng)積分器的輸出為零時(shí)，門G被封鎖，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，被封鎖，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，這時(shí)計(jì)數(shù)器中的數(shù)值與輸入信號(hào)相對(duì)應(yīng)。這時(shí)計(jì)數(shù)器中的數(shù)值與輸入信號(hào)相對(duì)應(yīng)。 VL = 0，電路復(fù)位，等待下次啟動(dòng)。，電路復(fù)位，等待下次啟動(dòng)。第十章第十章 數(shù)數(shù)- -模和模模和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換三、模數(shù)轉(zhuǎn)換的主要技術(shù)指標(biāo)三、模數(shù)轉(zhuǎn)換的主

40、要技術(shù)指標(biāo) 1、分辨率、分辨率 表征表征ADC對(duì)輸入信號(hào)分辨能力的參數(shù)。常用二進(jìn)制或十對(duì)輸入信號(hào)分辨能力的參數(shù)。常用二進(jìn)制或十進(jìn)制數(shù)的位數(shù)來(lái)表示，進(jìn)制數(shù)的位數(shù)來(lái)表示，n位位ADC能夠分辨輸入電壓的最小差能夠分辨輸入電壓的最小差異為異為 2、轉(zhuǎn)換誤差、轉(zhuǎn)換誤差 量化必然引起誤差，轉(zhuǎn)換誤差通常用相對(duì)誤差表示。它量化必然引起誤差，轉(zhuǎn)換誤差通常用相對(duì)誤差表示。它表示表示ADC實(shí)際輸出的數(shù)字量和理想數(shù)字量之間的差別。例如，實(shí)際輸出的數(shù)字量和理想數(shù)字量之間的差別。例如，相對(duì)誤差相對(duì)誤差=1/2 LSB就表明了就表明了ADC實(shí)際輸出的數(shù)字量與理想實(shí)際輸出的數(shù)字量與理想的數(shù)字量之差不大于的數(shù)字量之差不大于AD

41、C最低有效位為最低有效位為 1 的一半。的一半。 分辨率和轉(zhuǎn)換誤差一起反映了分辨率和轉(zhuǎn)換誤差一起反映了ADC的精度。的精度。ADC的位數(shù)的位數(shù)多，相對(duì)誤差小，當(dāng)然它的轉(zhuǎn)換精度就高。多，相對(duì)誤差小，當(dāng)然它的轉(zhuǎn)換精度就高。 如：如：10位位A/D，最大輸入電壓為，最大輸入電壓為5V，則能夠分辨輸入電，則能夠分辨輸入電壓的最小差異為：壓的最小差異為：5/210 = 4.88mVnFSR 2第十章第十章 數(shù)數(shù)- -模和模模和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換 3、轉(zhuǎn)換速度、轉(zhuǎn)換速度 轉(zhuǎn)換速度常用完成一次轉(zhuǎn)換所需時(shí)間來(lái)表示。轉(zhuǎn)換時(shí)間是轉(zhuǎn)換速度常用完成一次轉(zhuǎn)換所需時(shí)間來(lái)表示。轉(zhuǎn)換時(shí)間是指指ADC接受到模擬信號(hào)到有穩(wěn)定的

42、數(shù)字量輸出的一段時(shí)間。接受到模擬信號(hào)到有穩(wěn)定的數(shù)字量輸出的一段時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間短，說(shuō)明轉(zhuǎn)換速度快。轉(zhuǎn)換時(shí)間短，說(shuō)明轉(zhuǎn)換速度快。 ADC的指標(biāo)不止這些。在使用的指標(biāo)不止這些。在使用ADC時(shí)還必須查手冊(cè)，了時(shí)還必須查手冊(cè)，了解其他參數(shù)。解其他參數(shù)。第十章第十章 數(shù)數(shù)- -模和模模和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換 第四第四節(jié)節(jié) 應(yīng)用知識(shí)應(yīng)用知識(shí)一、選擇一、選擇A/D與與D/A轉(zhuǎn)換器常識(shí)轉(zhuǎn)換器常識(shí) 選擇轉(zhuǎn)換器應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的要求，從以下選擇轉(zhuǎn)換器應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的要求，從以下六個(gè)方面六個(gè)方面來(lái)考慮：來(lái)考慮： 1、輸入、輸入/輸出輸出 從輸入從輸入/輸出方面應(yīng)考慮：輸出方面應(yīng)考慮： (1) 輸入信號(hào)范圍，滿刻度值及極性；輸入

43、信號(hào)范圍，滿刻度值及極性； (2) 數(shù)字碼：自然二進(jìn)制碼，數(shù)字碼：自然二進(jìn)制碼，2的補(bǔ)碼和的補(bǔ)碼和BCD碼等；碼等； (3) 輸入和輸出阻抗，信號(hào)源內(nèi)阻和負(fù)載要求；輸入和輸出阻抗，信號(hào)源內(nèi)阻和負(fù)載要求； (4) 邏輯電平的兼容性：輸入邏輯電平的兼容性：輸入/輸出是輸出是TTL電平，還是電平，還是CMOS電平，二者是否兼容，同時(shí)還要注意電平的極性；電平，二者是否兼容，同時(shí)還要注意電平的極性； (5) 輸出信號(hào)（輸出信號(hào)（DAC）：電流或電壓。）：電流或電壓。第十章第十章 數(shù)數(shù)- -模和模模和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換 2、精度、精度 精度是一個(gè)重要指標(biāo)，可以用兩個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量。精度是一個(gè)重要指標(biāo)，可以用

