數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器-2

9.數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器9.1概述9.2D/A轉(zhuǎn)換器9.3A/D轉(zhuǎn)換器本章小結(jié)3、正確理解D/A、A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)。1、掌握倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器(DAC)、集成D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理及相關(guān)計(jì)算。2、掌握并行比較、逐次比較、雙積分A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)的工作原理及其特點(diǎn)。學(xué)習(xí)目的與要求A/D

轉(zhuǎn)換器

D/A

轉(zhuǎn)換器

模擬

控制器

工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制對(duì)象

模

擬

傳感器

ADC和DAC已成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中不可缺少的接口電路。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)字控制

計(jì)算機(jī)7.1概述7.2.1倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器7.2.27.2D/A轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換的基本原理D/A轉(zhuǎn)換的基本原理D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式7.2.47.2.3D/A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用7.2.67.2.5概述7.2.7將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為與之成正比模擬量。n位數(shù)字量7.2.1概述DAC7.2D/A轉(zhuǎn)換器模擬量1、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器:DO=–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)。7.2.2

D/A轉(zhuǎn)換的基本原理2、D/A轉(zhuǎn)換器的組成DAC的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可以并行輸入也可串行輸入

用存放在數(shù)字寄存器中的數(shù)字量的各位數(shù)碼

由輸入數(shù)字量控制

產(chǎn)生權(quán)電流

將權(quán)電流相加產(chǎn)生與輸入成正比的模擬電壓3、實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的原理電路

，，,

4、D/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(kāi)關(guān)電路分類CMOS開(kāi)關(guān)型DAC雙極型開(kāi)關(guān)型DAC電流開(kāi)關(guān)型DACECL電流開(kāi)關(guān)型DACD/A轉(zhuǎn)

換

器7.2.3

倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器Di=0,Si則將電阻2R接地Di=1,Si接運(yùn)算放大器反相端，電流Ii流入求和電路

電阻網(wǎng)絡(luò)模擬電子開(kāi)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(wú)論模擬開(kāi)關(guān)Si處于何種位置，與Si相連的2R電阻將接“地”或虛地。1、4位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)電壓電阻網(wǎng)絡(luò)模擬電子開(kāi)關(guān)求和運(yùn)算放大器2、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(guò)各開(kāi)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：3、4位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC的輸出模擬電壓n位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC有：令：則O=–KNB

在電路中輸入的每一個(gè)二進(jìn)制數(shù)NB，均能得到與之成正比的模擬電壓輸出。AD7533D/A轉(zhuǎn)換器使用:1)要外接運(yùn)放，

2)運(yùn)放的反饋電阻可使用內(nèi)部電阻，也可采用外接電阻4、集成D/A轉(zhuǎn)換器10位CMOS電流開(kāi)關(guān)型D/A轉(zhuǎn)換器

關(guān)于D/A轉(zhuǎn)換器精度的討論(1)基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定性好；(2)倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)中R和2R電阻比值的精度要高；為實(shí)現(xiàn)電流從高位到低位按2的整數(shù)倍遞減，模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻也相應(yīng)地按2的整數(shù)倍遞增。為進(jìn)一步提高D/A轉(zhuǎn)換器的精度，可采用權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器。為提高D/A轉(zhuǎn)換器的精度，對(duì)電路參數(shù)的要求：(3)每個(gè)模擬開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)電壓降要相等Di=1時(shí)，開(kāi)關(guān)Si接運(yùn)放的反相端;Di=0時(shí)，開(kāi)關(guān)Si接地。7.2.4

權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器1、4位權(quán)電流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(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻和壓降的影響，這樣降低了對(duì)開(kāi)關(guān)電路的要求，提高了轉(zhuǎn)換精度。2、實(shí)際的權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器電路電壓恒定各BJT的發(fā)射結(jié)電壓相等基準(zhǔn)電流產(chǎn)生電路++-7.2.6

D/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（1）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。（2）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。（3）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。7.2.7

