第9章 數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器

第9章數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器

9.1概述9.2D/A轉(zhuǎn)換器9.3A/D轉(zhuǎn)換器9.1概述1.模/數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D轉(zhuǎn)換)：模擬信號(hào)→數(shù)字信號(hào)對(duì)應(yīng)電路叫A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)數(shù)/模轉(zhuǎn)換(D/A轉(zhuǎn)換)：數(shù)字信號(hào)→模擬信號(hào)對(duì)應(yīng)電路叫D/A轉(zhuǎn)換器(DAC)2.

A/D和D/A轉(zhuǎn)換器最重要的要求是：

轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度9.2D/A轉(zhuǎn)換器9.2.1D/A轉(zhuǎn)換器的基本工作原理D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓U應(yīng)與輸入的數(shù)字量D成正比。即Di=1時(shí)，Si

選中2i項(xiàng)在∑中出現(xiàn)；Di=0時(shí)，2i項(xiàng)不在∑中出現(xiàn)。于是D/A轉(zhuǎn)換器的工作一般分2步：①通過(guò)Di的取值控制模擬開(kāi)關(guān)Si動(dòng)作：②通過(guò)集成運(yùn)放實(shí)現(xiàn)對(duì)2i

項(xiàng)求和及輸出電壓。Di=1時(shí)，∑中有2i項(xiàng)；Di=0時(shí)，∑中無(wú)2i項(xiàng)。9.2.2D/A轉(zhuǎn)換器的主要電路形式介紹2種主要形式：權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC，倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC1．權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器求和集成運(yùn)放(1)組成權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)Ri模擬電子開(kāi)關(guān)Si：Di＝1時(shí)Si

接UR，Di＝0時(shí)Si接地權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)：n個(gè)阻值與2進(jìn)制權(quán)(2i)有關(guān)的電阻。Di←→Si←→

Ri=2n-1-iR集成運(yùn)放：看成理想運(yùn)放。Di=1時(shí)，Ri=2n-1-iR接UR，對(duì)應(yīng)支路電流為Di=0時(shí)，Ri=2n-1-iR接地，對(duì)應(yīng)支路電流為

總之，Di位所產(chǎn)生的電流運(yùn)放的總輸入電流輸出電壓為(2)工作原理①優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單②缺點(diǎn)：電阻值相差大，難于保證精度，且不宜集成。輸出電壓為若Rf=1/2R，則總結(jié)：輸出模擬電壓U與輸入二進(jìn)制數(shù)成正比。(3)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC的優(yōu)缺點(diǎn)2．倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器求和集成運(yùn)放(1)組成倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)(R和2R組成的電路)模擬電子開(kāi)關(guān)SiDi＝1時(shí)Si

接運(yùn)放Di＝0時(shí)Si接地①不論Di=0還是Di=1，Si都相當(dāng)于接地

→倒T型2R上的電流不變。說(shuō)明：Di=0或Di=1，卻影響流向運(yùn)放的電流：Di=1，電流流入運(yùn)放，Di=0，電流不流入運(yùn)放。③流經(jīng)UR的總電流I=UR/R。②從UR向左看，倒T型的等效電阻為R。(2)倒T型電路的特點(diǎn)從右向左，流經(jīng)各2R的電流依次減半()。(3)工作原理Di=1，Si接運(yùn)放，由Si流入運(yùn)放的電流Di=0，Si接地，由Si流入運(yùn)放的電流總之，不論Di=0或Di=1，總有流入運(yùn)放的總電流輸出電壓為輸出電壓為若Rf=R，并將I=UR/R代入上式，則有①只R和2R電阻，容易保證制作精度。②Si動(dòng)作時(shí)，倒T型電流不變→轉(zhuǎn)換過(guò)程不產(chǎn)生尖峰脈沖→減小誤差，提高轉(zhuǎn)換速度?？偨Y(jié)：輸出模擬電壓U與輸入二進(jìn)制數(shù)成正比。(4)倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC的優(yōu)點(diǎn)布置作業(yè)9-1.說(shuō)明：LSB