44、兩個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量。 (1) 分辨率（分解度）：轉(zhuǎn)換器的位數(shù)；分辨率（分解度）：轉(zhuǎn)換器的位數(shù)； (2) 轉(zhuǎn)換誤差：相對(duì)誤差，非線性誤差，失調(diào)誤差等。轉(zhuǎn)換誤差：相對(duì)誤差，非線性誤差，失調(diào)誤差等。 3、速度、速度 轉(zhuǎn)換速度在轉(zhuǎn)換速度在DAC中，用建立時(shí)間表示，而在中，用建立時(shí)間表示，而在ADC中，中，則用轉(zhuǎn)換時(shí)間表示，時(shí)間短，轉(zhuǎn)換速度就快。則用轉(zhuǎn)換時(shí)間表示，時(shí)間短，轉(zhuǎn)換速度就快。 4、環(huán)境條件、環(huán)境條件 環(huán)境條件包括溫度、噪聲電平、電源的敏感性等。環(huán)境條件包括溫度、噪聲電平、電源的敏感性等。第十章第十章 數(shù)數(shù)- -模和模模和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換 ADC與與DAC器件的選擇要從上述六個(gè)方面考慮，但是，器

45、件的選擇要從上述六個(gè)方面考慮，但是，一般是在速度、精度、價(jià)格三方面權(quán)衡。一般是在速度、精度、價(jià)格三方面權(quán)衡。 在滿足上述五條要求的前提下，還應(yīng)從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)出發(fā)，在滿足上述五條要求的前提下，還應(yīng)從經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)出發(fā)，選擇價(jià)格低的器件選擇價(jià)格低的器件。 6、價(jià)格、價(jià)格 5、微處理器接口、微處理器接口 為便于轉(zhuǎn)換器同微處理器連接，為便于轉(zhuǎn)換器同微處理器連接，ADC應(yīng)為三態(tài)輸出，應(yīng)為三態(tài)輸出，DAC應(yīng)有輸出鎖存。應(yīng)有輸出鎖存。第十章第十章 數(shù)數(shù)- -模和模模和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換二、集成化二、集成化A/D與與D/A轉(zhuǎn)換器介紹轉(zhuǎn)換器介紹 1、DAC0832介紹介紹 集成集成DAC的種類很多，按的種類很多，按DA

46、C的輸出方式分成電流輸出的輸出方式分成電流輸出DAC和電壓輸出和電壓輸出DAC兩種。兩種。 下面以美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的電流輸出下面以美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的電流輸出DAC0832為為例予以介紹。例予以介紹。 下圖表示出了下圖表示出了DAC0832的結(jié)構(gòu)框圖的結(jié)構(gòu)框圖 。圖中的八位。圖中的八位DAC為為D/A轉(zhuǎn)換電路，是轉(zhuǎn)換電路，是DAC0832的核心。兩個(gè)寄存器對(duì)數(shù)據(jù)起的核心。兩個(gè)寄存器對(duì)數(shù)據(jù)起緩沖作用。使緩沖作用。使0832不僅有直通工作方式、單緩沖工作方式、不僅有直通工作方式、單緩沖工作方式、二級(jí)緩沖工作方式，而且工作速度快。二級(jí)緩沖工作方式，而且工作速度快。第十章第十章 數(shù)數(shù)- -模

47、和模模和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換第十章第十章 數(shù)數(shù)- -模和模模和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換 DAC0832采用采用CMOS工藝，有工藝，有20個(gè)引腳，為雙列直插式。個(gè)引腳，為雙列直插式。它有以下特點(diǎn)它有以下特點(diǎn) ：1、可與所有八位微處理器直接相連、可與所有八位微處理器直接相連; 2、輸入數(shù)字量為八位二進(jìn)制碼、輸入數(shù)字量為八位二進(jìn)制碼; 3、邏輯電平與、邏輯電平與TTL電平兼容電平兼容; 4、有二級(jí)緩沖、單級(jí)緩沖和直通三種工作方式、有二級(jí)緩沖、單級(jí)緩沖和直通三種工作方式; 5、電流建立時(shí)間為、電流建立時(shí)間為1微秒微秒; 6、單電源供電、單電源供電515V;7、功耗為、功耗為20mW。 第十章第十章 數(shù)數(shù)

48、- -模和模模和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換 右圖給出了右圖給出了DAC0832的管腳的管腳排列圖排列圖第十章第十章 數(shù)數(shù)- -模和模模和模- -數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換 DAC0832引腳功能如下：引腳功能如下： DI0DI7：八位數(shù)據(jù)輸入端。其中：八位數(shù)據(jù)輸入端。其中DIO為最低位，為最低位，DI7為為最高位最高位。 (CS) ：片選端。當(dāng)：片選端。當(dāng)(CS) = 0，且，且ILE = l，(WR) = 0時(shí)，時(shí)，數(shù)據(jù)送入寄存器。數(shù)據(jù)送入寄存器。 ILE：允許輸入鎖存端。在：允許輸入鎖存端。在ILE = l，且，且(CS) = 0， (WR) = 0時(shí)，數(shù)據(jù)送入輸入寄存器中。當(dāng)時(shí)，數(shù)據(jù)送入輸入寄存器中。當(dāng)ILE從高電平變?yōu)榈碗娖綇母唠娖阶優(yōu)榈碗娖綍r(shí)，輸入寄存器中的數(shù)據(jù)被鎖存。時(shí)，輸入寄存器中的數(shù)據(jù)被鎖存。 (WR1) ：寫信號(hào)：寫信號(hào)1端。在端。在(CS) = 0，ILE = l，即在片選，即在片選和允許輸入鎖存有效的前提下，和允許輸入鎖存有效的前提下， (WR1) = 0時(shí)，將數(shù)據(jù)送入時(shí)，將數(shù)據(jù)送入輸入寄存器。輸入寄存器。 (WR2) ：寫信號(hào)：寫信號(hào)2端。端。 (WR2) =