數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換

1、關(guān)于數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換第一張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 教學(xué)要求 1、掌握DAC和ADC的定義及應(yīng)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。 第二張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月11.1 概述模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D轉(zhuǎn)換）：將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的電路稱為A/D轉(zhuǎn)換器，簡寫為ADC(Analog-Digital Converter)數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A轉(zhuǎn)換）：將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的電路稱為D/A轉(zhuǎn)換器，簡寫為DAC(Digita

2、l-Analog Converter)第三張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月用途Sensor放大器A/DMicrocomputer控制對(duì)象D/A溫度時(shí)間要求:！精度！速度電加熱爐熱電偶第四張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 D/A轉(zhuǎn)換器的任務(wù)是接收到一個(gè)數(shù)字量(D)后，輸出一個(gè)相應(yīng)的電壓(A)。11.2 D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的電路。D00111111 D/A轉(zhuǎn)換器A(電壓or電流) ？第五張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月電阻網(wǎng)絡(luò)求和放大器參考電壓一、權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器電子開關(guān)虛短:V-V+=0電子開關(guān)由輸入數(shù)字信號(hào)D控制；D=d3d2d1d0， ；

3、當(dāng)di=1時(shí)Si接到VREF；當(dāng)di=0時(shí)Si接到地。第六張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月一、權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器虛短:V-V+=0第七張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 n位權(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：輸出電壓的變化范圍:優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，所用的電阻元件數(shù)很少。缺點(diǎn)：各電阻的阻值相差較大，不能保證有很高的精度。第八張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月二、倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器第九張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 由于V-V+=0,所以無論開關(guān)S合到哪一邊，都相當(dāng)于接到了“地” ，流過各支路的電流始終不變。第十張，P

4、PT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 n 位輸入的倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，當(dāng)反饋電阻取為R時(shí)，輸出電壓的計(jì)算公式：優(yōu)點(diǎn)：（1）只有R和2R兩種阻值的電阻，可達(dá)到較高的精度；（2）各支路電流恒定不變，在開關(guān)狀態(tài)變化時(shí)，不需電流建立時(shí)間，所以電路轉(zhuǎn)換速度高，使用廣泛。第十一張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月CB7520電路原理圖習(xí)題3、4、5第十二張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月三、權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器恒流源第十三張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 為減少電阻阻值的種類，在實(shí)用的權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器中，經(jīng)常利用倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)的分流作用產(chǎn)生一組所需的恒流源。按比例加大發(fā)

5、射結(jié)的面積第十四張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月DAC0808電路結(jié)構(gòu)框圖第十五張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月已知VREF=10V?第十六張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月當(dāng)輸入數(shù)字量有極性時(shí)，希望輸出的模擬電壓也對(duì)應(yīng)為。例：輸入為三位二進(jìn)制補(bǔ)碼。最高位為符號(hào)位：正數(shù)為0，負(fù)數(shù)為1補(bǔ)碼輸入對(duì)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四、具有雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器第十七張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月原碼輸入對(duì)應(yīng)的輸出偏移后的輸出D2 D

6、1 D0111+7V+3V110+6V+2V101+5V+1V100+4V0V011+3V-1V010+2V-2V001+1V-3V0000V-4V補(bǔ)碼輸入對(duì)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*將符號(hào)位反相后接至高位輸入*將輸出偏移,使輸入為100時(shí)，輸出為01雙極性輸出單極性輸出如何將單極性的D/A轉(zhuǎn)換器改造成雙極性D/A轉(zhuǎn)換器？第十八張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月接偏置電流符號(hào)位求反*將符號(hào)位反相后接至高位輸入*將輸出偏移,使輸入為100時(shí)，輸出為0電路

