數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)全套課件第07章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器

第7章

數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器7.1D/A轉(zhuǎn)換器7.2A/D轉(zhuǎn)換器讀圖練習(xí)：3位半數(shù)字電壓表在電子系統(tǒng)中，經(jīng)常用到數(shù)字量與模擬量的相互轉(zhuǎn)換。如工業(yè)生產(chǎn)過程中的濕度、壓力、溫度、流量，通信過程中的語言、圖像、文字等物理量需要轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，才能由計算機(jī)處理；而計算機(jī)處理后的數(shù)字量也必須再還原成相應(yīng)的模擬量，才能實現(xiàn)對模擬系統(tǒng)的控制，如數(shù)字音像信號如果不還原成模擬音像信號就不能被人們的視覺和聽覺系統(tǒng)接受。因此，數(shù)模轉(zhuǎn)換器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器是溝通模擬電路和數(shù)字電路的橋梁，也可稱之為兩者之間的接口，是數(shù)字電子技術(shù)的重要組成部分。能將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的電路稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC；能將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，簡稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC。ADC和DAC是溝通模擬電路和數(shù)字電路的橋梁，也可稱之為兩者之間的接口。能將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量(電流或電壓)，使輸出的模擬量與輸入的數(shù)字量成正比的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，簡稱D/A或DAC（Digital

to

Analog

Converter）。能將模擬電量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，使輸出的數(shù)字量與輸入的模擬電量成正比的電路稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱A/D或ADC（Analog

to

Digital

Converter）。D/A、A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展非常迅速，目前已有各種中、大規(guī)模的集成電路可供選用。雖然模擬量是無限可分的、連續(xù)的，數(shù)字量是離散的，數(shù)字量永遠(yuǎn)也不能精確地描述模擬量，但由于我們對客觀世界的了解、描述并不總需要極高的精度，所以選擇適當(dāng)精度的數(shù)字量來描述模擬量是完全夠用的。7.1D/A轉(zhuǎn)換器將輸入的每一位二進(jìn)制代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將代表各位的模擬量相加，所得的總模擬量就與數(shù)字量成正比，這樣便實現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。基本原理轉(zhuǎn)換特性D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性，是指其輸出模擬量和輸入數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。圖示是輸入為3位二進(jìn)制數(shù)時的D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性。理想的D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性，應(yīng)是輸出模擬量與輸入數(shù)字量成正比。即：輸出模擬電壓

uo=Ku×D或輸出模擬電流io=Ki×D。其中Ku或Ki為電壓或電流轉(zhuǎn)換比例系數(shù)，D為輸入二進(jìn)制數(shù)所代表的十進(jìn)制數(shù)。如果輸入為n位二進(jìn)制數(shù)dn-1dn-2…d1d0，則輸出模擬電壓為：7.1.1二進(jìn)制權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器1.電路結(jié)構(gòu)

不論模擬開關(guān)接到運(yùn)算放大器的反相輸入端（虛地）還是接到地，也就是不論輸入數(shù)字信號是1還是0，各支路的電流不變的。設(shè)RF=R/2總結(jié)二進(jìn)制權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)的電阻值是按4位二進(jìn)制數(shù)的位權(quán)大小取值的，最低位電阻值最大，為23R，然后依次減半，最高位對應(yīng)的電阻值最小，為20R。不論模擬開關(guān)接到運(yùn)算放大器的反相輸入端（虛地）還是接到地，也就是不論輸入數(shù)字信號是1還是0，各支路的電流是不變的。模擬開關(guān)S受輸入數(shù)字信號控制，若d=0，相應(yīng)的S合向同相輸入端（地）；若d=1，相應(yīng)的S合向反相輸入端。i正比于輸入的二進(jìn)制數(shù)，所以實現(xiàn)了數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。采用運(yùn)算放大器進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換有兩個優(yōu)點：一是起隔離作用，把負(fù)載電阻與電阻網(wǎng)絡(luò)相隔離，以減小負(fù)載電阻對電阻網(wǎng)絡(luò)的影響；二是可以調(diào)節(jié)RF控制滿刻度值（即輸入數(shù)字信號為全1）時輸出電壓的大小，使D/A轉(zhuǎn)換器的輸出達(dá)到設(shè)計要求。7.1.2R-2RT型網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器1.電路結(jié)構(gòu)

