數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器

第10章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器10.1概述數(shù)模轉(zhuǎn)換即將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬電量(電壓或電流)，使輸出的模擬電量與輸入的數(shù)字量成正比。實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路稱數(shù)模轉(zhuǎn)換器

Digital-AnalogConverter，簡(jiǎn)稱

D/A轉(zhuǎn)換器或DAC。

模數(shù)轉(zhuǎn)換即將模擬電量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，使輸出的數(shù)字量與輸入的模擬電量成正比。

實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路稱模數(shù)轉(zhuǎn)換器

Analog-DigitalConverter，簡(jiǎn)稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC。

模擬量數(shù)字量模擬量數(shù)字量傳感器被控對(duì)象

自然界物理量為何要進(jìn)行數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換？數(shù)字信號(hào)物理量模擬信號(hào)壓力傳感器溫度傳感器流量傳感器四路模擬開(kāi)關(guān)數(shù)字控制計(jì)算機(jī)DAC模擬控制器模擬控制器液位傳感器DACDAC…………模擬控制器模擬控制器生產(chǎn)控制對(duì)象

DACADC數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例主要要求：

了解數(shù)模轉(zhuǎn)換的基本原理。

了解常用D/A轉(zhuǎn)換器的類型和主要參數(shù)。了解R

-2R

倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的電路與工作原理。10.1D/A轉(zhuǎn)換器了解權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的電路與工作原理。輸出模擬電壓

uO=

D△=(Dn-12n-1+Dn-22n-2++D121+D020)△可見(jiàn)，uO∝

D，uO的大小反映了數(shù)字量

D

的大小。DACD0D1Dn-2Dn-1…uOn

位二進(jìn)制數(shù)輸入模擬電壓輸出一、數(shù)模轉(zhuǎn)換的基本原理LSB—LeastSignificantBit

輸入數(shù)字量D=(Dn-1

Dn-2

D1

D0)2

=Dn-12n-1+Dn-22n-2++D121+D020

△是DAC能輸出的最小電壓值，稱為DAC的單位量化電壓，它等于D

最低位(LSB)為1、其余各位均為0時(shí)的模擬輸出電壓(用ULSB

表示)。10.1.1D/A轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成不論模擬開(kāi)關(guān)接到運(yùn)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(hào)是1還是0，各支路的電流不變的。設(shè)RF=R/2S0++-△∞uOS1S2S3D3D2D1D0iΣRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI301111000RRR

(一)

電路組成與轉(zhuǎn)換原理10.1.3R

-2R

倒

T形電阻網(wǎng)絡(luò)

DAC

由倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開(kāi)關(guān)和一個(gè)電流電壓轉(zhuǎn)換電路(簡(jiǎn)稱I/U

轉(zhuǎn)換電路)組成。模擬開(kāi)關(guān)Si

打向“1”側(cè)時(shí)，相應(yīng)2R

支路接虛地；打向“0”側(cè)時(shí)，相應(yīng)2R

支路接地。故無(wú)論開(kāi)關(guān)打向哪一側(cè)，倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)均可等效為下圖：II3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI3RRRABC從A、B、C節(jié)點(diǎn)向左看去，各節(jié)點(diǎn)對(duì)地的等效電阻均為2R。因此，I=VREFRI3=I2=23()，I24I2

=I32=22

()，I24=I4I1

=I22=21

()，I24=I8I0

=I12=20

()I24=I16可見(jiàn)，支路電流值Ii

正好代表了二進(jìn)制數(shù)位Di

的權(quán)值2i。即I3=23

I0，I2=22

I0，I1=21

I0，I0=20

I0

模擬開(kāi)關(guān)Si

受相應(yīng)數(shù)字位Di

控制。當(dāng)Di=1

時(shí)，開(kāi)關(guān)合向“1”側(cè)，相應(yīng)支路電流Ii

輸出；Di=0時(shí)，開(kāi)關(guān)合向“0”側(cè)，Ii

流入地而不能輸出。S0++-△∞uOS1S2S3D3D2D1D0iΣRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI301111000RRRu0=-

iΣRF=-

D

I0RF=-

D

·

iΣ

=

D3I3+

D2I2+

D1I1+

D0I0

=

(

D323+

D222+

D121+

D020)