7、實(shí)現(xiàn)：第十九張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月*將符號(hào)位反相后接至高位輸入*將輸出偏移,使輸入為100時(shí)，輸出為0電路實(shí)現(xiàn)：偏移-4V,使輸入D=100時(shí),v0=0V選擇合適的VB和RB可實(shí)現(xiàn)雙極性輸出習(xí)題6、7第二十張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月五、D/A轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)（1）分辨率：D/A轉(zhuǎn)換器理論上可達(dá)到的精度。 1. D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度 分辨率也可用D/A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。例如：10位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為： 分辨率可以用輸入二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)表示。 分辨率也可以用D/A轉(zhuǎn)換器能夠分辨出來的最小輸出電壓表示（1LSB）。第

8、二十一張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）轉(zhuǎn)換誤差： D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際上能達(dá)到的轉(zhuǎn)換精度（誤差）。 可以用輸出電壓滿刻度值的百分?jǐn)?shù)表示，也可用最低位有效值的倍數(shù)（ m LSB ）表示。第二十二張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月（1）建立時(shí)間tset：指輸入數(shù)字量各位由全0變?yōu)槿?或由全1變?yōu)槿?時(shí),輸出電壓達(dá)到某一規(guī)定值所需要的時(shí)間。通常建立時(shí)間在100 ns 幾十s之間。2. D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度（2）轉(zhuǎn)換速率SR：習(xí)題13、11第二十三張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月11.3 AD轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器 UI輸入模擬電壓D7D0輸出數(shù)字量0 V 5 V00000

9、00011111111第二十四張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月一、A/D轉(zhuǎn)換的基本原理 A/D轉(zhuǎn)換的三個(gè)過程：采樣量化編碼 第二十五張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月采樣 采樣是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行周期性地抽取樣值的過程。 把模擬信號(hào) vI 轉(zhuǎn)換成時(shí)間上斷續(xù)、幅度等于采樣時(shí)模擬信號(hào)值的離散信號(hào) vS 。采樣定理：fs2fi(max)輸入模擬信號(hào)中的最高頻率采樣頻率由采樣-保持電路完成第二十六張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月量化 將采樣保持電路的輸出電壓，按某種近似方式歸化到與之相應(yīng)的離散電平上，這一轉(zhuǎn)化過程稱為數(shù)值量化，簡稱量化。 量化后的數(shù)值用一個(gè)二進(jìn)制代碼表示出來，這

10、一過程稱為編碼。 將采樣輸出電壓表示為一個(gè)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(1LSB），用 表示。編碼 量化編碼過程第二十七張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月取量化間隔: =0.5V雙極性信號(hào)量化編碼過程第二十八張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月量化誤差： 當(dāng)采樣電壓不能被整除時(shí)，將引入量化誤差0V第二十九張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月二、直接A/D轉(zhuǎn)換器 并聯(lián)比較型0viVREF/15時(shí)，7個(gè)比較器輸出全為0，CP 到來后，7個(gè)觸發(fā)器都置0。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進(jìn)制代碼為d2d1d0000。第三十一

11、張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月時(shí)，7個(gè)比較器中只有C1輸出為1，CP到來后，只有觸發(fā)器FF1置1，其余觸發(fā)器仍為0。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進(jìn)制代碼為d2d1d0=001。第三十二張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月時(shí)，比較器中C1、C2輸出為1，CP到來后，觸發(fā)器FF1、FF2置1，其余觸發(fā)器仍為0。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進(jìn)制代碼為d2d1d0=011。第三十三張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十四張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月*快: CP觸發(fā)信號(hào)到達(dá)到輸出穩(wěn)定建立只需幾十ns*精度: 受參考電壓、分壓網(wǎng)絡(luò)等因素影響*電路規(guī)模: n位需要2n-1比較器

12、，觸發(fā)器。并聯(lián)比較型特點(diǎn)第三十五張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月逐次比較型AD轉(zhuǎn)換器 其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四個(gè)砝碼共重15克，每個(gè)重量分別為8、4、2、1克。設(shè)待秤重量Wx = 13克，可以用下表步驟來秤量：砝碼重第一次第二次第三次第四次加4克加2克加1克8 克砝碼總重 待測(cè)重量Wx ，故保留砝碼總重仍 待測(cè)重量Wx ，故撤除砝碼總重 待測(cè)重量Wx ，故保留暫時(shí)結(jié)果8 克12 克12 克13 克 結(jié) 論反饋比較型 第三十六張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月！電路不太復(fù)雜！較快反饋比較型 第三十七張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月1 0 0 0 0逐次比較

