數(shù)字電子技術(shù)：計(jì)科第8章_A-D轉(zhuǎn)換

1、第八章 數(shù)-模和模-數(shù)轉(zhuǎn)換 本章講授數(shù)-模轉(zhuǎn)換（把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量和模-數(shù)轉(zhuǎn)換（把模擬量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量）的基本原理和常見(jiàn)的典型電路。目的：了解A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路的基本工作原理； 掌握A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路的基本使用方法； 8.1 概述權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器；倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器；權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器；權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器；開(kāi)關(guān)樹(shù)型D/A轉(zhuǎn)換器；D/A轉(zhuǎn)換器類型A/D轉(zhuǎn)換器類型直接A/D轉(zhuǎn)換器并聯(lián)比較型反饋比較型間接A/D轉(zhuǎn)換器電壓時(shí)間型(V-T型)電壓頻率型(V-F型)8.2 D/A轉(zhuǎn)換器8.2.1 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)：圖9.2.1 是四位電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，

2、它是由全電阻網(wǎng)絡(luò)、4個(gè)模擬開(kāi)關(guān)和1個(gè)求和放大器組成。 S3、S2、S1、S0是4個(gè)電子開(kāi)關(guān)它們的狀態(tài)分別受輸入代碼d3、d2、d1、d0的取值控制。代碼為1時(shí)開(kāi)關(guān)接到參考電壓VREF上，有支路電流Ii流向求和放大器。代碼為0時(shí)開(kāi)關(guān)接地，該支路電流Ii為零。求和放大器是一個(gè)接成負(fù)反饋的運(yùn)算放大器（近似為理想放大器即輸入電阻為無(wú)窮大，輸出電阻為零）8.2 D/A轉(zhuǎn)換器8.2.1 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器原理：在認(rèn)為運(yùn)算放大器輸入電流為零的條件下可得到：V0=RFi = RF(I0+ I1+I2+I3)由于V+=V0 RF=R/2 則得到，V0=8.2 D/A轉(zhuǎn)換器8.2.1 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器

3、對(duì)于n位的權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，當(dāng)反饋電阻取為R/2時(shí)，輸出電壓的計(jì)算公式可寫成V0= 上式表明，輸出的模擬電壓正比于輸入的數(shù)字量，從而實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。 當(dāng) Dn=0 時(shí) V0=0，當(dāng)Dn=1111時(shí) V0=V0的最大變化范圍是0 說(shuō)明：式中的參考電壓VERF為正電壓時(shí)，輸出電壓V0始終為負(fù)值。若想得到正的輸出電壓，則將VREF取為負(fù)值。8.2 D/A轉(zhuǎn)換器8.2.1 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器特點(diǎn)： 電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 電阻誤差大 開(kāi)關(guān)有導(dǎo)通電阻 轉(zhuǎn)換時(shí)間短 電壓范圍8.2 D/A轉(zhuǎn)換器8.2.2 倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所用電阻元件數(shù)目少。

4、缺點(diǎn)是各個(gè)電阻的阻值相差較大，尤其位數(shù)較多時(shí)這個(gè)問(wèn)題就更加突出。為了克服這一缺點(diǎn)，又研制出了倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器。圖8-2-2 倒T形電阻網(wǎng)D/A轉(zhuǎn)換器原理：由上圖可知，因求和放大器反相輸入端V-的電位始終接近于零，所以無(wú)論開(kāi)關(guān)S3S2S1S0合到哪一邊，都相當(dāng)于接到地電位上，流過(guò)每一支路的電流始終不變。因此，可將圖8-2-2電阻網(wǎng)等效為圖8-2-3。8.2.2 倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器圖8-2-2 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器圖8-2-23 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)支路電流等效電路8.2.2 倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器圖8-2-2 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器如果令di=0時(shí)開(kāi)關(guān)Si接地，di=1

