數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器

第九章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器1第九章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器§9.1

D/A轉(zhuǎn)換器§9.2

A/D轉(zhuǎn)換器2

數(shù)模與模數(shù)變換器是計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備的重要接口,也是數(shù)字測量和數(shù)字控制系統(tǒng)的重要部件。

能將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的裝置稱為數(shù)/模變換器(簡稱D/A轉(zhuǎn)換器

);能將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的裝置稱為模/數(shù)變換器(簡稱A/D轉(zhuǎn)換器

)。

概述3A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用放大器傳感器(溫度、壓力、流量、應(yīng)力等）采樣/保持器A/D計(jì)算機(jī)顯示器D/A示波器打印機(jī)計(jì)算機(jī)進(jìn)行各種數(shù)字處理（如濾波、計(jì)算）、數(shù)據(jù)保存、打印等顯示器顯示字符、曲線、圖形、圖象等4

由于構(gòu)成數(shù)字代碼的每一位都有一定的“權(quán)重”，因此為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，就必須將每一位代碼按其“權(quán)重”轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后再將代表各位的模擬量相加，即可得到與該數(shù)字量成正比的模擬量，這就是構(gòu)成。D/A變換器的基本思想§9.1D/A轉(zhuǎn)換器5(1)D/A功能:將數(shù)字量成正比地轉(zhuǎn)換成模擬量D/An=4位8位10位12位16位n位數(shù)字量模擬量0~5V或0~10VD/A轉(zhuǎn)換器原理6

D/A功能(續(xù))4位數(shù)據(jù):00000V11115V分辨率:5V/15=0.333V/每1個(gè)最低有效位8位數(shù)據(jù):000000000V111111115V分辨率:5V/255=0.0196V/每1個(gè)最低有效位7一．D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理

對于有權(quán)碼，先將每位代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字量成正比的總模擬量，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換。0123456001010011100101110111D/A轉(zhuǎn)換器DDD01n-1...vo輸入輸出vo/VD00081.

權(quán)電阻D/A變換器

這種變換器由“電子模擬開關(guān)”、“權(quán)電阻求和網(wǎng)絡(luò)”、“運(yùn)算放大器”和“基準(zhǔn)電源”等部分組成。

UR++-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RFD3D2D1D000115kR=80

k00119

電子模擬開關(guān)(S0-S3)由電子器件構(gòu)成，其動作受二進(jìn)制數(shù)D0-D3

控制。當(dāng)DK＝1時(shí)，則相應(yīng)的開關(guān)SK

接到位置1上，將基準(zhǔn)電源UR經(jīng)電阻Rk引起的電流接到運(yùn)算放大器的虛地點(diǎn)（如圖中S0、S1）；當(dāng)Dk＝0時(shí)，開關(guān)Sk

接到位置0，將相應(yīng)電流直接接地而不進(jìn)運(yùn)放（如圖中S2、S3）。++-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RFD3D2D1D00011

UR5

kR=80

k10T1T2SDa電子模擬開關(guān)的簡化原理電路

當(dāng)D=1時(shí)，T2

管飽和導(dǎo)通，T1

管截止，則S與a點(diǎn)通；

當(dāng)D=0時(shí)，T1

管飽和導(dǎo)通，T2

管截止，則S被接地。

前者相當(dāng)于開關(guān)S接到“1”端，后者則相當(dāng)于開關(guān)S接到“0

”端。11Uo

=-URRFR（）D3D0D1D223202122＋＋＋根據(jù)反相比例運(yùn)算公式可得：

顯然，輸出模擬電壓的大小直接與輸入二進(jìn)制數(shù)的大小成正比，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。++-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RFD3D2D1D00011

UR5

kR=80

k122．倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器（4位）所以，無論Si處于何種位置，與Si相連的2R電阻均接“地”（地或虛地）。圖中S0～S3為模擬開關(guān)，由輸入數(shù)碼Di控制，當(dāng)Di=1時(shí)，Si接運(yùn)算放大器反相輸入端（虛地），電流Ii流入求和電路；當(dāng)Di=0時(shí)，Si將電阻2R接地。DDDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+Avoi|2f1682R2R+V2RRI4R4IREFI8II2R2RIRIII162213可算出，基準(zhǔn)電流I=VREF/R，輸出電壓：則流過各開關(guān)支路（從右到左）的電流分別為I/2、I/4、I/8、I/16。于是得總電流：將輸入數(shù)字量擴(kuò)展到n位，則有：可簡寫為：vO=－KNB

