數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)第七章

1、概述概述一、數(shù)一、數(shù)/模和模模和模/數(shù)是模擬、數(shù)字系統(tǒng)間的橋梁數(shù)是模擬、數(shù)字系統(tǒng)間的橋梁模模 / 數(shù)數(shù)（A / D）轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換:Analog to Digital Converter （ADC）數(shù)數(shù) / 模（模（D / A）轉(zhuǎn)換）轉(zhuǎn)換:Digital to Analog Converter （DAC）二、二、 常見常見數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用系統(tǒng)舉例數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用系統(tǒng)舉例壓力傳感器壓力傳感器溫度傳感器溫度傳感器流量傳感器流量傳感器四四路路模模擬擬開開關(guān)關(guān)數(shù)數(shù)字字控控制制計計算算機機DAC模擬控制器模擬控制器模擬控制器模擬控制器液位傳感器液位傳感器DACDAC模擬控制器模擬控制器模擬控制器模擬控

2、制器DACADC三、三、A / D、D / A 轉(zhuǎn)換器的精度和速度轉(zhuǎn)換器的精度和速度精度精度保證轉(zhuǎn)換的保證轉(zhuǎn)換的準確性準確性速度速度保證保證適時控制適時控制7.1.1 D / A轉(zhuǎn)換的基本要求轉(zhuǎn)換的基本要求1. D / A轉(zhuǎn)換思路轉(zhuǎn)換思路d0d1dn-1uO或或iOn 位位二進制二進制如如 ( (1101) )213148212121023 10210niiidN可利用運算放大器實現(xiàn)運算可利用運算放大器實現(xiàn)運算2. 轉(zhuǎn)換特性轉(zhuǎn)換特性DuO/V7654321001 010 011 100 101 110 111一、輸入、輸出關(guān)系框圖一、輸入、輸出關(guān)系框圖二、二、D/A 轉(zhuǎn)換的電路組成轉(zhuǎn)換的電路組

3、成RRR2R2R2R2RUREFS0S1S2d0d0d1d2d1d2電子電子開關(guān)開關(guān)電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò)求和運放求和運放三、工作原理三、工作原理當當 d2d1d0 = 100,II / 2I / 4I / 8I/2I = UREF / RRIu2O RRU2REF 23REF212 UuO當當 d2d1d0 = 110,IRRR2R2R2R2RUREFuOI / 2I / 4I / 8RIIu)42(O )2121(2123REF URRURU)42(REFREF 當當 d2d1d0 = 111,IRRR2R2R2R2RUREFuOI / 2I / 4I / 8RIIIu)842(O )21212

4、1(20123REF URRURURU)842(REFREFREF 表達式的一般形式表達式的一般形式)222(20011223REFO dddUu三、輸入為三、輸入為 n 位二進制數(shù)時的表達式位二進制數(shù)時的表達式當當 D = dn-1 dn-2 d1 d0 )22.2(2001111REFO dddUunnnDKDUun uREFO2Ku 轉(zhuǎn)換比例系數(shù)轉(zhuǎn)換比例系數(shù)nUK2REFu 7.1.2 DAC 的轉(zhuǎn)換精度、速度和主要參數(shù)（自學）的轉(zhuǎn)換精度、速度和主要參數(shù)（自學）一、轉(zhuǎn)換精度一、轉(zhuǎn)換精度指指 D/A 轉(zhuǎn)換器模擬輸轉(zhuǎn)換器模擬輸出產(chǎn)生的最小電壓變化量出產(chǎn)生的最小電壓變化量與滿刻度輸出電壓之比，

5、與滿刻度輸出電壓之比，也可用輸入的位數(shù)表示。也可用輸入的位數(shù)表示。為實際輸出模擬電壓與理想輸出模擬電壓間的最為實際輸出模擬電壓與理想輸出模擬電壓間的最大誤差。大誤差。 ULSBUFSR=12n1分辨率分辨率=LSB Least Significant Bit( (二二) )轉(zhuǎn)換誤差轉(zhuǎn)換誤差可用占輸出電壓滿刻度值的百分數(shù)表示或可用最可用占輸出電壓滿刻度值的百分數(shù)表示或可用最低有效位（低有效位（LSB）的倍數(shù)表示。）的倍數(shù)表示。如如: （LSB）= 輸入為輸入為 0001 時輸出模擬電壓時輸出模擬電壓的一半。的一半。( (一一) )分辨率分辨率（Resolution）FSR Full Scale

