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第11章數模和模數轉換器§11.1概述§11.2數模轉換器

§11.3模數轉換器數模轉換器(簡稱D/A轉換器或DAC)§11.1概述能夠將數字信號轉換成模擬信號的電路。模數轉換器(簡稱A/D轉換器或ADC)能夠將模擬信號轉換成數字信號的電路。ADC和DAC是溝通模擬電路和數字電路的橋梁,也可稱之為兩者之間的接口,在各種系統(tǒng)中應用很廣。非電模擬量電壓模擬量ASADCASADCASADCA'ADCA'ADC………………數字控制或計算電路(微機或單片機)DACDACDACDACDAC……UUU…UU數字控制系統(tǒng)方框圖…傳感器執(zhí)行單元傳感器(溫度、壓力、流量等模擬量)A/D計算機(數字量)顯示器D/A執(zhí)行部件(模擬量控制)打印機自動測試系統(tǒng)方框圖計算機系統(tǒng)只能處理數字信息,為了使它能夠處理聲音、圖像、視頻等多媒體信息,音頻、視頻的采集和輸出都離不開ADC和DAC電路。聲卡聲卡的外部連接一、D/A轉換器的基本工作原理DAC實質上是一個譯碼器(解碼器),將輸入的二進制數字量轉換成模擬量,并以電壓或電流的形式輸出?!?1.2D/A轉換器

D/A

(MSB)

(LSB)

D0Dn-2Dn-1D1vO(iO)DAC的輸出特性:DAC輸出特性000000110110100111001111103579111315vO/kDI1101DAC輸出模擬量的大小與輸入數字量大小成正比:兩個相鄰數碼轉換出的電壓值之間的差值,是信息所能分辨的最小量(1LSB);最大輸入數字量對應的輸出電壓值(絕對值)用FSR表示。1LSBLeastSignificantBitFSRFullScaleRange將輸入的每一位二進制代碼按其權值大小轉換成相應的模擬量,然后將代表各位的模擬量相加,則所得的總模擬量就與數字量成正比,這樣便實現了從數字量到模擬量的轉換。1、數/模轉換方法:2、D/A轉換器的一般構成D/A轉換器一般由數碼緩沖寄存器、模擬電子開關、參考電壓、解碼網絡和求和電路等組成。

數字量以串行或并行方式輸入,并存儲在數碼緩沖寄存器中;寄存器的輸出驅動對應數位上的電子開關,將在解碼網絡中獲得的相應數位的權值送入求和電路;求和電路將各位權值相加,便得到與數字量對應的模擬量。n位數字量輸入模擬量輸出n位D/A轉換器方框圖數碼緩沖寄存器n位數控模擬開關解碼網絡求和電路參考電壓

按解碼網絡的結構不同,有權電阻網絡DAC、倒T型電阻網絡DAC、權電流型DAC等。二、權電阻網絡D/A轉換器“權電阻”:電阻值的大小與對應數字量的權重密切相關。di=1時,Si

接VREF

;di

=0時,Si

接地?!半娮娱_關”:1、電路構成VREF+-uOd3d2d1d0I0I1I2I38R4R2RRIR/2S0S1S2S3LSBMSB權電阻雙向模擬開關求和電路運放組成反相求和電路實現各支路電流相加并轉換成電壓輸出?!扒蠛碗娐贰保哼\放組成反相求和電路實現各支路電流相加并轉換成電壓輸出?!扒蠛碗娐贰保憾?、權電阻網絡D/A轉換器2、工作原理運放工作在線性區(qū),虛地,U-=0。若di=0,Si接地,Ii=0若di=1,Si接VREF,I0=VREF8RI1=VREF4R“權電阻”:電阻值的大小與有關數字量的權重密切相關。di=1時,Si