其中：K=表明:D/A電路輸出模擬電壓UO與輸入的數(shù)字量D3D2D1D0成正比143．權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器為進(jìn)一步提高D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度，可采用權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器。DDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+Avoi|2fI24I8I16IVREFD15采用具有電流負(fù)反饋的BJT恒流源電路的權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器：DDDD(LSB)(MSB)SSSS33221100R+AvoiΣf+A1216II216II4I8IIIIIIIREFE3E2E1E0ECBBV2R2RR2RR2RRR2REE偏置偏置電流I=IREF=REFVR1TTTTTTr3210c1RREFVVR+VR—16由倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)分析可知，IE3=I/2，IE2=I/4，IE1=I/8，IE0=I/16，

于是可得輸出電壓為

可推得n位倒T形權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓：基準(zhǔn)電流：17

權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器DAC0808的電路結(jié)構(gòu)框圖IO是求和電流的輸出端。VREF+和VREF—接基準(zhǔn)電流發(fā)生電路中運(yùn)算放大器的反相輸入端和同相輸入端。COMP供外接補(bǔ)償電容之用。VCC和VEE為正負(fù)電源輸入端。18二．D/A轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例DAC0808是8位權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器，其中D0～D7是數(shù)字量輸入端。用這類器件構(gòu)成的D/A轉(zhuǎn)換器時(shí)，需要外接運(yùn)算放大器和產(chǎn)生基準(zhǔn)電流用的電阻R1。當(dāng)VREF=10V、R1=5kΩ、Rf=5kΩ時(shí)，輸出電壓為：56789101112DDDDDDDD01234567vO+5kΩ5kΩ5kΩREFV0.01μF13CCV=+5VEEV=-15VA數(shù)字量輸入模擬量輸出DAC0808（LSB）（MSB）141524163Rf1R19DAC0808D/A轉(zhuǎn)換器輸出與輸入的關(guān)系（設(shè)VREF=10V）201.轉(zhuǎn)換精度五．D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)（2）轉(zhuǎn)換誤差——D/A轉(zhuǎn)換器的絕對誤差（或絕對精度）是指輸入端加入最大數(shù)字量（全1）時(shí)，D/A轉(zhuǎn)換器的理論值與實(shí)際值之差。該誤差值應(yīng)低于LSB/2。此外，也可用D/A轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比來表示分辨率，N位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率可表示為1/（2n-1）。2.轉(zhuǎn)換速度3.溫度系數(shù)——在輸入不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化產(chǎn)生的變化量。一般用滿刻度輸出條件下溫度每升高1℃，輸出電壓變化的百分?jǐn)?shù)作為溫度系數(shù)。（2）轉(zhuǎn)換速率（SR）——在大信號工作狀態(tài)下模擬電壓的變化率。（1）分辨率——D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級數(shù)。輸入數(shù)字量位數(shù)越多，分辨率越高。所以，在實(shí)際應(yīng)用中，常用字量的位數(shù)表示D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率。（1）建立時(shí)間（tset）——當(dāng)輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時(shí)，輸出電壓變化到相應(yīng)穩(wěn)定電壓值所需時(shí)間。最短可達(dá)0.1μS。21一、A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟和取樣定理由于輸入的模擬信號在時(shí)間上是連續(xù)量，所以一般的A/D轉(zhuǎn)換過程為：取樣、保持、量化和編碼。CPSSADC取樣保持電路ADC的量化編碼電路...DDDn-110vI（t）vI（t）輸入模擬電壓取樣展寬信號數(shù)字量輸出（n位）量化:采保輸出電壓按某種近似方式歸化到相應(yīng)的離散電.編碼:用一定字長的二進(jìn)制碼表示的過程.§9.2A/D轉(zhuǎn)換器22

取樣定理：

因?yàn)槊看伟讶与妷恨D(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量都需要一定的時(shí)間，所以在每次取樣以后，必須把取樣電壓保持一段時(shí)間?？梢?，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)所用的輸入電壓，實(shí)際上是每次取樣結(jié)束時(shí)的vI值。式中fS為取樣頻率，fimax為輸入信號vI的最高頻率分量的頻率。23二、取樣—保持電路電路組成及工作原理（取Ri=Rf）:當(dāng)控制信號vL為高電平時(shí)，T導(dǎo)通，vI經(jīng)電阻Ri和T向電容Ch充電。則充電結(jié)束后vO=－vI=vC。N溝道MOS管T作為開關(guān)用。當(dāng)控制信號返回低電平后，T截止。Ch無放電回路，所以vO的數(shù)值可被保存下來。24(1)A/D功能:將模擬電壓成正比地轉(zhuǎn)換成數(shù)字量A/DUI輸入模擬電壓D7~D0輸出數(shù)字量0~5V00000000~11111111分辨率:5V/255=0.0196V/每1個(gè)最低有效位三、A/D功能及分類25(2)A/D轉(zhuǎn)換器分類①并聯(lián)比較型

