數(shù)-模和模-數(shù)轉(zhuǎn)換課件

1、 11.1 概述 11.2 D/A轉(zhuǎn)換器 11.3 A/D轉(zhuǎn)換器第十一章 數(shù)-模與模-數(shù)轉(zhuǎn)換重點(diǎn)難點(diǎn)1、D/A、A/D的基本概念、對D/A、A/D轉(zhuǎn)化電路的要求重點(diǎn)：各種A/D內(nèi)部詳細(xì)結(jié)構(gòu)和工作過程（非重點(diǎn)）3、A/D轉(zhuǎn)化電路常見類型、工作原理、輸入/出的定量關(guān)系、轉(zhuǎn)換速度、精度、分辨率難點(diǎn)：2、D/A轉(zhuǎn)化電路常見類型、工作原理、輸入/出的定量關(guān)系、轉(zhuǎn)換速度、精度、分辨率第十一章 數(shù)-模與模-數(shù)轉(zhuǎn)換11.1 概述模擬量：溫度、濕度、壓力、流量、速度等。從數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)換稱為數(shù)/模轉(zhuǎn)換（簡稱D/A轉(zhuǎn)換），實(shí)現(xiàn)數(shù)/模轉(zhuǎn)換的電路稱為D/A轉(zhuǎn)換器（簡稱DAC）。 從模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換稱為

2、模/數(shù)轉(zhuǎn)換（簡稱A/D轉(zhuǎn)換），實(shí)現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換的電路叫做A/D轉(zhuǎn)換器（簡稱ADC）；典型數(shù)字控制系統(tǒng)框圖溫度時(shí)間！精度！速度傳感器放大器A/D轉(zhuǎn)換微型計(jì)算機(jī)控制對象D/A轉(zhuǎn)換電加熱爐熱電偶執(zhí)行機(jī)構(gòu)11.2.1 權(quán)電阻型D/A轉(zhuǎn)換器 11.2.6 具有雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器11.2.2 倒T 型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器 11.2 D/A轉(zhuǎn)換器11.2.7 D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度求和放大器一、電路結(jié)構(gòu)和工作原理11.2.1 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)參考電壓 電路特點(diǎn)：1. 優(yōu)點(diǎn)：簡單2. 缺點(diǎn)：電阻值相差大，難于保證精度，且大電阻不宜于集成在IC內(nèi)部希望用較少類型的電阻，仍然能得

3、到一系列權(quán)電流11.2.2 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器雙向模擬開關(guān)di1時(shí)接運(yùn)放di0時(shí)接地R2R倒T形電阻網(wǎng)絡(luò) 求和集成運(yùn)算放大器 基準(zhǔn)參考電壓 RRR 集成運(yùn)算放大器的電流求和點(diǎn)為虛地，每個2R電阻的上端都相當(dāng)于接地，從網(wǎng)絡(luò)的AA、BB、CC、DD每個端口向左看的對地電阻都是R。流過四個2R電阻的電流分別為：I/2、I/4、I/8、I/16。R電路特點(diǎn)：（1）電阻網(wǎng)絡(luò)僅有R和2R兩種規(guī)格的電阻，對于集成工藝是相當(dāng)有利的；（2）倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)具有較高的工作速度倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC被廣泛的采用集成D/A轉(zhuǎn)換器-AD7520/CB7520典型10bit DAC采用CMOS電子開關(guān)與TTL電平兼容

4、電源電壓范圍：515V采用R-2R電阻網(wǎng)絡(luò) 集成D/A轉(zhuǎn)換器-DAC0832具有二級數(shù)字輸入緩沖鎖存器，可與P數(shù)據(jù)總線直接相連，無需另接鎖存器與TTL電平兼容數(shù)字地與模擬地可分開，使用靈活 典型8bit DAC集成DAC0832及其應(yīng)用補(bǔ)碼輸入對應(yīng)的十進(jìn)制要求的輸出d2 d1 d0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V11.2.6 具有雙極性輸出的DAC當(dāng)輸入數(shù)字量有極性時(shí)，希望輸出的模擬電壓也對應(yīng)為一、轉(zhuǎn)換原理輸入為3位二進(jìn)制補(bǔ)碼。最高位為符號位，正數(shù)為0，負(fù)數(shù)為11原碼輸入對應(yīng)的輸出偏移-4V后的輸出d2