指最低有效位，即本節(jié)的的D0。結(jié)論：DAC位數(shù)n越大→分辨率的數(shù)值就越小→能分辨出的最小電壓△U就越小→分辨率就越高。1.分辨率：理論上的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比9.2.3D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)應(yīng)Dn-1…D1D0=0…01對(duì)應(yīng)Dn-1…D1D0=1…11因?yàn)檩敵鲭妷河谑亲钚‰妷篋指輸入的2進(jìn)制最大電壓分辨率故能分辨出的最小電壓分辨率與n有關(guān)，常用n表示分辨率2.轉(zhuǎn)換精度：實(shí)際輸出值與理論輸出的差值。電子開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的電壓降和電阻網(wǎng)絡(luò)電阻值偏差產(chǎn)生。(1)非線(xiàn)性誤差。(2)比例系數(shù)誤差：參考電壓UR的偏離而引起的誤差。UR是比例系數(shù)，故叫比例系數(shù)誤差輸出電壓的絕對(duì)值(3)漂移誤差：運(yùn)放的零點(diǎn)漂移產(chǎn)生的誤差。3.建立時(shí)間(決定轉(zhuǎn)換速度)數(shù)字輸入到輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間。10.2.4八位集成DAC08321.組成：2級(jí)8位寄存器+8位DAC(倒T型，不含運(yùn)放，但內(nèi)接Rfb)2.引腳介紹①I(mǎi)LE,CS,WR1：控制寄存器1開(kāi)閉(只ILE=1,CS=WR1=0時(shí)打開(kāi))。②WR2,XFER：控制寄存器2開(kāi)閉(只WR2=XFER=0時(shí)打開(kāi))。(2)電源及地①電源:UCC—芯片電源(5~15V);UREF—參考電壓,精度要求更高(-10~10V)②地:DGND、AGND—數(shù)字地和模擬地(可接一起)(1)寄存器控制引腳：①數(shù)字輸入引腳:D0~D7(D0為最低位)②模擬輸出引腳:IOUT1等效于圖9.2.3中流入集成運(yùn)放的電流，為教材238頁(yè)的I∑IOUT2等效于圖9.2.3電阻網(wǎng)絡(luò)流入地的電流IOUT1和IOUT2接線(xiàn)也類(lèi)似于圖9.2.3(3)輸入輸出引腳③Rfb：

反饋電阻接線(xiàn)端(內(nèi)已含一個(gè)反饋電阻)(a)運(yùn)放增益夠，該端接輸出電壓U(b)運(yùn)放增益不夠，外接一電阻再接輸出電壓(見(jiàn)圖9.2.7)(1)雙緩沖器型：2個(gè)寄存器都由控制信號(hào)控制其開(kāi)閉。(2)單緩沖器型：1個(gè)寄存器常通，另1個(gè)由控制信號(hào)控制開(kāi)閉。(3)直通型：2個(gè)寄存器都常通。3.工作方式9.3A/D轉(zhuǎn)換器9.3.1A/D轉(zhuǎn)換器的基本工作原理A/D轉(zhuǎn)換目標(biāo)：時(shí)間和幅值都連續(xù)的模擬信號(hào)→時(shí)間和幅值都離散的數(shù)字信號(hào)四個(gè)步驟：采樣、保持、量化、編碼。1.采樣與保持①取樣過(guò)程(1)采樣(取樣)：每隔一段時(shí)間，就對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行取值。②取樣定理設(shè)取樣脈沖頻率為fS，模擬信號(hào)所含的最高頻率fmax，則必須滿(mǎn)足

fs≥2fmax

S為高電平時(shí)：開(kāi)關(guān)開(kāi)→Uo

(t)=Ui(t)

S(t)=0時(shí)：開(kāi)關(guān)閉→Uo(t)=0

′′得到取樣信號(hào)如圖，由圖知：取樣實(shí)現(xiàn)了模擬信號(hào)在時(shí)間上的離散化(2)保持：把采樣電壓維持一段時(shí)間不變。①保持的原因因A/D轉(zhuǎn)換需要一定時(shí)間，而采樣時(shí)間τ很短不足以進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，故需要保持采樣電壓直到轉(zhuǎn)換結(jié)束。②保持電路的分析S(t)為高電平時(shí)：VT導(dǎo)通，Ui(t)向C充電。如充電時(shí)間常數(shù)<<τ，則認(rèn)為Uo(t)隨Ui(t)變化而變化(Uo=Ui)，處于采樣階段。

S(t)為0時(shí)：VT截止。由于VT截止電阻和運(yùn)放輸入電阻很大，可認(rèn)為Uo=UC操持不變。處于保持階段。

2.量化和編碼(1)量化電平和量化間隔量化電平U：ADC的n位輸出D能表示的2n個(gè)離散的模擬電壓.

有

U=KD量化間隔S：兩相鄰量化電平之差，則

S=△U

=K·△D=K量化電平與量化間隔的關(guān)系：

U=S·DD=(Dn…D1D0)2例：3位DAC的量化間隔S=0.2V，則其量化電平的個(gè)數(shù)為()個(gè),分別是()。(2)編碼：用二進(jìn)制數(shù)D表示各量化電平的過(guò)程。誤差只為正，最大值:δmax≈S(3)量化采樣后的信號(hào)在時(shí)間上已離散化，但在幅度上仍是連續(xù)的。量化：把幅度連續(xù)的采樣電壓近似表示為量化電平。量化誤差δ：δ=采樣電壓-量化電平量化方法：根據(jù)量化的近似方法不同，可分為只舍不入法和有舍有入法。

①只舍不入法將采樣電平按量化間隔S劃分，不足1S的舍去。量化電平(V)量化電平(V)②有舍有入法將采樣電平Uo按量化間隔S劃分。Uo的尾數(shù)＜S/2：舍尾取整法；Uo的尾數(shù)≥S/2：舍尾入整法。δ可正可負(fù)，最大誤差為|δmax|=S/29.3.2