接VREF

;di

=0時,Si

接地?!半娮娱_關”:I=I3+I2+I1

+I0輸入的數字量VREF+-uOd3d2d1d0I0I1I2I38R4R2RRIR/2S0S1S2S3LSBMSBI2=VREF2RI3=VREFR二、權電阻網絡D/A轉換器2、工作原理VREF+-uOd3d2d1d0I0I1I2I38R4R2RRIR/2S0S1S2S3LSBMSB對于n位的DAC,輸出電壓的計算式為:3、電路特點:(1)結構簡單;(2)電阻的阻值相差較大,在位數多時,很難保證精度。輸出電壓的范圍:單位電壓極性與參考電壓相反。VREFVORF三、倒T型電阻網絡D/A轉換器1、電路構成

解碼電路中,電阻只有R和2R兩種,并構成倒T型電阻網絡。當di=1時,相應的開關Si接到求和點;當di=0時,相應的開關Si接地。但由于虛短,求和點和地相連,所以不論開關如何轉向,電阻2R總是與地相連。流經2R電阻上的支路電流與開關狀態(tài)無關。求和點虛地VREFVORF2、工作原理求和點虛地從每個節(jié)點向左看,等效電阻均為2R;整個網絡的等效輸入電阻為R。2R2R2R2R

RII2I4I8I16I2I4I8流入求和點的總電流為:I∑流入求和點的電流為:運算放大器的輸出電壓為:即輸出的模擬電壓uO正比于輸入的數字量NB,從而實現了從數字量到模擬量的轉換。VREFVORF②應用:它是目前集成D/A轉換器中轉換速度較高且使用

較多的一種,如8位D/A轉換器DAC0832,就是采用倒

T型電阻網絡。3、倒T型電阻網絡DAC的特點:①優(yōu)點:電阻種類少,只有R和2R,提高了制造精度;

而且支路電流同時流入求和點,不存在時間差,因而提

高了轉換速度。四、權電流型D/A轉換器各支路恒流源的大小與對應數字量的權重成正比。+-uORF-VREFS0S1S2S3iD0D1D2D316I8I4I2I若Di=0,Si接地,Ii不能加到運放輸入端若Di=1,Si將對應的恒流源加到運放輸入端對于n位的DAC:五、D/A轉換器的主要技術指標DAC的主要技術指標有:轉換精度、轉換速度。1、分辨率定義為D/A轉換器的模擬輸出電壓可能被分離的等級數。05/75001010011100101110111vo/VD000n位DAC有2n個不同的模擬量輸出值,即分辨率為2n,實際中通常用輸入數字量的有效位數表示DAC的分辨率,顯然位數越多,分辨率越高。如10位、8位等。另外也用DAC的最小非零輸出電壓與最大輸出電壓之比來表示分辨率:分辨率DAC的轉換精度通常用分辨率、轉換誤差來描述。2、轉換誤差①用最低有效位的倍數表示。如:某個DAC的轉換誤差為1/2LSB,表示輸出模擬電壓與理論值之間的絕對誤差小于等于輸入數字代碼為00……1時輸出電壓的一半。②用輸出電壓滿刻度的百分數表示。(1)造成轉換誤差的主要原因:參考電壓VREF的波動--比例系數誤差運算放大器的零點漂移--失調誤差模擬開關的導通內阻和導通電壓電阻網絡中的電阻值偏差等轉換誤差--指輸出模擬電壓的實際值與理想值之差的最大值。