6、Range二、轉(zhuǎn)換速度二、轉(zhuǎn)換速度( (一一) )建立時間建立時間 ts ts 為在大信號工作下（輸入由為在大信號工作下（輸入由全全 0 變?yōu)槿優(yōu)槿?1，或由或由全全 1 變?yōu)槿優(yōu)槿?0）, 輸出輸出 電壓達到某一規(guī)定值所需時間電壓達到某一規(guī)定值所需時間 。不包含不包含 UREF 和運放的單片和運放的單片 DAC 最短最短 ts 0.1 s；包含包含UREF 和運放的單片和運放的單片 DAC 最短最短 t s 0，uO 0 3. 分辨率分辨率單極性輸出單極性輸出： 分辨率分辨率121 n分辨率分辨率 = =1211 n5G7520 為為 10 位位 D / A 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器，分辨率分辨率

7、 = =000978. 01023112110 當當 UREF = 10 V時，時，最小輸出電壓最小輸出電壓 uO = 9.78 mV雙極性輸出雙極性輸出：對于對于 5G7520分辨率分辨率=00196. 051111219 當當 UREF = 10 V 時，時，最小輸出電壓最小輸出電壓 uO = 19.6 mV見王建珍見王建珍P217218uI(t)CADC的的量化編碼量化編碼電路電路dn-1d1d0u I(t)S模擬量模擬量數(shù)字量數(shù)字量取樣：取樣：把時間連續(xù)變化的信號變換為時間離散的信號。把時間連續(xù)變化的信號變換為時間離散的信號。保持：保持：保持采樣信號保持采樣信號,使有充分時間變其為數(shù)字

8、信號。使有充分時間變其為數(shù)字信號。取樣保持取樣保持（S / H Sample / Hold）當滿足當滿足 fs 2 fimax 時時, 取樣信號可恢復(fù)為取樣信號可恢復(fù)為原信號。原信號。fs 取樣頻率取樣頻率。fimax 模擬模擬信號信號uI的最高頻率分量。的最高頻率分量。 tOuSfO)( fAfs fimax fmaxuI tO輸入模輸入模擬信號擬信號取樣取樣信號信號在滿足取樣定理的條件下，可用在滿足取樣定理的條件下，可用如左圖幅頻特性的濾波器將如左圖幅頻特性的濾波器將uS還還原為原為uI取樣頻率越高，取樣越密，取樣信取樣頻率越高，取樣越密，取樣信號號u uS S的包絡(luò)線越接近于輸入信號的包

9、絡(luò)線越接近于輸入信號u uI I三、量化和編碼三、量化和編碼量化單位（最小數(shù)量單位）量化單位（最小數(shù)量單位）數(shù)字信號最低有效位數(shù)字信號最低有效位(LSB)(LSB)(即即1 1) )所對應(yīng)的模擬信號所對應(yīng)的模擬信號大小，用大小，用 表示。表示。量化量化把采樣保持的信號化為量化單位的整數(shù)倍。把采樣保持的信號化為量化單位的整數(shù)倍。量化誤差量化誤差 采樣保持的信號不一定能被采樣保持的信號不一定能被 整除而引起的誤差。整除而引起的誤差。編碼編碼把量化的數(shù)值用二進制代碼表示。把量化的數(shù)值用二進制代碼表示。Least Significant Bit對模擬信號取樣保持得到的信號為階梯波，還必須把每個離對模擬

10、信號取樣保持得到的信號為階梯波，還必須把每個離散的階梯幅值轉(zhuǎn)換成與其幅度成正比的數(shù)字量。用數(shù)字量表散的階梯幅值轉(zhuǎn)換成與其幅度成正比的數(shù)字量。用數(shù)字量表示這些階梯幅值的大小時，首先要選定一個示這些階梯幅值的大小時，首先要選定一個最小數(shù)量單位最小數(shù)量單位，然后把然后把階梯幅值與階梯幅值與比較，取比較的比較，取比較的整數(shù)倍值整數(shù)倍值來表示來表示階梯幅階梯幅值的大小，這就是值的大小，這就是量化。量化。如果這個如果這個整數(shù)倍值用二進制數(shù)來表整數(shù)倍值用二進制數(shù)來表示，它就是示，它就是A/DA/D轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字信號。轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字信號。把把01V的模擬電壓轉(zhuǎn)換為的模擬電壓轉(zhuǎn)換為三位二進制三位二進制代碼，劃分

11、量化電平代碼，劃分量化電平的兩種不同方法。不同劃分方法，產(chǎn)生的量化誤差不同。的兩種不同方法。不同劃分方法，產(chǎn)生的量化誤差不同。01V1/82/83/84/85/86/87/8000001010011100101110111模擬模擬電平電平二進制二進制代碼代碼代表的代表的模擬電平模擬電平0 = 01 = 1/82 = 2/83 = 3/84 = 4/85 = 5/86 = 6/87 = 7/ 81V1/153/155/157/159/15 11/15 13/150000010100111001011101110模擬模擬電平電平二進制二進制代碼代碼代表的代表的模擬電平模擬電平0 = 01 = 2/