13、型A/D轉(zhuǎn)換器電路原理圖0 0 000 0 01 1第三十八張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月1 0 0 0 03位：5個(gè)CPN位: ( n+2)個(gè)CP逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器電路原理圖0 0 000 0 01 110 1 0 0 00 0110第三十九張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月三、間接A/D轉(zhuǎn)換器雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器又稱為電壓時(shí)間變換型（VT變換型）第四十張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器0，t =T1時(shí)第四十一張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器第四十二張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月 先將Vi轉(zhuǎn)換成與之

14、成正比的時(shí)間信號(hào)，然后在這個(gè)時(shí)間內(nèi)用固定頻率脈沖計(jì)數(shù).雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器原理:（VT變換型） A/D轉(zhuǎn)換器第四十三張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月控制電路的實(shí)現(xiàn)第四十四張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月V-F 變換型fout=k1vI ; 計(jì)數(shù)器在TG時(shí)間里對(duì)fout計(jì)數(shù)，則 D= TG fout = TGk1vID適合遠(yuǎn)距離傳輸?shù)谒氖鍙?，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月不同的A/D轉(zhuǎn)換器的比較第四十六張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月四、A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù) A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率用輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示，位數(shù)越多，誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高。分辨率也可以用1

15、LSB的電壓表示，是 A/D轉(zhuǎn)換器能夠分辨出來的最小輸出電壓。例如：輸入模擬電壓的變化范圍為05V，輸出10位二進(jìn)制數(shù)可以分辨的最小模擬電壓為5V2104.88mV。(1)分辨率：1.A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度（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)字量之間的差別。第四十七張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月2. A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度 A/D轉(zhuǎn)換速度是指完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間是指從接到模擬輸入信號(hào)開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字輸出信號(hào)所經(jīng)過的這段時(shí)間。 A/D轉(zhuǎn)換速度取決于電路結(jié)構(gòu)類型:并聯(lián)比較型：1uS逐次逼近型：幾100uS雙積分

16、型：幾十mS/次第四十八張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月AD7767是高速、低功耗、單電源供電、高精度的24位AD轉(zhuǎn)換器，它采用逐次逼近結(jié)構(gòu)。芯片內(nèi)部還集成了跟蹤保持電路，此器件廣泛的應(yīng)用于多通道系統(tǒng)中。其特點(diǎn)如下：(1) 功耗為15mw，109.5dB動(dòng)態(tài)范圍，轉(zhuǎn)換速率128kbs。(2) 高精度：24位內(nèi)無誤編碼(No Missing Codes；NMC)。(3) 溫度漂移性低，零誤差漂移為15nV/度(攝氏) 。(5) 工作溫度范圍：-40至105。(6) 片內(nèi)自帶低通FIR濾波器: 帶通紋波：0.005dB，帶阻衰減：100dB*A/D轉(zhuǎn)換器芯片介紹第四十九張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月AD7767的主要引腳及功能：VREF：基準(zhǔn)輸入端,電壓值范圍是2.4V5VMCLK：主時(shí)鐘輸入。AD7767的采樣頻率 等于主時(shí)鐘頻率。 DVDD：數(shù)字電源輸入端。 CS ：片選端。在它的下降沿，轉(zhuǎn)換結(jié)果 放到數(shù)據(jù)總線上。SDI：串行數(shù)據(jù)輸入端。用于多片D7767 級(jí)聯(lián)的輸入。SDO：24位串行數(shù)據(jù)輸出端，高位先出。DRDY：數(shù)據(jù)準(zhǔn)備輸出端。它的下降沿表示有新的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)已經(jīng)存在輸出寄存器中SCLK：串行時(shí)鐘輸入。V in+ ：模擬差分輸入的正端。V in- ：模擬差分輸入的負(fù)端。 ：多片同步及掉電輸入端。第五十張，PPT共五十五頁，創(chuàng)作于2022年6月