①分別從虛線A、B、C、D處向右看的二端網(wǎng)絡(luò)等效電阻都是R。②不論模擬開關(guān)接到運(yùn)算放大器的反相輸入端（虛地）還是接到地，也就是不論輸入數(shù)字信號是1還是0，各支路的電流不變?？偨Y(jié)當(dāng)只有一個電子模擬開關(guān)S合向1，而其余電子模擬開關(guān)S均合向0時，從該支路的2R電阻向左、右看去的等效電阻均為2R，該電流流向A點時，每經(jīng)過一節(jié)R-2R電路，電流就減少一半。

iΣ正比于輸入的二進(jìn)制數(shù)，實現(xiàn)了數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。輸出電壓也與輸入數(shù)字量成正比。7.1.3電子模擬開關(guān)1電路結(jié)構(gòu)圖7.3所示是一個CMOS電子模擬開關(guān)電路，它由兩級CMOS反相器產(chǎn)生兩路反相信號，各自控制一個CMOS開關(guān)管，實現(xiàn)模擬單刀雙擲的開關(guān)功能。圖7.3CMOS電子模擬開關(guān)（2）工作原理當(dāng)輸入數(shù)字信號DI=1時，V1截止，V3導(dǎo)通，V3輸出為低電平0，經(jīng)V4、V5組成的第一級反相器后輸出高電平，使V9導(dǎo)通；同時第一級反相器輸出的高電平再經(jīng)V6、V7組成的第二級反相器后輸出低電平，使V8截止。此時，2R支路經(jīng)導(dǎo)通管V9接向位置1。反之當(dāng)輸入數(shù)字信號DI=0時，V8導(dǎo)通，V9截止，2R支路被連到位置0。7.1.4D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)1.分辨率

分辨率是指對輸出電壓的分辨能力。分辨率用輸入二進(jìn)制數(shù)的有效位數(shù)表示。在分辨率為n位的D/A轉(zhuǎn)換器中，輸出電壓能區(qū)分2n個不同的輸入二進(jìn)制代碼狀態(tài)，能給出2n個不同等級的輸出模擬電壓。分辨率也可以用D/A轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓的比值來表示。最小輸出電壓就是對應(yīng)于輸入數(shù)字量最低位(LSB)為1，其余位均為0時的輸出電壓，記為ULSB。最大輸出電壓就是對應(yīng)于輸入數(shù)字量各位均為1時的輸出電壓，記為UFSR。10位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為：

2.轉(zhuǎn)換精度D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度分絕對精度和相對精度。絕對精度是指實際輸出模擬電壓值與理論輸出之差，通常用最小分辨電壓的倍數(shù)表示，即最大靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。相對精度是絕對精度與滿刻度輸出電壓（或電流）之比，通常用百分?jǐn)?shù)表示。3.轉(zhuǎn)換時間D/A轉(zhuǎn)換器從輸入數(shù)字信號起，到輸出電壓或電流達(dá)到穩(wěn)定值為止所需要的時間，稱為轉(zhuǎn)換時間，它決定D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。7.1.4集成D/A轉(zhuǎn)換器集成D/A轉(zhuǎn)換器品種繁多。從內(nèi)部結(jié)構(gòu)上看，有只含有電阻網(wǎng)絡(luò)和電子模擬開關(guān)的基本D/A轉(zhuǎn)換器。也有在內(nèi)部增加了數(shù)據(jù)鎖存器，并具有片選控制和數(shù)據(jù)輸入控制端的D/A轉(zhuǎn)換器。還有將基準(zhǔn)電壓源、求和運(yùn)放等均集成在芯片上的完整的D/A轉(zhuǎn)換器。根據(jù)DAC的轉(zhuǎn)換位數(shù)和轉(zhuǎn)換速度不同，集成D/A轉(zhuǎn)換芯片有多種型號，如DAC0832、DAC0830、DAC0831、AD7524等。5.2.3集成D/A轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用1.DAC0832介紹D/A集成芯片DAC0832(DAC0830、DAC0831)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7.4所示。從圖7.4中可以看出，DAC0832由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器和8位D/A轉(zhuǎn)換器三大部分組成。圖7.4DAC0832(DAC0830、DAC0831)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)DAC0832的外部引腳圖如圖7.5所示。圖7.5DAC0832的外部引腳圖2.DAC0832的應(yīng)用DAC0832在應(yīng)用中有三種方式：雙緩沖型、單緩沖型和直通型，如圖7.6所示。圖7.6DAC0832的三種應(yīng)用方式