I0=

D

I0對(duì)n

位

DAC，uO=

-

D

·

若取RF=R，則uO=

-

D

·

n

位DAC將參考電壓VREF

分成2n

份，uO

是每份的D

倍。調(diào)節(jié)VREF

可調(diào)節(jié)DAC的輸出電壓。uO=

-

D

·

誤差分析1、因參考電壓的偏離引起的誤差2、實(shí)際運(yùn)放的偏離引起的誤差3、模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通壓降引起的誤差4、電阻阻值的偏差引起的誤差一種簡(jiǎn)化的CMOS開(kāi)關(guān)型D/A轉(zhuǎn)換器CMOS開(kāi)關(guān)電路的組成及工作原理（1）分辨率分辨率用輸入二進(jìn)制數(shù)的有效位數(shù)表示。在分辨率為n位的D/A轉(zhuǎn)換器中，輸出電壓能區(qū)分2n個(gè)不同的輸入二進(jìn)制代碼狀態(tài)，能給出2n個(gè)不同等級(jí)的輸出模擬電壓。分辨率也可以用D/A轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓的比值來(lái)表示。10位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為：（2）轉(zhuǎn)換精度

D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是指輸出模擬電壓的實(shí)際值與理想值之差，即最大靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。（3）輸出建立時(shí)間從輸入數(shù)字信號(hào)起，到輸出電壓或電流到達(dá)穩(wěn)定值時(shí)所需要的時(shí)間，稱為輸出建立時(shí)間。