特點(diǎn):轉(zhuǎn)換速度快,轉(zhuǎn)換時(shí)間10ns~1s②逐次逼近型

特點(diǎn):轉(zhuǎn)換速度中,轉(zhuǎn)換時(shí)間幾s~100s③雙積分型

特點(diǎn):轉(zhuǎn)換速度慢,轉(zhuǎn)換時(shí)間幾百s~幾ms根據(jù)內(nèi)部電路不同,分為以下三類:261．并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器（3位）CCCCCCC4CCCCO4CCCRRRRRRRR/2VREFVREFREFVVREFVREF15151515131131DQQC11D1D碼QD(MSB)編1DQ先2QQQ1D1D優(yōu)C1器C11D01D(LSB)C11C1C1C1DICPv電壓比較器寄存器代碼轉(zhuǎn)換器O7O1O2O6O5O31762531234567IIIIIII765432127輸入模擬電壓寄存器狀態(tài)數(shù)字量輸出（代碼轉(zhuǎn)換器輸入）（代碼轉(zhuǎn)換器輸出）QQQQQQQ7654321DDD210vI~15()15)(15~15)(15~15)(15~15)(15~15)(15~15)(15~15)(~11033557799111113131VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF00000011111111111110111001100110110111000100100000000100000001010011100101110111并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器真值表282逐次比較型A/D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<待測重量Wx，故保留砝碼總重仍<待測重量Wx，故保留砝碼總重>待測重量Wx，故撤除砝碼總重＝待測重量Wx，故保留暫時(shí)結(jié)果8克12克12克13克

結(jié)論291)．轉(zhuǎn)換原理：逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器302)．邏輯電路RSQC1RSQC11DS1RCQ1DS1RCQ1DS1RCQ1D123401DRQQQQQABCDESCPABCDEF移位寄存器DDDD123轉(zhuǎn)換器D/AVFFFFFFFFFF01234數(shù)據(jù)寄存器DDDD32100&CPQ5啟動脈沖+5V+5V+5VC1REF（MSB）（LSB）vIvOvC1GG12FF5313．雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器它由積分器、過零比較器（C）、時(shí)鐘脈沖控制門（G）和定時(shí)器、計(jì)數(shù)器（FF0～FFn）等幾部分組成。C1nFFR1J1KC1n-1FFR1J1KC11FFR1J1KC10FFR1J1K1111ACRCvOvCTCS2n級計(jì)數(shù)器DDDn-110...（MSB）（LSB）數(shù)字量輸出Qn-1Q1Q0QnCR+A1ISVvREFSVB1CP&vG32（2）第一次積分階段工作原理：（1）準(zhǔn)備階段計(jì)數(shù)器清零，積分電容放電，

vO=0V。t=0時(shí)，開關(guān)S1與A端接通，輸入電壓vI加到積分器的輸入端。積分器從0開始積分：ooooTT12ttttT1T2vs1ovGvc+IvREFVvp12λott1t2vQn(a)(b)(c)(d)(e)33由于vO<0V，過零比較器輸出vC=1，控制門G打開。計(jì)數(shù)器從0開始計(jì)數(shù)。t=T1=2nTC

經(jīng)過2n個(gè)時(shí)鐘脈沖后，觸發(fā)器FF0～FFn－1都翻轉(zhuǎn)到0態(tài)，而Qn=1，開關(guān)S1由A點(diǎn)轉(zhuǎn)到B點(diǎn)，第一次積分結(jié)束。第一次積分時(shí)間為：

（3）第二次積分階段第一次積分結(jié)束時(shí)，積分器的輸出電壓VP為：當(dāng)t=t1時(shí)，S1轉(zhuǎn)接到B點(diǎn)，基準(zhǔn)電壓－VREF加到積分器的輸入端；積分器開始向相反進(jìn)行第二次積分。當(dāng)t=t2時(shí)，積分器輸出電壓vO>0V，比較器輸出vC=0，控制門G被關(guān)閉，計(jì)數(shù)停止。34在此階段結(jié)束時(shí)vO的表達(dá)式可寫為：設(shè)T2=t2－t1，于是有：設(shè)在此期間計(jì)數(shù)器所累計(jì)的時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)為λ，則：可見，T2與VI成正比，T2就是雙積分A/D轉(zhuǎn)換過程的中間變量。上式表明，計(jì)數(shù)器中所計(jì)得的數(shù)λ（λ=Qn-1…Q1Q0），與在取樣時(shí)間T1內(nèi)輸入電壓的平均值VI成正比。只要VI