--非線性誤差(2)轉換誤差的表示方法:如:1%(FSR)建立時間

tSet

:輸入由全0變?yōu)槿?,輸出電壓與穩(wěn)態(tài)值相差(±LSB/2)所需的時間。目前單片集成D/A轉換器(不包括運算放大器)的建立時間最短達到0.1微秒以內。這個參數的值越小越好,3、轉換速度當DAC輸入的數字量發(fā)生變化時,輸出的模擬量需要延遲一段時間后才能達到對應的穩(wěn)態(tài)值,如圖示。通常用建立時間來描述DAC的轉換速度。1.DAC0832結構框圖它由一個8位輸入寄存器、一個8位DAC寄存器和一個8位D/A轉換器三大部分組成,D/A轉換器采用了倒T型電阻解碼網絡。六、集成DAC0832數字信號輸入輸入鎖存允許信號片選信號寫信號1寫信號2通道控制信號基準電壓模擬輸出電流1模擬輸出電流2反饋電阻引出端模擬地數字地電源(5~15V)(-10~+10V)(接運放的反相端)(接運放的同相端)(采用CMOS工藝制成的8位中速D/A轉換器)8位輸入寄存器8位DAC寄存器8位D/A轉換器UREFIOUT2RfbAGNDVCCDGNDDI7~DI0CSWR1WR2XFERILELELEIOUT1&&&RFBLE=1,跟隨=0,鎖存

當ILE、CS'和WR'1同時有效時,輸入數據DI7~DI0進入輸入寄存器;并在WR1的上升沿實現數據鎖存。當WR'2和XFER'同時有效時,輸入寄存器的數據進入DAC寄存器;并在WR2的上升沿實現數據鎖存。八位D/A轉換電路隨時將DAC寄存器的數據轉換為模擬信號(IOUT1+IOUT2)輸出。2、DAC0832的三種工作方式:(b)單緩沖方式:適于單個DAC工作。寄存器2作數據通道,此時只需一次寫操作,就開始轉換,提高了D/A的數據吞吐量。(a)雙緩沖方式:采用二次緩沖方式,可在輸出的同時,采集下一個數據,提高了轉換速度;也可在多個轉換器同時工作時,實現多通道D/A的同步轉換輸出。(c)直通方式:輸出隨輸入的變化隨時轉換。小結能夠將數字信號轉換為模擬信號的電路稱為D/A轉換器(DAC)DAC的電路結構形式主要有權電阻型、倒T型電阻網絡及權

電流型,目前TTL產品多為權電流型(精度高、速度快),

CMOS產品多采用倒T型電阻網絡(功耗低)。DAC的模擬輸出電壓與輸入的二進制數成正比,其通式為:DAC的主要技術為轉換精度和轉化速度轉換精度用分辨率和轉換誤差表示;轉換速度用建立時間來表示?!纠?】已知某8位D/A轉換器的輸入為11010001時,輸出VO=2.09V,求輸入為00111100時的輸出電壓值。解:DAC的模擬輸出電壓的通式為:§11.3模/數轉換器(ADC)二、并聯比較型ADC三、逐次漸近型ADC五、A/D轉換器的主要技術指標

一、A/D轉換原理四、雙積分型ADC六、集成ADC0809因為輸入的模擬量在時間上是連續(xù)的,一、A/D轉換原理在A/D轉換中,而輸出的數字信號是離散量,系列選定的瞬間對輸入的模擬信號采樣,值轉換為輸出的數字量。A/D轉換過程包括四個步驟:所以進行轉換時只能在一然后再把這些采樣0tui將取樣得到的電壓轉換為相應的數字量需要一定的時間,所以取樣后必須把取樣電壓保持一段時間,以保證完成A/D轉換。取樣保持量化編碼vIDO1.取樣和保持

取樣(也稱采樣)是將時間上連續(xù)變化的信號,轉換為時間上離散的信號,即將時間上連續(xù)變化的模擬量轉換為一系列等間隔的脈沖,脈沖的幅度取決于輸入模擬量。fi(t)fO(t)S(t)模擬開關S(t)取樣脈沖fO(t)

樣值脈沖輸出fi(t)