D/A轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)含義1、分辨率：所能產(chǎn)生的最小電壓變化量與滿刻度輸出電壓之比。位數(shù)越高，分辨能力就越強(qiáng)，分辨率的值越低（?。?、轉(zhuǎn)換精度（絕對(duì)精度）：實(shí)際輸出的模擬電壓與理論輸出模擬電壓間的最大誤差。與元件參數(shù)的精度、工作溫度、運(yùn)放的溫度漂移及轉(zhuǎn)換位數(shù)有關(guān)。通常要求小于最小電壓變化量的一半。3、轉(zhuǎn)換時(shí)間：衡量轉(zhuǎn)換速度。4*、線性度：又稱為非線性誤差，是偏離理想的輸入-輸出特性的偏差與滿刻度輸出之比的百分率。集成D/A轉(zhuǎn)換器5G7520及其應(yīng)用電路舉例1、輸入全為0時(shí)，調(diào)運(yùn)放調(diào)零電位器使輸出為0；2、輸入全為1時(shí)，調(diào)R1使輸出為預(yù)定滿量程輸出；3、R2用以調(diào)節(jié)輸出電壓值（滿量程下降）。由5G7520構(gòu)成數(shù)控電流源10.2A/D轉(zhuǎn)換器4、分兩步完成。1、用于將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量，是模擬系統(tǒng)到數(shù)字系統(tǒng)的接口電路。2、轉(zhuǎn)換需要時(shí)間，故要求轉(zhuǎn)換期間輸入的模擬量保持不變；須進(jìn)行模擬信號(hào)的離散處理，即采樣和保持。3、把保持的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的過(guò)程稱為量化過(guò)程；把量化的結(jié)果進(jìn)行編碼得到輸出的數(shù)字信號(hào)。10.2.1A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理模擬電子開(kāi)關(guān)S在采樣脈沖CPS的控制下重復(fù)接通、斷開(kāi)的過(guò)程。S接通時(shí)，ui(t)對(duì)C充電，為采樣過(guò)程；S斷開(kāi)時(shí)，C上的電壓保持不變，為保持過(guò)程。在保持過(guò)程中，采樣的模擬電壓經(jīng)數(shù)字化編碼電路轉(zhuǎn)換成一組n位的二進(jìn)制數(shù)輸出。t0時(shí)刻S閉合，CH被迅速充電，電路處于采樣階段。由于兩個(gè)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(shí)刻采樣階段結(jié)束，S斷開(kāi)，電路處于保持階段。若A2的輸入阻抗為無(wú)窮大，S為理想開(kāi)關(guān)，則CH沒(méi)有放電回路，兩端保持充電時(shí)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。10.2.4并聯(lián)（行）比較型A/D工作原理特點(diǎn)：是所有A/D中速度最快的一種，但電路復(fù)雜、成本高、價(jià)格貴，一般分辨率較低。分辨率的提高0≤ui＜VREF/14時(shí)，7個(gè)比較器輸出全為0，CP到來(lái)后，7個(gè)觸發(fā)器都置0。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進(jìn)制代碼為d2d1d0＝000。VREF/14≤ui＜3VREF/14時(shí)，7個(gè)比較器中只有C1輸出為1，CP到來(lái)后，只有觸發(fā)器FF1置1，其余觸發(fā)器仍為0。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進(jìn)制代碼為d2d1d0=001。3VREF/14≤ui＜5VREF/14時(shí)，比較器C1、C2輸出為1，CP到來(lái)后，觸發(fā)器FF1、FF2置1。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進(jìn)制代碼為d2d1d0＝010。5VREF/14≤ui＜7VREF/14時(shí)，比較器C1、C2、C3輸出為1，CP到來(lái)后，觸發(fā)器FF1、FF2、FF3置1。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進(jìn)制代碼為d2d1d0=011。依此類推，可以列出ui為不同等級(jí)時(shí)寄存器的狀態(tài)及相應(yīng)的輸出二進(jìn)制數(shù)。轉(zhuǎn)換開(kāi)始前先將所有寄存器清零。開(kāi)始轉(zhuǎn)換以后，時(shí)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(gè)數(shù)碼被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓uo，送到比較器中與ui進(jìn)行比較。若ui＞uo，說(shuō)明數(shù)字過(guò)大了，故將最高位的1清除；若ui＜uo，說(shuō)明數(shù)字還不夠大，應(yīng)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(guò)比較以后確定這個(gè)1是否應(yīng)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10.2.2逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器3位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換開(kāi)始前，先使Q1=Q2=Q3=Q4=0，Q5=1，第一個(gè)CP到來(lái)后，Q1=1，Q2=Q3=Q4=Q5=0，于是FFA被置1，F(xiàn)FB和FFC被置0。這時(shí)加到D/A轉(zhuǎn)換器輸入端的代碼為100，并在D/A轉(zhuǎn)換器的輸出端得到相應(yīng)的模擬電壓輸出uo。uo和ui在比較器中比較，當(dāng)若ui＜uo時(shí)，比較器輸出uc=1；當(dāng)ui≥uo時(shí)，uc=0。第二個(gè)CP到來(lái)后，環(huán)形計(jì)數(shù)器右移一位，變成Q2=1，Q1=Q3=Q4=Q5=0，這時(shí)門(mén)G1打開(kāi)，若原來(lái)uc=1，則FFA被置0，若原來(lái)uc=0，則FFA的1狀態(tài)保留。與此同時(shí)，Q2的高電平將FFB置1。第三個(gè)CP到來(lái)后，環(huán)形計(jì)數(shù)器又右移一位，一方面將FFC置1，同時(shí)將門(mén)G2打開(kāi)，并根據(jù)比較器的輸出決定FFB的1狀態(tài)是否應(yīng)該保留。第四個(gè)CP到來(lái)后，環(huán)形計(jì)數(shù)器Q4=1，Q1=Q2=Q3=Q5=0，門(mén)G3打開(kāi)，根據(jù)比較器的輸出決定FFC的1狀態(tài)是否應(yīng)該保留。第五個(gè)CP到來(lái)后，環(huán)形計(jì)數(shù)器Q5=1，