數(shù)字電子技術(shù)08

8.1D/A轉(zhuǎn)換器8.2A/D轉(zhuǎn)換器8模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器如何實(shí)現(xiàn)數(shù)/模轉(zhuǎn)換？數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的典型電路結(jié)構(gòu)有哪幾種類型？各有什么使用特點(diǎn)？如何實(shí)現(xiàn)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的雙極性輸出？直接型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換過程包括哪些環(huán)節(jié)？模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的典型電路結(jié)構(gòu)有哪些？各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)有哪些？本章要點(diǎn)A/D

轉(zhuǎn)換器

D/A

轉(zhuǎn)換器

模擬

控制器

工業(yè)生產(chǎn)過程控制對(duì)象

模

擬

傳感器

典型的計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖將溫度、壓力、流量、應(yīng)力等物理量轉(zhuǎn)換為模擬電量。計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字處理（如計(jì)算、濾波）、保存等用模擬量作為控制信號(hào)數(shù)字

計(jì)算機(jī)8.1D/A轉(zhuǎn)換器8.1.1D/A轉(zhuǎn)換的基本原理8.1.2倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器8.1.4D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式8.1.3權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器8.1.5D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)8.1.6集成D/A轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為與之成正比模擬量。n位數(shù)字量DAC8.1D/A轉(zhuǎn)換器模擬量1、數(shù)

/

模轉(zhuǎn)換器:A

=KDO=–KNB

數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合而成的，對(duì)于有權(quán)碼，每位代碼都有一定的權(quán)值，如能將每一位代碼按其權(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)字量成正比的模擬量，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字量--模擬量的轉(zhuǎn)換。①實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的基本思想

ND＝b4×24＋b3×23＋b2×22＋b1×21＋b0×20

＝1×24＋1×23＋0×22＋0×21＋1×20將二進(jìn)制數(shù)ND＝(11001)B轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。8.1.1D/A轉(zhuǎn)換的基本原理②

D/A轉(zhuǎn)換器的組成:n位D/A轉(zhuǎn)換器的組成框圖④D/A轉(zhuǎn)換器的分類:按解碼網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分類T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC權(quán)電流DAC

權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC按模擬電子開關(guān)電路分類CMOS開關(guān)型DAC雙極型開關(guān)型DAC電流開關(guān)型DACECL電流開關(guān)型DACD/A轉(zhuǎn)

換

器③權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的原理電路

8.1.2倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器電阻網(wǎng)絡(luò)模擬電子開關(guān)求和運(yùn)算放大器輸出模擬電壓輸入4位二進(jìn)制數(shù)根據(jù)運(yùn)放線性運(yùn)用時(shí)虛地的概念可知，無論模擬開關(guān)Si處于何種位置，與Si相連的2R電阻將接“地”或虛地?；鶞?zhǔn)電壓

電阻網(wǎng)絡(luò)模擬電子開關(guān)求和運(yùn)算放大器D/A轉(zhuǎn)換器的倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)電源VREF提供的總電流為：I=？流過各開關(guān)支路的電流：I3=？I2=？I1=？I0=？I/4I/8I/16RRRRI/2I/4I/8I/16I/2I3I2I1I0流入每個(gè)2R電阻的電流從高位到低位按2的整數(shù)倍遞減。I3=VREF/2RI2=VREF/4RI1=VREF/8RI0=VREF/16R流入運(yùn)放的總電流：i＝I0+I1+I2+I3輸出模擬電壓：

8.1.3權(quán)電流型

D/A轉(zhuǎn)換器在恒流源電路中，各支路權(quán)電流的大小均不受開關(guān)導(dǎo)通電阻和壓降的影響，這樣降低了對(duì)開關(guān)電路的要求，提高了轉(zhuǎn)換精度。8.1.3權(quán)電流型

D/A轉(zhuǎn)換器8.1.4D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式8位D/A轉(zhuǎn)換器在單極性輸出時(shí)的輸入/輸出關(guān)系0000000010000000……111111100000000110000001……11111111模擬量

數(shù)字量MSBLSB常用雙極性編碼模擬量2的補(bǔ)碼偏移二進(jìn)制碼D7D6D5D4D3D2D1D0D7D6D5D4D3D2D1D0127011111111111111112601111110111111101000000011000000100000000010000000-11111111101111111-1271000000100000001-1281000000000000000

8.1.5D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)分辨率：其定義為D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級(jí)數(shù)。n位DAC最多有2n個(gè)模擬輸出電壓。位數(shù)越多D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率越高。

分辨率也可以用能分辨的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比給出。n位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率可表示為1、分辨率2、轉(zhuǎn)換精度：轉(zhuǎn)換精度是指對(duì)給定的數(shù)字量，D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際值與理論值之間的最大偏差。產(chǎn)生原因：由于D/A轉(zhuǎn)換器中各元件參數(shù)值存在誤差，如基準(zhǔn)電壓不夠穩(wěn)定或運(yùn)算放大器的零漂等各種因素的影響。幾種轉(zhuǎn)換誤差：有如比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差和非線性誤差等3.轉(zhuǎn)換速度當(dāng)D/A轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時(shí)，輸出的模擬量并不能立即達(dá)到所對(duì)應(yīng)的量值，要延遲一段時(shí)間。通常用建立時(shí)間和轉(zhuǎn)換速率來定量描述D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。(1)建立時(shí)間。建立時(shí)間指輸入數(shù)字量發(fā)生變化時(shí)輸出電壓達(dá)到規(guī)定誤差范圍(一般為)所需要的時(shí)間。8.1.6集成D/A轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用)DAC0808的電路結(jié)構(gòu)框圖8.2.8集成A/D轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用8.2A/D轉(zhuǎn)換器8.2.1A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程8.2.2