D/A轉(zhuǎn)換器的功能是將輸入的二進(jìn)制數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的模擬信號輸出。D/A轉(zhuǎn)換器根據(jù)工作原理基本上可分為二進(jìn)制權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器和T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器兩大類。由于T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器只要求兩種阻值的電阻，因此最適合于集成工藝，集成D/A轉(zhuǎn)換器普遍采用這種電路結(jié)構(gòu)。如果輸入的是n位二進(jìn)制數(shù)，則D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為：小結(jié)7.2A/D轉(zhuǎn)換器7.2.1概述1.A/D轉(zhuǎn)換的基本原理

模擬電子開關(guān)S在采樣脈沖CPS的控制下重復(fù)接通、斷開的過程。S接通時，ui(t)對C充電，為采樣過程；S斷開時，C上的電壓保持不變，為保持過程。在保持過程中，采樣的模擬電壓經(jīng)數(shù)字化編碼電路轉(zhuǎn)換成一組n位的二進(jìn)制數(shù)輸出。2.采樣-保持原理

t0時刻S閉合，CH被迅速充電，電路處于采樣階段。由于兩個放大器的增益都為1，因此這一階段uo跟隨ui變化，即uo＝ui。t1時刻采樣階段結(jié)束，S斷開，電路處于保持階段。若A2的輸入阻抗為無窮大，S為理想開關(guān)，則CH沒有放電回路，兩端保持充電時的最終電壓值不變，從而保證電路輸出端的電壓uo維持不變。3.A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)（1）分辨率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。例如，輸入模擬電壓的變化范圍為0～5V，輸出8位二進(jìn)制數(shù)可以分辨的最小模擬電壓為5V×2－8＝20mV；而輸出12位二進(jìn)制數(shù)可以分辨的最小模擬電壓為5V×2－12≈1.22mV。（2）相對精度在理想情況下，所有的轉(zhuǎn)換點應(yīng)當(dāng)在一條直線上。相對精度是指實際的各個轉(zhuǎn)換點偏離理想特性的誤差。（3）轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度是指完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間。轉(zhuǎn)換時間是指從接到轉(zhuǎn)換控制信號開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字輸出信號所經(jīng)過的這段時間。7.2.2常用的A/D轉(zhuǎn)換器類型1.并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器

0≤ui＜VREF/14時，7個比較器輸出全為0，CP到來后，7個觸發(fā)器都置0。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進(jìn)制代碼為d2d1d0＝000。VREF/14≤ui＜3VREF/14時，7個比較器中只有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。3VREF/14≤ui＜5VREF/14時，比較器C1、C2輸出為1，CP到來后，觸發(fā)器FF1、FF2置1。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進(jìn)制代碼為d2d1d0＝010。5VREF/14≤ui＜7VREF/14時，比較器C1、C2、C3輸出為1，CP到來后，觸發(fā)器FF1、FF2、FF3置1。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進(jìn)制代碼為d2d1d0=011。依此類推，可以列出ui為不同等級時寄存器的狀態(tài)及相應(yīng)的輸出二進(jìn)制數(shù)。2.逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換開始前先將所有寄存器清零。開始轉(zhuǎn)換以后，時鐘脈沖首先將寄存器最高位置成1，使輸出數(shù)字為100…0。這個數(shù)碼被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓uo，送到比較器中與ui進(jìn)行比較。若ui＞uo，說明數(shù)字過大了，故將最高位的1清除；若ui＜uo，說明數(shù)字還不夠大，應(yīng)將這一位保留。然后，再按同樣的方式將次高位置成1，并且經(jīng)過比較以后確定這個1是否應(yīng)該保留。這樣逐位比較下去，一直到最低位為止。比較完畢后，寄存器中的狀態(tài)就是所要求的數(shù)字量輸出。原理框圖基本原理3位A/D轉(zhuǎn)換器的原理圖