5、 d1 d0111+7V+3V110+6V+2V101+5V+1V100+4V0V011+3V-1V010+2V-2V001+1V-3V0000V-4V補(bǔ)碼輸入對應(yīng)的十進(jìn)制要求的輸出d2 d1 d0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V*將輸出偏移使輸入為100時(shí)，輸出為0*將符號位反相后接至高位輸入二、電路實(shí)現(xiàn)*將符號位反相后接至高位輸入*增設(shè)由RB和VB組成的偏移電路題11.6 圖示電路是用CB7520組成的雙極性輸出D/A轉(zhuǎn)換器。其倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)中的電阻R=10k。為了得到5V的最大輸出模擬電壓，RB=

6、20k，VREF= ？ VB =？ 取RB=20 k，VB= -10V解若 d0 d9均為0時(shí)，0= +5V， d0 d9均為1時(shí)，0= -5V則一、轉(zhuǎn)換精度（分辨率、轉(zhuǎn)換誤差）用輸入數(shù)字量的二進(jìn)制數(shù)碼位數(shù)給出。D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)11.2.7 DAC的轉(zhuǎn)換精度與速度分辨率（理論精度）D/A轉(zhuǎn)換器分辨模擬量最小值的能力。最低位LSB所代表的模擬量。例： n位DAC，區(qū)分出輸入的000到111全部2n個不同狀態(tài)， 能給出2n個不同等級的輸出電壓。分辨率表示理論上可以達(dá)到的精度。D/A轉(zhuǎn)換器能夠分辨出來的最小電壓與最大電壓之比轉(zhuǎn)換誤差用最低有效位的倍數(shù)來表示。2. 轉(zhuǎn)換誤差（實(shí)際精度）轉(zhuǎn)換誤差表示實(shí)

7、際的D/A轉(zhuǎn)換特性和理想特性之間的最大偏差。二、誤差分析與輸入數(shù)字量的大小成正比-比例系數(shù)誤差 造成D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換誤差的原因：參考電壓VREF的波動、運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移、模擬開關(guān)的導(dǎo)通內(nèi)阻和導(dǎo)通壓降、電阻網(wǎng)絡(luò)中的電阻值的偏差、三極管的特性不一致等等。與輸入數(shù)字量的數(shù)值無關(guān)-漂移誤差、平移誤差。與輸入數(shù)字量的數(shù)值無關(guān)-非線性誤差。輸出總誤差：解 電路工作在計(jì)數(shù)狀態(tài)，連續(xù)輸入16個計(jì)數(shù)脈沖時(shí)，電路狀態(tài)將從0000 1111循環(huán)，d6d7d8d9也從0000 1111循環(huán)，用 計(jì)算出對應(yīng)的輸出電壓值。畫出輸出電壓0的波形，并標(biāo)出波形圖上各點(diǎn)電壓的幅度波形發(fā)生器電路試分析電路的工作原理，畫出輸出電

8、壓0的波形圖11.3.1 A/D轉(zhuǎn)換的基本原理 11.3.4 反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器 11.3.3 并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器 11.3.5 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器 11.3.6 V-F變換型A/D轉(zhuǎn)換器 11.3.7 A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度 11.3 A/D轉(zhuǎn)換器直接型間接型A/D轉(zhuǎn)換目標(biāo)：將時(shí)間連續(xù)、幅值也連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為時(shí)間離散、幅值也離散的數(shù)字信號。一、 采樣定理 采樣:將時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成時(shí)間上離散的模擬量11.3.1 A/D轉(zhuǎn)換原理四個步驟：采樣、保持、量化、編碼。 采樣定理：設(shè)取樣脈沖s(t)的頻率為fS，輸入模擬信號x(t)的最高頻率分量為fmax，必須滿足