5、時(shí)Si接V(虛地），可求得I：輸出電壓為：對(duì)于n位輸入的倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，輸出模擬電壓為：特點(diǎn)： 電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 電阻誤差較小 開(kāi)關(guān)有導(dǎo)通電阻 轉(zhuǎn)換時(shí)間短 電壓范圍8.2.3 權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換電路特點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜轉(zhuǎn)換時(shí)間短開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻 影響不大轉(zhuǎn)換電壓精度高D0Dn-2_+vORFVREF(-)Dn-1II/2nI/22I/2II8.2.4 開(kāi)關(guān)樹(shù)型D/A轉(zhuǎn)換電路特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 轉(zhuǎn)換時(shí)間短 電阻單一 對(duì)開(kāi)關(guān)內(nèi)阻要求不高 易于集成RvORRRRRRRD0D0D1D1VREFD2D2 8.2.5 權(quán)電容型D/A轉(zhuǎn)換電路特點(diǎn)： 輸出的精度僅與電容的比例有關(guān)，與電容的絕對(duì)值無(wú)關(guān)。 輸

6、出的穩(wěn)定度不受開(kāi)關(guān)內(nèi)阻和參 考電源的影響。 穩(wěn)態(tài)下，電容網(wǎng)絡(luò)不消耗功 率。 容易集成（cmos可制作電容） 轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng) 集成度不高D0Dn-1VREFvOD1S0S1Sn-120CXC0C0Cn-1C120CX21CX2n-1CXSD8.2.6 雙極性權(quán)電阻型D/A轉(zhuǎn)換電路D0Dn-2I2R2R2RI/2n2R_+vORI/2nI/2nI/2n-1I/2I/22I/2IVREF(-8V)Dn-1RBVB(+)IB1 加偏移電路，使輸入為1000時(shí)的輸出為0補(bǔ)碼輸入輸出0 1 1+3V0 1 0+2V0 0 1+1V0 0 001 1 1-1V1 1 0-2V1 0 1-3V1 0 0-4V原碼

7、輸入輸出(無(wú)偏移)輸出(偏移-4V)1 1 1+7V+3V1 1 0+6V+2V1 0 1+5V+1V1 0 0+4V00 1 1+3V-1V0 1 0+2V-2V0 0 1+1V-3V0 0 00-4V 補(bǔ)碼的符號(hào)位取反，使單極性轉(zhuǎn)換電路通過(guò)加入偏移電路，實(shí)現(xiàn)雙極性轉(zhuǎn)換。8.2.7 D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與速度D/A轉(zhuǎn)換的主要技術(shù)指標(biāo): 轉(zhuǎn)換精度包括：轉(zhuǎn)換速度分辨率、轉(zhuǎn)換誤差用能分辨的最小電壓（LSB）與最大電壓（滿量程FSR）之比來(lái)表示分辨率 由電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開(kāi)關(guān)、參考電源、運(yùn)算放大器溫漂等環(huán)節(jié)，造成輸出模擬電壓存在誤差，稱其為轉(zhuǎn)換誤差 。輸入數(shù)字量給出的時(shí)刻到輸出模擬電壓進(jìn)入穩(wěn)定值所需要

8、的時(shí)間，即所謂的建立時(shí)間tset。 8.2.7 D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與速度轉(zhuǎn)換誤差：絕對(duì)誤差相對(duì)誤差是指實(shí)際輸出電壓與理想輸出電壓之間的差值，通常用LSB的多少倍表示相對(duì)誤差則是指絕對(duì)誤差與滿量程輸出電壓（FSR）之間的比值8.2.8 集成D/A轉(zhuǎn)換器倒T型網(wǎng)絡(luò)模擬地?cái)?shù)字地八位并行輸入集成數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC08328.2.8 集成D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832中的倒T型網(wǎng)絡(luò)8.2.8 集成D/A轉(zhuǎn)換器無(wú)緩沖輸入方式單緩沖輸入方式雙緩沖輸入方式8.2.8 集成D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832的性能指標(biāo)（美國(guó)國(guó)半）轉(zhuǎn)換速度：1s轉(zhuǎn)換精度：0.2%FSR(滿量程）8.2.8 集成D/A轉(zhuǎn)換器十位串行輸入集成