集成D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用1、數(shù)字式可編程增益控制電路

D2

D7

uO

D0

D1

2R

2R

2R

2R

R

R

R

D8

D9

R

R

R

uI

2R

2R

2R

-

+

RF

IOUT1

IOUT2

VREF

D2

D7

uOD0

D1

2R

2R

2R

2R

R

R

R

D8

D9

R

R

R

uI2R

2R

2R

-

+

RF

IOUT1

IOUT2

VREF

uO

-

+

R

uIOUT2I

IOUT1

倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)OVIAuu=Iout1＝

I0+I1+I2+…I9根據(jù)虛斷有:2、

脈沖波產(chǎn)生電路74163具同步清零功能74163和與非門構(gòu)成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器：0000~10017.3.1并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器7.3.27.3A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過(guò)程逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器7.3.47.3.3A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)集成A/D轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用7.3.67.3.5概述ADCDn~D0輸出數(shù)字量輸入模擬電壓能將模擬電壓成正比地轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。1、A/D功能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~1s,但電路復(fù)雜。②逐次逼近型特點(diǎn):轉(zhuǎn)換速度適中,轉(zhuǎn)換時(shí)間為幾s~100s,轉(zhuǎn)換精度高，在轉(zhuǎn)換速度和硬件復(fù)雜度之間達(dá)到一個(gè)很好的平衡。③雙積分型特點(diǎn):轉(zhuǎn)換速度慢,轉(zhuǎn)換時(shí)間幾百s~幾ms,但抗干擾能力最強(qiáng)。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7.3.1A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過(guò)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(guò)程。1、取樣與保持采樣是將隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為在時(shí)間離散的模擬量。采樣信號(hào)S(t)的頻率愈高，所采得信號(hào)經(jīng)低通濾波器后愈能真實(shí)地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)。合理的采樣頻率由采樣定理確定。采樣定理：設(shè)采樣信號(hào)S(t)的頻率為fs，輸入模擬信號(hào)I(t)的最高頻率分量的頻率為fimax，則fs

≥2fimax S(t)=1:開(kāi)關(guān)閉合S(t)=0:開(kāi)關(guān)斷開(kāi)

采得模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)都需要一定時(shí)間，為了給后續(xù)的量化編碼過(guò)程提供一個(gè)穩(wěn)定的值，在取樣電路后要求將所采樣的模擬信號(hào)保持一段時(shí)間。采樣保持取樣與保持電路及工作原理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(guò)編碼過(guò)程用一個(gè)代碼表示出來(lái)。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。（1）量化（2）編碼在量化過(guò)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(wú)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。（3）量化誤差（4）量化方式量化誤差——量化前的電壓與量化后的電壓差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:量化過(guò)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將0~1V電壓轉(zhuǎn)換為3位二進(jìn)制代碼例7.3.2

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VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15輸出數(shù)字量1、電路組成所加砝碼重量結(jié)果

7.3.3

逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器

逐次逼近轉(zhuǎn)換過(guò)程與用天平稱物重非常相似。第一次8克砝碼總重<待測(cè)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(cè)重量Wx

，4克砝碼保留12克第三次再加2克砝碼總重>待測(cè)重量Wx

，2克砝碼撤除12克第四次再加1克砝碼總重＝待測(cè)重量Wx

，1克砝碼保留13克1、轉(zhuǎn)換原理所用砝碼重量：8克、4克、2克和1克。設(shè)待秤重量Wx

=13克。100…0100…0I

≥5V

1A=6.84VVREF=10V第一個(gè)CP：第二個(gè)CP：010…0110…010I

<7.5VI=6.84VVREF=10V第三個(gè)CP：001…0101…0I

≥6.25V101A=6.84VVREF=10V10000000A=6.84VVREF=10V10101111110000001010000010110000101010001010110010101110101011111、

逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)越多轉(zhuǎn)換精度越高；2、逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需時(shí)間與其位數(shù)n和時(shí)鐘脈沖頻率有關(guān)，位數(shù)愈少，時(shí)鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換所需時(shí)間越短；總結(jié)：7.3.4雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器

1、雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的基本指導(dǎo)思想對(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(cè)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。2、電路組成00000Cr信號(hào)將計(jì)數(shù)器清零；開(kāi)關(guān)S2閉合，待積分電容放電完畢后，斷開(kāi)S2使電容的初始電壓為0。3、工作原理（1）準(zhǔn)備階段：經(jīng)過(guò)2n個(gè)CP(2)第一次積分：t=t0時(shí)，開(kāi)關(guān)S1與A端相接，積分器開(kāi)始對(duì)I積分。經(jīng)2n個(gè)CP后,開(kāi)關(guān)切換到B，，=VP。第一積分時(shí)間為2nTCVREF加到積分器的輸入端，積分器反方向進(jìn)行第二次積分；當(dāng)t=t2時(shí)積分器輸出電壓O≥0，比較器輸出C=0，時(shí)鐘脈沖控制門G被關(guān)閉，計(jì)數(shù)停止。(3)第二次積分：T1=2nTC

T2=Tc

T2=t1

t2

在計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)=Qn-1…Q1Q0，就是A/D轉(zhuǎn)換器得到的結(jié)果。（1）由于轉(zhuǎn)換結(jié)果與時(shí)間常數(shù)RC無(wú)關(guān)，從而消除了積分非線性帶來(lái)的誤差。（2）由于雙積分A/D轉(zhuǎn)換器在T1時(shí)間內(nèi)采的是輸入電壓的平均值，因此具有很強(qiáng)的抗工頻干擾的能力。T1=2nTC（3）只要求時(shí)鐘源在一個(gè)轉(zhuǎn)換周期時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定即可。4、雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器優(yōu)點(diǎn)1.轉(zhuǎn)換精度

7.3.5A/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(lái)描述的。（1）分辨率說(shuō)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。（2）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。2、轉(zhuǎn)換時(shí)間

指A/D轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控制信號(hào)到來(lái)開(kāi)始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間與轉(zhuǎn)