9、fs 2fmax ，y(t)才可以正確的反映輸入信號(從而能不失真地恢復(fù)原模擬信號)。fs （35）fmax11.3.2 采樣-保持電路 取樣-保持電路的基本形式 s(t)有效期間，開關(guān)管VT導(dǎo)通，uI向C充電，uO (=uc)跟隨uI的變化而變化s(t)無效期間，開關(guān)管VT截止，uO (=uc)保持不變，直到下次采樣。 集成運(yùn)放A具有很高的輸入阻抗，在保持階段，電容C上所存電荷不易泄放集成采樣保持電路LF398 二、 量化和編碼 量化：進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，將采樣電壓表示為最小數(shù)量單位的整數(shù)倍過程叫做量化。量化誤差：當(dāng)采樣電壓不能被整除時(shí)，量化過程誤差編碼：將量化的結(jié)果用代碼表示出來（二進(jìn)制，二

10、-十進(jìn)制）注意：一個n位二進(jìn)制數(shù)只能表示2n個量化電平，量化級分得越多，量化誤差越小。 A/D 轉(zhuǎn)換的輸出結(jié)果 量化單位 ：數(shù)字量最小單位所對應(yīng)的最小量值叫做量化單位，用表示（數(shù)字信號最低有效位LSB的1所代表的數(shù)量大小就等于） 。量化電平劃分的兩種方法量化誤差大量化誤差小量化誤差 量化11.3.3 并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器量化 編碼111110101100011010001000特點(diǎn)*快，CLK觸發(fā)信號到達(dá)到輸出穩(wěn)定建立只需50ns*有存儲器，不需要S/H電路*精度，主要取決于量化電平的劃分 *電路規(guī)模，n位需要2n-1比較器， 2n-1觸發(fā)器基本原理：取一個“D”加到DAC上，得到模擬輸出電

11、壓，將該值與輸入電壓比較，如兩者不等，則調(diào)整D的大小，到相等為止，則D為所求值。！簡單！慢11.3.4 反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器計(jì)數(shù)型2、逐次漸近型！電路不太復(fù)雜！較快1 0 0 0 03位逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器環(huán)形移位寄存器 逐次漸進(jìn)寄存器 初始狀態(tài) Q1Q2Q3Q4Q5=10000電壓比較器 3位DAC轉(zhuǎn)換器時(shí)鐘脈沖源 工作原理設(shè)：VR=-5V，Vi=3.2V初始化QAQBQC=000 Q1Q2Q3Q4Q5=10000 第一個CLKQAQBQC=100Q1Q2Q3Q4Q5=01000VoVi，VB=1 第二個CLKQ2=1，QB=1；VB=0，封鎖了與門G1，Q2不能通過門G1使QA復(fù)位，Q

12、A仍為1QAQBQC=110Q1Q2Q3Q4Q5=00100 第三個CLKQ3=1，QC=1；VB=1，門G2被打開，Q3通過門G2使QB=0；同時(shí)QA =1保持不變Vo=5/23（22+20） =3.125VVoVi，VB=0QAQBQC=101Q1Q2Q3Q4Q5=00010即QAQBQC=101Q1Q2Q3Q4Q5=00001 第四個CLKVB=0封鎖門G1G3Q1Q2Q3=000，QA QB QC保持原狀態(tài)不變Q5=1，使QAQBQC通過門G6、G7、G8輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。 d2d1d0=101 第五個CLK后Q1Q2Q3Q4Q5=10000又重新開始轉(zhuǎn)換Q5=0，門G6、G7、G8被封鎖

13、，轉(zhuǎn)換輸出信號隨之消失?；驹恚合葘轉(zhuǎn)換成與之成正比的時(shí)間寬度信號，然后在這個時(shí)間內(nèi)對固定頻率的脈沖計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果即為數(shù)字信號11.3.5 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器- V-T變換型工作原理時(shí)段：固定時(shí)間積分，到時(shí)結(jié)束時(shí)段：固定斜率積分，過零結(jié)束雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：精度較高，對元件要求低 抗干擾能力比較強(qiáng)缺點(diǎn)：工作速度低每完成一次轉(zhuǎn)換的時(shí)間為11.3.6 V-F變換型A/D轉(zhuǎn)換器11.3.7 ADC的轉(zhuǎn)換速度與轉(zhuǎn)換精度1、分辨率：以輸出二進(jìn)制或十進(jìn)制的位數(shù)表示，說明A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號的分辨能力。2、轉(zhuǎn)換誤差：通常以輸出誤差最大值的形式給出，表示實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上應(yīng)有的輸出數(shù)字

