第23章模擬量和數(shù)字量的轉換

第23章模擬量和數(shù)字量的轉換學習要點：數(shù)模和模數(shù)轉換的基本原理概述能將模擬量轉換為數(shù)字量的電路稱為模數(shù)轉換器，簡稱A/D轉換器或ADC；能將數(shù)字量轉換為模擬量的電路稱為數(shù)模轉換器，簡稱D/A轉換器或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。數(shù)—模和?！獢?shù)轉換的原理框圖D/A和A/D轉換器的原理框圖23.1D/A轉換器23.1.1D/A轉換器的技術指標將輸入的每一位二進制代碼按其權的大小轉換成相應的模擬量，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)字量到模擬量的轉換?；驹磙D換特性D/A轉換器的轉換特性，是指其輸出模擬量和輸入數(shù)字量之間的轉換關系。圖示是輸入為3位二進制數(shù)時的D/A轉換器的轉換特性。理想的D/A轉換器的轉換特性，應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為電壓或電流轉換比例系數(shù)，D為輸入二進制數(shù)所代表的十進制數(shù)。如果輸入為n位二進制數(shù)dn-1dn-2…d1d0，則輸出模擬電壓為：（1）分辨率分辨率用輸入二進制數(shù)的有效位數(shù)表示。在分辨率為n位的D/A轉換器中，輸出電壓能區(qū)分2n個不同的輸入二進制代碼狀態(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轉換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓的比值來表示。10位D/A轉換器的分辨率為：（2）精度D/A轉換器的轉換精度是指輸出模擬電壓的實際值與理想值之差，即最大靜態(tài)轉換誤差。（3）輸出電壓(或電流)的建立時間從輸入數(shù)字信號起，到輸出電壓或電流到達穩(wěn)定值時所需要的時間，稱為輸出建立時間。（4）線性度通常用非線性誤差的大小表示D/A轉換器的線性度。產(chǎn)生非線性誤差有兩種原因：一是各位模擬開關的壓降不一定相等，而且接UR和接“地”時的壓降也未必相等；各個電阻阻值的偏差不可能做到完全相等，而且不同位置上的電阻阻值的偏差對輸出模擬電壓的影響又不一樣。（5）電源抑制比在高質量的D/A轉換器中、要求模擬開關電路和運算放大器的電源電壓發(fā)生變化時，對輸出電壓的影響非常小。輸出電壓的變化與相對應的電源電壓變化之比，稱為電源抑制比。此外，還有功率消耗、溫度系數(shù)以及輸入高、低邏輯電平的數(shù)值等技術指標。23.1.2倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器不論模擬開關接到運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RF=R/2①分別從虛線A、B、C、D處向右看的二端網(wǎng)絡等效電阻都是R。②不論模擬開關接到運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。AD7520的外引線排列及連接電路AD7520輸入數(shù)字量與輸出模擬量的關系23.1.3集成D/A轉換器及其應用本節(jié)小結：D/A轉換器的功能是將輸入的二進制數(shù)字信號轉換成相對應的模擬信號輸出。D/A轉換器根據(jù)工作原理基本上可分為二進制權電阻網(wǎng)絡D/A轉換器和T型電阻網(wǎng)絡D/A轉換器兩大類。由于T型電阻網(wǎng)絡D/A轉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轉換器普遍采用這種電路結構。如果輸入的是n位二進制數(shù)，則D/A轉換器的輸出電壓為：23.2.1A/D轉換器的基本原理模擬電子開關S在采樣脈沖CPS的控制下重復接通、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)字化編碼電路轉換成一組n位的二進制數(shù)輸出。23.2A/D轉換器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，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。（1）分辨率A/D轉換器的分辨率用輸出二進制數(shù)的位數(shù)表示，位數(shù)越多，誤差越小，轉換精度越高。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，所有的轉換點應當在一條直線上。相對精度是指實際的各個轉換點偏離理想特性的誤差。（3）轉換速度轉換速度是指完成一次轉換所需的時間。轉換時間是指從接到轉換控制信號開始，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。（4）電源抑制轉換開始前先將所有寄存器清零。開始轉換以后，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轉換器轉換成相應的模擬電壓uo，送到比較器中與ui進行比較。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23.2.2逐次逼近型A/D轉換器4位逐次逼近型A/D轉換器組成部分逐次逼近寄存器它由四個可控RS觸發(fā)器FF3,FF2,FF1,FF0組成,其輸出是四位二進制數(shù)d3,d2,d1,d0。順序脈沖發(fā)生器它為環(huán)形計數(shù)器,輸出的是Q4,Q3,Q2,Q1,Q0五個在時間上有一定先后順序的順序脈沖,依次右移一位。D/A轉換器它的輸入來自逐次逼近寄存器,D/A轉換器將這個輸入數(shù)字量轉換為相應的模擬電壓U0,送到電壓比較器的同相輸入端。電壓比較器控制邏輯門讀出與門U0逼近U1的波形四位逐次逼近型ADC的轉換過程ADC0809的結構框圖ADC0809的外引線排列圖8選1模擬量選通表轉換開始前，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轉換器輸入端的代碼為100，并在D/A轉換器的輸出端得到相應的模擬電壓輸出uo。uo和ui在比較器中比較，當若ui＜uo時，比較器輸出uc=1；當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)作為轉換結果，通過門G6、G7、G8送出。工作原理23.2.3集成A/D轉換器及應用

A/D轉換器的功能是將輸入的模擬信號轉換成一組多位的二進制數(shù)字輸出。不同的A/D轉換方式具有各自的特點。并聯(lián)比較型A/D轉換器轉換速度快，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