9、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器MAX515SDI是16位串行數(shù)據(jù)輸入端，前4位是數(shù)據(jù)填充位，最后2位是結(jié)束位。8.3.1 A/D轉(zhuǎn)換電路的基本原理一、功能 在規(guī)定時(shí)間(轉(zhuǎn)換時(shí)間)內(nèi)，把模擬電信號(hào)在時(shí)刻t的幅度值（壓值)，轉(zhuǎn)換為一個(gè)相應(yīng)的數(shù)據(jù)。 8-3 A/D轉(zhuǎn)換器 A/D轉(zhuǎn)換的過(guò)程是首先對(duì)模擬電壓信號(hào)取樣，取樣結(jié)束后進(jìn)入保持時(shí)間，在這一時(shí)間段內(nèi)將取樣的電壓量化為數(shù)字量，并按一定的編碼形式給出轉(zhuǎn)換結(jié)果。然后再進(jìn)行下一次取樣。8.3.1 A/D轉(zhuǎn)換電路的基本原理二、取樣定理8-3 A/D轉(zhuǎn)換器 為了能正確用取樣信號(hào)Vs表示模擬信號(hào)VI取樣信號(hào)必須滿足：為取樣頻率 輸入模擬信號(hào)VI的最高頻率分量的頻率fS 2 fi(

10、max)同常取fS = （35） fi(max)三、量化和編碼 編碼就是將模擬信號(hào)量化的結(jié)果用二進(jìn)制代碼表示。 編碼規(guī)則：如果1位二進(jìn)制數(shù)表示電壓幅度，則任意電壓幅度的量化結(jié)果是N。 量化單位tV換言之：量化就是使模擬信號(hào)在幅度上離散。 在A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，必須把取樣電壓表示為某一最小單位的整數(shù)倍，這個(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)程叫做量化。量化誤差：因連續(xù)的模擬電壓不一定能被整除而產(chǎn)生誤差。要求將01V的模擬電壓轉(zhuǎn)換成3位二進(jìn)制編碼。7/8V6/8V5/8V4/8V3/8V2/8V1/8V二進(jìn)制編碼1111101011000110100010000V模擬電壓1V量化誤差=1/8V0V模擬電壓1V14/15V13/15

11、V11/15V9/15V7/15V5/15V3/15V1/15V12/15V10/15V8/15V6/15V4/15V2/15V量化誤差=/2=1/15V量化和編碼示例一8.3.2 取樣保持電路 根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換原理，對(duì)模擬信號(hào)取樣后必須保持一段時(shí)間，直到完成本次轉(zhuǎn)換后才能進(jìn)行下一次取樣。模擬電壓輸入取樣控制信號(hào)取樣信號(hào)輸出工作原理：當(dāng)取樣信號(hào)VL為高電平時(shí)MOS管T導(dǎo)通，輸入信號(hào)VI經(jīng)電阻RI和T向CH充電。若取RI=RF則充電結(jié)束后VO=VCH=-VI。 當(dāng)VL返回低電平后，T管截止。由于CH沒(méi)有泄放回路，顧其上的電壓可保持一段時(shí)間不變，故VO= VCH=-VI 也保持不變。8.3.