模擬輸入為了保證能從采樣信號將原信號恢復,要求:fS

:采樣頻率;fimax

:vi

的最高頻率分量?!蓸佣ɡ碓诠こ淘O計中通常?。耗M信號經采樣后,得到一系列樣值脈沖。采樣脈沖寬度τ一般是很短暫的,在下一個采樣脈沖到來之前,應暫時保持所取得的樣值脈沖幅度,以便進行轉換。一般取樣與保持過程都是同時完成的。①在采樣脈沖S(t)到來的時間τ內,VT導通,vI向電容C充電,假定充電時間遠小于τ,則:vO(t)=vC(t)=vI(t)。(采樣)②采樣結束,VT截止,電容無放電回路,輸出電壓得以保持,直到下一個采樣脈沖到來為止。(保持)取樣保持電路vO-+vICS(t)采樣門跟隨器tvOvI采樣保持采樣保持采樣保持采樣保持采樣保持2.量化和編碼數字信號不僅在時間上是離散的,而且數值大小的變化這就是說,是某個規(guī)定的最小數量單位的整數倍。因此,在進行A/D轉換時也必須把采樣電壓化為這個這個轉化過程就叫做“量化”。所取的最小數量單位叫做量化單位,顯然,數字信號最低有效位的“1”代表的數量就等于。把量化的結果用代碼(二進制或二-十進制)表示出來,稱為“編碼”,也是不連續(xù)的。任何一個數字量的大小只能最小單位的整數倍。用“”表示。這些代碼就是A/D轉換的輸出結果。由于模擬電壓是連續(xù)的,它不一定能被整除,因而量化過程不可避免地會引入誤差——“量化誤差”。量化誤差為原理誤差,是不可消除的,位數越大,誤差越小。采用不同方法劃分量化電平,會有不同的誤差。3.量化的方法與量化誤差(1)舍尾取整法當vI的尾數<Δ時,舍尾取整。01V1/82/83/84/85/86/87/801Δ2Δ3Δ4Δ5Δ6Δ7Δ000001010011100101110111這種方法ε>0,000000011101100001(2)四舍五入法當vI的尾數</2時,舍尾取整。這種方法ε可正可負,當vI的尾數>/2時,舍尾入整。00000001110110000100000110011010001001V1/153/155/157/159/1511/1513/1501Δ2Δ3Δ4Δ5Δ6Δ7Δ000001010011100101110111A/D轉換器有直接轉換法和間接轉換法兩大類。直接法是通過一套基準電壓與取樣保持電壓進行比較,從而直接將模擬量轉換成數字量。其特點是工作速度高,轉換精度容易保證,調準也比較方便。直接A/D轉換器有并聯比較型、逐次漸進型等。間接法是將取樣后的模擬信號先轉換成中間變量時間t或頻率f,然后再將t或f轉換成數字量。其特點是工作速度較低,但轉換精度可以做得較高,且抗干擾性強。間接A/D轉換器有單次積分型、雙積分型等。4、A/D轉換器的主要電路形式A/D轉換器的分類、特點及應用分類特點應用并聯比較型速度最快,但設備成本較高,精度也不易做高數字通信技術和高速數據采集技術逐次漸近型工作速度中等,精度也較高,成本較低中高速數據采集系統(tǒng)、在線自動檢測系統(tǒng)、動態(tài)測控系統(tǒng)積分型精度可以做得很高,抗干擾性能很強,速度很慢數字儀表(數字萬用表、高精度電壓表)和低速數據采集系統(tǒng)-11DC1Q1-21DC1Q2-31DC1Q3-41DC1Q4-51DC1Q5-61DC1Q6-71DC1Q7VREFVICPI1I2I3I4I5I6I7D0D1D2RRRRRRRR/2二、并聯比較型ADC優(yōu)先編碼器寄存器比較器1315VREF1115VREF915VREF715VREF515VREF315VREF115VREF輸入輸出關系表P531表11.3.7例:設VREF=10V,當輸入為5V時,輸出的數字量=?0001111901570155015301510151101513015100(1)優(yōu)點:轉換速度很快,故又稱高速A/D轉換器。含有寄存器的A/D轉換器兼有取樣保持功能,所以它可以不用附加取樣保持電路。(2)缺點:電路復雜,對于一個n位二進制輸出的并聯比較型A/D轉換器,需2n-1個電壓比較器和2n-1個觸發(fā)器,編碼電路也隨n的增大變得相當復雜。且轉換精度還受分壓網絡和電壓比較器靈敏度的限制。(3)應用:適用于高速,精度較低的場合。并聯比較型A/D轉換器的特點:

三、逐次漸近型ADC設待秤重量Wx=13克,逐次漸近型ADC的工作原理可用天平秤重過程來說明:若有四個砝碼共重15克,每個重量分別為8、4、2、1克??梢杂孟卤聿襟E來秤量:第1次加8克砝碼總重<

待測重量Wx,8克第2次加4克砝碼總重<

待測重量Wx,12克第3次加2克砝碼總重

>

待測重量Wx,12克第4次砝碼總重=待測重量Wx,加1克13克故保留故保留故撤除故保留砝碼重暫時結果

結論(一)電路組成n位ADC完成一次A/D轉換所需的時間為(n+2)TCP。(二)A/D轉換過程①轉換前寄存器清零;②將寄存器最高位置1;輸出數據為100…0,該數碼經DAC轉換成v'O,將vI與v'O進行比較,

v'O<

vI,最高位的1保留;v'O>

vI,最高位的1清除;③將寄存器次高位置1;輸出數據為×10…0,重復②。④比較完畢后,將寄存器中的數據送到輸出端。⑤復位,回到轉換前的初始狀態(tài)。D/A轉換器vI+-v'O數據寄存器移位寄存器D7D0……啟動脈沖控制邏輯VREFCP

三、逐次漸近型ADC分辨率較高轉換誤差較低轉換速度較快(比并聯比較型慢)應用較為廣泛(二)逐次漸近型ADC的特點

四、雙積分型ADC

雙積分型ADC的轉換原理是先將模擬電壓UI轉換成與其大小成正比的時間間隔T,再利用基準時鐘脈沖通過計數器將T變換成數字量。

S2n位二進制計數器定時器邏輯控制門uIS1RCuOCOCP&dn-1d0基準電壓輸入電壓-+-+積分器時鐘脈沖控制門過零比較器(1)性能穩(wěn)定,轉換精度高。

其轉換結果與時間常數RC無關,從而消除了由于斜波

電壓非線性帶來的誤差,允許積分電容在一個較寬范圍

內變化,而不影響轉換結果。(2)電路簡單,抗干擾能力強。

由于輸入信號積分的時間較長,且是一個固定值T1,而

T2正比于輸入信號在T1內的平均值,這對于疊加在輸

入信號上的干擾信號有很強的抑制能力。(3)這種A/D轉換器不必采用高穩(wěn)定度的時鐘源,它只要

求時鐘源在一個轉換周期(T1+T2)內保持穩(wěn)定即可。

這種轉換器被廣泛應用于要求精度較高而轉換速度要

求不高的儀器中。雙積分型ADC的特點:五、ADC的主要技術指標1、分辨率分辨率=例如,A/D轉換器的輸出為12位二進制數,最大輸入模擬信號為10V,則其分辨率為:

分辨率指A/D轉換器對輸入模擬信號的分辨能力。從理論上講,一個n位二進制數輸出的A/D轉換器應能區(qū)分輸入模擬電壓的2n個不同量級,能區(qū)分輸入模擬電壓的最小差異為(滿量程輸入的1/2n)。ADC的主要技術指標有轉換精度和轉換速度。2.轉換誤差

它表示A/D轉換器實際輸出的數字量和理論上輸出的數字量之間的差別。常用最低有效位的倍數表示。例如,轉換誤差≤。就表明實際輸出的數字量和

理論上應得到的輸出數字量之間的誤差小于最低位的半個字。3、轉換時間

轉換時間是指

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