14、量之間的差別，一般以最低有效位的倍數(shù)給出（ 0.5 LSB）。能區(qū)分輸入電壓的最小差異為一、轉(zhuǎn)換精度并聯(lián)比較型：1微秒（8位A/D 50ns）逐次漸近型：10100微秒/次雙積分型 ：幾十毫秒數(shù)百毫秒/次二、轉(zhuǎn)換速度：取決于電路結(jié)構(gòu)類型作業(yè)11-5，8A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品舉例-ADC0809特點(diǎn)：屬CMOS電路8路模擬輸入，8 bit 輸出與常用P兼容采用逐次比較法，轉(zhuǎn)換時(shí)間約100s ICL7107ICL7107構(gòu)成直流電壓表A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品舉例-ICL7106/7107 特點(diǎn)：直接輸出7段譯碼信號7106驅(qū)動LCD；7107驅(qū)動LED十進(jìn)制3位半A/D轉(zhuǎn)換器雙積分型電路，內(nèi)含基準(zhǔn)源 特點(diǎn)：6b

15、it高速A/D轉(zhuǎn)換器，速率可達(dá)90M帶偏移矯正的55MHZ帶寬差動放大器功耗僅190mW有效位為5.85bit A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品舉例-MAX1011 第11章 小結(jié) 1. A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器是數(shù)字系統(tǒng)和各種工程技術(shù)相聯(lián)系的橋梁，在二者之間起著“翻譯”的作用。 2. 常用的D/A轉(zhuǎn)換器主要有權(quán)電阻型和R-2R網(wǎng)絡(luò)型兩種電路。由于R-2R網(wǎng)絡(luò)型的電阻種類少，易于集成和提高精度，因此多為集成D/A轉(zhuǎn)換器所采用。 3. 常用的A/D轉(zhuǎn)換器主要有雙積分型、逐次比較型和并行比較型三種。三種電路在精度、轉(zhuǎn)換速率及其他參數(shù)等方面各具特色，因而應(yīng)用都比較廣泛。 5. 由于D/A轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器在電子

16、系統(tǒng)、特別是數(shù)字系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛，技術(shù)與工藝的進(jìn)步，其新產(chǎn)品也不斷涌現(xiàn)。因此，要根據(jù)實(shí)際需要來選擇各項(xiàng)指標(biāo)以及價(jià)格、廠商等，切不可片面地追求某一項(xiàng)指標(biāo)。 4. 作為產(chǎn)品的實(shí)例，幾種中、大規(guī)模集成電路：7520、0832、MAX5013；0809、7106/7107、MAX1011，它們中既有應(yīng)用廣泛的傳統(tǒng)電路，也有剛剛推向市場的新產(chǎn)品。 本章習(xí)題類型與解題方法 1、 A/D、D/A轉(zhuǎn)換的基本概念、D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓的定量計(jì)算； 2、D/A轉(zhuǎn)換器應(yīng)用的題目； 3、D/A轉(zhuǎn)換器與A/D轉(zhuǎn)換器中參考電壓VREF穩(wěn)定度的計(jì)算。概念性比較強(qiáng)，有實(shí)用意義。 二、 D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用1、 組成波形發(fā)生器（1） 分析給定波形發(fā)生器電路。 找出D/A轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字序列數(shù)值，然后算出與這些數(shù)字量輸出模擬電壓數(shù)值，再將這些模擬電壓作為輸出波形的幅值，按時(shí)間順序畫出波形，就得到輸出電壓波形。（2） 設(shè)計(jì)產(chǎn)生波形發(fā)生器電路。2、 組成增益可編程放大器 一