轉(zhuǎn)換開始前，先使Q1=Q2=Q3=Q4=0，Q5=1，第一個CP到來后，Q1=1，Q2=Q3=Q4=Q5=0，于是FFA被置1，F(xiàn)FB和FFC被置0。這時加到D/A轉(zhuǎn)換器輸入端的代碼為100，并在D/A轉(zhuǎn)換器的輸出端得到相應(yīng)的模擬電壓輸出uo。uo和ui在比較器中比較，當(dāng)若ui＜uo時，比較器輸出uc=1；當(dāng)ui≥uo時，uc=0。

第二個CP到來后，環(huán)形計數(shù)器右移一位，變成Q2=1，Q1=Q3=Q4=Q5=0，這時門G1打開，若原來uc=1，則FFA被置0，若原來uc=0，則FFA的1狀態(tài)保留。與此同時，Q2的高電平將FFB置1。第三個CP到來后，環(huán)形計數(shù)器又右移一位，一方面將FFC置1，同時將門G2打開，并根據(jù)比較器的輸出決定FFB的1狀態(tài)是否應(yīng)該保留。第四個CP到來后，環(huán)形計數(shù)器Q4=1，Q1=Q2=Q3=Q5=0，門G3打開，根據(jù)比較器的輸出決定FFC的1狀態(tài)是否應(yīng)該保留。第五個CP到來后，環(huán)形計數(shù)器Q5=1，Q1=Q2=Q3=Q4=0，F(xiàn)FA、FFB、FFC的狀態(tài)作為轉(zhuǎn)換結(jié)果，通過門G6、G7、G8送出。工作原理圖7.12逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換的逼近過程一個n位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換要進(jìn)行n次比較，需要n+2個時鐘脈沖。其轉(zhuǎn)換速度較慢，屬于中速A/D轉(zhuǎn)換器。但由于電路簡單，成本低，因此，也被廣泛使用。3.雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器基本原理：對輸入模擬電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行兩次積分，先對輸入模擬電壓進(jìn)行積分，將其變換成與輸入模擬電壓成正比的時間間隔T1，再利用計數(shù)器測出此時間間隔，則計數(shù)器所計的數(shù)字量就正比于輸入的模擬電壓；接著對基準(zhǔn)電壓進(jìn)行同樣的處理。原理電路雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器是一種間接型A/D轉(zhuǎn)換器，它由基準(zhǔn)電壓VREF、積分器、比較器、計數(shù)器和定時觸發(fā)器組成雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理是對輸入模擬電壓uI和參考電壓VREF分別進(jìn)行積分，將兩次電壓平均值分別變換成與之成正比的時間間隔，然后，利用時鐘脈沖和計數(shù)器測出此時間間隔，通過運(yùn)算得到相應(yīng)的數(shù)字量輸出。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器由于轉(zhuǎn)換一次要進(jìn)行兩次積分，所以，轉(zhuǎn)換時間長，工作速度慢，但它的電路結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)換精度高，抗干擾能力強(qiáng)，因此，常用于低速場合。7.2.3集成A/D轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用集成A/D轉(zhuǎn)換器種類很多，如從使用角度上可分為兩大類：一類在電子電路中使用，不帶使能控制端；另一類帶有使能端，可與計算機(jī)相連。1.ADC0804A/D轉(zhuǎn)換器ADC0804是逐次逼近型單通道CMOS8位A/D轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時間小于100μs，電源電壓+5V，輸入輸出都和TTL兼容，輸入電壓范圍0～+5V模擬信號，內(nèi)部含有時鐘電路，圖7.14為ADC0804的管腳排列圖。圖7.14ADC0804管腳排列圖圖7.15是ADC0804的典型應(yīng)用電路。圖7.15ADC0804的典型應(yīng)用電路

A/D轉(zhuǎn)換器的功能是將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成一組多位的二進(jìn)制數(shù)字輸出。不同的A/D轉(zhuǎn)換方式具有各自的特點。并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度快，主要缺點是要使用的比較器和觸發(fā)器很多，隨著分辨率的提高，所需元件數(shù)目按幾何級數(shù)增加。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的性能比較穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換精度高，具有很高的抗干擾能力，電路結(jié)構(gòu)簡單，其缺點是工作速度較低，在對轉(zhuǎn)換精度要求較高，而對轉(zhuǎn)換速度要求較低的場合，如數(shù)字萬用表等檢測儀器中，得到了廣泛的應(yīng)用逐次逼近型A/D