12、152 = 4/153 = 6/154 =8/155 = 10/156 = 12/157 =14/15最大量化誤差最大量化誤差 = = (1 / 8) V最大量化誤差最大量化誤差 = / 2 = (1/15)V=VREF/2n=(1/8)V=2VREF/(2n+11)=(2/15)V7.2.2 取樣取樣 保持電路保持電路一、電路組成及工作原理一、電路組成及工作原理當當 uL 為為高高電平：電平：T 導(dǎo)通，導(dǎo)通，Ch 充電：充電： uC = uI uO = uC = uI （取樣取樣）當當 uL 為為低低電平：電平：T 截止，截止，Ch 基本不放電?；静环烹?。uO = uC（保持保持）二、實際

13、電路二、實際電路 (LF198)R2ChR1uIuOuLu O300 30 k D1D2S當當 uL = 1， S 閉合閉合 uO = u O= uC = uI （取樣取樣）當當 uL = 0， S 斷開斷開 uO = uC （保持保持）S斷開時，斷開時，A1工作在開環(huán)狀態(tài)，工作在開環(huán)狀態(tài)，uo可能很大，用可能很大，用D1 、D2將將u o限制在限制在 uI + uD以內(nèi)，起保護作用。以內(nèi)，起保護作用。6 2145387uOuIuLChLF198A1A2一一 、基本工作原理電路、基本工作原理電路DACuI逐次漸近逐次漸近寄存器寄存器比較器比較器參考參考電源電源時鐘時鐘信號信號MSBLSBMSB

14、LSB并行數(shù)字輸出并行數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換控制信號轉(zhuǎn)換控制信號10003.2V8V101117V01106V01015V01004V00113V000117.2.3 逐次漸近型逐次漸近型 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器讀出控制讀出控制控制邏輯控制邏輯電路電路逐次漸近逐次漸近寄存器寄存器比比較較器器 二、轉(zhuǎn)換過程舉例二、轉(zhuǎn)換過程舉例3 位位 DACQ1S1Rd0 +CPd1d2 1Q1S1RFFBFFC1 d0d1d2uIuOuCC五位環(huán)行移位寄存器五位環(huán)行移位寄存器Q1Q2 Q3Q4Q5QFFA1S1R /2輸出偏移輸出偏移Q n+1 1 1 1 0 0 1 0 0功能功能R SQ n10不用不用保持保持置置1

15、置置0不許不許CP 12345Q1 Q2Q3 Q4 Q5QA QB QCuI(V) uO(V) u O(V) uCd2 d1 d00 0 0 0 1 0 0 05.90 0.500 0 01 0 0 0 01 0 043.500 0 00 1 0 0 0 1 1 065.500 0 00 0 1 0 0 1 1 176.510 0 00 0 0 1 01 1 065.500 0 00 0 0 0 1 1 1 065.501 1 07.2.4 雙積分型雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換思路：轉(zhuǎn)換思路：模擬輸入模擬輸入 uI t t 控制計數(shù)控制計數(shù) CP 個數(shù)個數(shù)輸出二進制數(shù)輸出二進制數(shù) 一、電

16、路組成一、電路組成CO 00 000 101 001 110 010 111 1100 000 101 101每進行完一次每進行完一次 2n 進制計數(shù)，定時器置進制計數(shù)，定時器置 1， S1 合向合向基準電壓基準電壓電容電容 C 放電放電S2CS1uI邏輯邏輯控制門控制門C定時器定時器n 位二進制位二進制計數(shù)器計數(shù)器&dn1d0uCP基準電壓基準電壓 0二、工作原理二、工作原理uI積分器輸入積分器輸入Iu(t)積分器輸出積分器輸出固定時間固定時間t1t2N1CPN2CP1I0I1o11)(tRCUdtuRCtut T1 = N1TCP = 2nTCP0)()(2REF1o2o tRCUtutuT2 = N2TCP = DTCP1REFI2tUUt nnUUUUD2/2REFIREFI = UI / 單位單位電壓電壓REF&7.2.5 并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器RRRRRRRR /2UREFuI比較器比較器1D71D61D51D41D31D21D1CP寄存器寄存器d2d1d0編碼器編碼器REF151UREF153UREF155UREF1513UREF157UREF159UREF1511UuI 逐次比較型逐次比較型 雙積分型雙積分型7.2.7 幾種幾種A/D轉(zhuǎn)換器的性能比較轉(zhuǎn)換器的