并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器8.2.3逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器8.2.4雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器

8.2.5V-F變換型A/D轉(zhuǎn)換器

8.2.7A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)

8.2.6

型A/D轉(zhuǎn)換器取樣時(shí)間上離散的信號(hào)保持、量化量值上也離散的信號(hào)編碼模擬信號(hào)時(shí)間上和量值上都連續(xù)數(shù)字信號(hào)時(shí)間上和量值上都離散8.2.1A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程

A/D轉(zhuǎn)換器一般要包括取樣，保持，量化及編碼4個(gè)過程。1.采樣和保持

采樣定理：

為了能從采樣輸出信號(hào)真實(shí)地復(fù)現(xiàn)模擬信號(hào)，采樣信號(hào)必須有足夠高的頻率，即必須滿足條件采樣—保持電路的原理圖及波形圖2.量化與編碼數(shù)字信號(hào)在數(shù)值上是離散的。采樣–保持電路的輸出電壓還需按某種近似方式歸化到與之相應(yīng)的離散電平上，任何數(shù)字量只能是某個(gè)最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。量化后的數(shù)值最后還需通過編碼過程用一個(gè)代碼表示出來。經(jīng)編碼后得到的代碼就是A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量。量化3.編碼在量化過程中由于所采樣電壓不一定能被整除，所以量化前后一定存在誤差，此誤差我們稱之為量化誤差，用表示。量化誤差屬原理誤差，它是無法消除的。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，各離散電平之間的差值越小，量化誤差越小。兩種近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。4.量化誤差：量化前的電壓與量化后的電壓差5.量化方式011111101011000110100010000Δ=0v7Δ=7/8v6Δ=6/8v5Δ=5/8v4Δ=4/8v3Δ=3/8v2Δ=2/8v1Δ=1/8v輸入信號(hào)編碼量化后電壓a)只舍不入量化方式:量化中把不足一個(gè)量化單位的部分舍棄；對(duì)于等于或大于一個(gè)量化單位部分按一個(gè)量化單位處理。最大量化誤差為：最小量化單位＝1/8VΔ=1LSB=1/8V例：將0~1V電壓轉(zhuǎn)換為3位二進(jìn)制代碼b)四舍五入量化方式:量化過程將不足半個(gè)量化單位部分舍棄，對(duì)于等于或大于半個(gè)量化單位部分按一個(gè)量化單位處理。最大量化誤差為：最小量化單位：011111101011000110100010000Δ=0v7Δ=14/15v6Δ=12/15v5Δ=10/15v4Δ=8/15v3Δ=6/15v2Δ=4/15v1Δ=2/15v輸入信號(hào)編碼模擬電平Δ=1LSB=

2/15V＝1/15V例：將0~1V電壓轉(zhuǎn)換為3位二進(jìn)制代碼8.2.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器電壓比較器輸入模擬電壓精密電阻網(wǎng)絡(luò)精密參考電壓輸出數(shù)字量所加砝碼重量結(jié)果

8.2.3逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器逐次逼近轉(zhuǎn)換過程與用天平稱物重非常相似。第一次8克砝碼總重<待測重量Wx，8克砝碼保留8克第二次再加4克砝碼總重仍<待測重量Wx，4克砝碼保留12克第三次再加2克砝碼總重>待測重量Wx，2克砝碼撤除12克第四次再加1克砝碼總重＝待測重量Wx，1克砝碼保留13克所用砝碼重量：8克、4克、2克和1克。設(shè)待秤重量Wx=13克。8.2.4雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器

對(duì)輸入模擬電壓和參考電壓分別進(jìn)行兩次積分，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時(shí)間間隔，然后利用時(shí)鐘脈沖和計(jì)數(shù)器測出此時(shí)間間隔，進(jìn)而得到相應(yīng)的數(shù)字量輸出。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器也稱為電壓－時(shí)間－數(shù)字式積分器。第一次積分階段：

第二次積分階段

8.2.5V-F變換型A/D轉(zhuǎn)換器電壓-頻率變換型A/D轉(zhuǎn)換器(簡稱V-F變換型A/D轉(zhuǎn)換器)也是一種間接型A/D轉(zhuǎn)換器。其轉(zhuǎn)換原理是：首先將輸入的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成比例的頻率信號(hào)，然后在一個(gè)固定的時(shí)間間隔里對(duì)得到的頻率信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)的結(jié)果就是正比于輸入模擬電壓的數(shù)字量。單片集成的V-F變換器一般采用電荷平衡式電路結(jié)構(gòu)，又分為積分器型和定時(shí)器型兩種常見的形式。8.2.5V-F變換型A/D轉(zhuǎn)換器8.2.6型A/D轉(zhuǎn)換器D觸發(fā)器輸出Q為低電平，使參考電壓uR接地，設(shè)輸入信號(hào)uI=2V，差動(dòng)放大器輸出為-2V，積分器輸出電壓不斷上升，使比較器輸出為高電平，則在下一個(gè)時(shí)鐘脈沖上升沿觸發(fā)器輸出狀態(tài)為高電平，使參考電壓2.56V接入差動(dòng)放大器的同相端。8.2.6型A/D轉(zhuǎn)換器由于積分器電容兩端的電荷處于平衡狀態(tài)，充電電荷與放電電荷量相等

多次充放電，采用多次累加的方法，用多次放電周期之和與多次充放電周期之和的比值確定輸入電壓

1.轉(zhuǎn)換精度8.2.7A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)單片集成A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述的。分辨率:說明A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的分辨能力。通常以輸出二進(jìn)制(或十進(jìn)制)數(shù)的位數(shù)表示。轉(zhuǎn)換誤差：表示A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別。