12、3 直接A/D轉(zhuǎn)換器 一、并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器特點(diǎn)：轉(zhuǎn)換時(shí)間短 可達(dá)到50ns。電路規(guī)模大，輸出n位代碼的A/D須要2n-1個(gè)比較器、 2n-1觸發(fā)器和龐大的代碼轉(zhuǎn)換電路 可不加取樣-保持電路圖 9-3-2 并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換電路二、逐次計(jì)數(shù)比較A/D轉(zhuǎn)換電路特點(diǎn)： 轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng) 電路規(guī)模小 需加取樣-保持電路圖9-3-3 逐次計(jì)數(shù)比較A/D轉(zhuǎn)換電路y(t)x(t)+-D/A轉(zhuǎn)換電路數(shù)據(jù)輸出寄存器時(shí)鐘轉(zhuǎn)換信號(hào)計(jì)數(shù)器vB原理：轉(zhuǎn)換開(kāi)始前先用復(fù)位信號(hào)將計(jì)數(shù)器置零，等轉(zhuǎn)換信號(hào)到達(dá)，則計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，D/A轉(zhuǎn)換電路輸出模擬電壓y(t)并與輸入電壓x(t)比較，當(dāng)y(t)大于x(t)時(shí), b為0，使計(jì)數(shù)器

13、停止計(jì)數(shù)，這時(shí)計(jì)數(shù)器中所存的數(shù)字就是所求的輸出數(shù)字信號(hào)。三、逐次漸近比較A/D轉(zhuǎn)換電路原理：轉(zhuǎn)換開(kāi)始先將寄存器復(fù)位置0，轉(zhuǎn)換電平變高開(kāi)始轉(zhuǎn)換，時(shí)鐘信號(hào)先將寄存器的最高位置成1，使寄存器的輸出為10000。這個(gè)數(shù)字量被DAC轉(zhuǎn)換成模擬電壓y(t)，并將y(t)與x(t)比較。如果y(t) x(t)，說(shuō)明數(shù)字過(guò)大，則這個(gè)1應(yīng)去掉；如果 y(t) x(t)，則說(shuō)明數(shù)字不夠大，這個(gè)1應(yīng)保留。然后，再按同樣方法將次高位置1，并比較y(t) 、x(t)的大小以確定這一位的1是否保留。這樣逐位比較下去，直到最低比較完成為止。這時(shí)寄存器里的數(shù)字即為所求的輸出。圖9-3-3 逐次漸近比較A/D轉(zhuǎn)換電路輸入時(shí)鐘x

14、(t)+-D/A轉(zhuǎn)換電路邏輯控制并行數(shù)據(jù)輸出轉(zhuǎn)換控制y(t)逐次漸近寄存器vB特點(diǎn)： 轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng) 電路規(guī)模小 需加取樣-保持電路8.3.4 間接A/D轉(zhuǎn)換器間接A/D轉(zhuǎn)換器分類電壓-時(shí)間變換型(簡(jiǎn)稱V-T變換型)電壓-頻率變換型(簡(jiǎn)稱V-F變換型) 在V-T型A/D轉(zhuǎn)換器中，首先把輸入的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成正比的時(shí)間寬度信號(hào)，然后在這個(gè)時(shí)間寬度里對(duì)固定頻率的時(shí)鐘計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)的結(jié)果就是正比于輸入模擬電壓的數(shù)字信號(hào)。 在V-F型A/D轉(zhuǎn)換器中，首先把輸入的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成正比的頻率信號(hào)，然后在一個(gè)固定時(shí)間間隔里對(duì)得到的頻率信號(hào)計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)的結(jié)果就是正比于輸入模擬電壓的數(shù)字信號(hào) 一、雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器T1T2vO1) S0閉合積分電容放電2) S0打開(kāi)、S1接通x(t)，積分器充電控制邏輯計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)輸出+轉(zhuǎn)換控制x(t)+-VREFS0時(shí)鐘RCS1vO3) S0打開(kāi)、S1接通- VREF ，積分器放電，且計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，直到判斷vO=0，停止計(jì)數(shù)。D為計(jì)數(shù)結(jié)果的數(shù)字量TC為時(shí)鐘的周期若取一、雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)輸出+轉(zhuǎn)換控制x(t)+-VR