A/D轉(zhuǎn)換器的主要電路形式(1)直接法：基準(zhǔn)電壓與取樣電壓比較數(shù)字量直接特點(diǎn)：工作速度高，轉(zhuǎn)換精度容易保證。(2)間接法：取樣信號(hào)→t或f→數(shù)字量。特點(diǎn)：工作速度較低，轉(zhuǎn)換精度可以做得較高，且抗干擾性強(qiáng)。例：如本節(jié)的逐次逼近式ADC和并聯(lián)比較型ADC例：如本節(jié)的雙積分型ADC(利用t作為中間變量)分類(lèi)1．計(jì)數(shù)斜波式A/D轉(zhuǎn)換器(1)組成計(jì)數(shù)器：從全0態(tài)開(kāi)始進(jìn)行加法計(jì)數(shù)。DAC：把計(jì)數(shù)器輸出D轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)UR。比較器：UR<Ui時(shí)，輸出UC=1→控制門(mén)通，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)UR≥Ui時(shí)，輸出UC=0→控制門(mén)關(guān)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)′′′計(jì)數(shù)器從0開(kāi)始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果D通過(guò)DAC上后得到模擬電壓，然后將該值與輸入電壓比較，如兩者不等，則通過(guò)計(jì)數(shù)器加法計(jì)數(shù)將D增大，直到相等為止，則D為所求值。(2)工作原理：(3)優(yōu)缺點(diǎn)：①優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單②缺點(diǎn)：速度較慢(最大時(shí)間為2n-1個(gè)TCP)2．逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器(1)組成：電壓比較器、DAC、SAR、控制邏輯(2)工作原理：①SAR最高位置“1”

→DAC轉(zhuǎn)換后輸出Uo→再與Ui比較：②次高位置“1”，……最低位置“1”，…只需比較n次！例：已知SAR位數(shù)為8，待轉(zhuǎn)換模擬電壓Ui=163mV，設(shè)量化間隔S=1mV，則163mV對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)為163。比較過(guò)程如下表。(3)優(yōu)缺點(diǎn)①優(yōu)點(diǎn)：與計(jì)數(shù)斜波式ADC相比，速度大大提高。

(比較次數(shù)：由2n→n次)②缺點(diǎn)：比較次數(shù)還是與n有關(guān)，n較大時(shí)，速度還是很慢。3.雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器(1)工作原理(略)(2)優(yōu)缺點(diǎn)①優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)，轉(zhuǎn)換精度高②缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度慢4.并聯(lián)比較型ADC(1)組成及工作原理以3位ADC為例①電壓比較器(a)電阻分壓器通過(guò)電阻鏈分壓，得到比較的基準(zhǔn)電壓(b)7個(gè)比較器C0~C6

輸入模擬電壓UIN參考電壓URUIN與基準(zhǔn)電壓比較：UIN≥基準(zhǔn)電壓，Ci=1UIN<基準(zhǔn)電壓，Ci=0②寄存器

7個(gè)D觸發(fā)器CP↑暫存比較結(jié)果，以供編碼用③編碼器：將比較器的輸出C0~C6轉(zhuǎn)換成3位數(shù)字信號(hào)D2D1D0。(a)在表中填與C0~C6對(duì)應(yīng)的D2D1D0值,得輸出為D2D1D0的真值表.(b)把C0~C6未出現(xiàn)的值看成無(wú)關(guān)項(xiàng),由真值表→D2D1D0的表達(dá)式。例：已知UIN=3.8V，UR=8V。試寫(xiě)出比較器的輸出C0~C6和DAC轉(zhuǎn)換結(jié)果D2D1D0。解：因故比較器輸出：C6~C0=0001111；A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果：D2D1D0=100。①優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度快②缺點(diǎn)：(a)電路復(fù)雜；(b)精度較低。(2)并聯(lián)比較型的優(yōu)缺點(diǎn)9.3.3A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)

1.分辨率：ADC對(duì)輸入模擬信號(hào)的分辨能力n位ADC有2n個(gè)不同輸出,故它能區(qū)分的最小電壓(分辨率)為例：12位ADC，F(xiàn)SR=10V，則(FSR：滿(mǎn)量程)分辨率

分辨率

分辨率與n有關(guān)，常用n表示分辨率2.轉(zhuǎn)換速度：完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間主要取決于轉(zhuǎn)換電路的類(lèi)型：①雙積分型：最慢，幾百ms；②逐次逼近式：較快，幾十μs；③并聯(lián)型：最快，幾十ns。3.相對(duì)精度(轉(zhuǎn)換誤差或相對(duì)誤差)

ADC實(shí)際輸出的數(shù)字量與理論上的差值。常用最低有效位的倍數(shù)表示例：某ADC的相對(duì)精度為±(1/2)LSB，這說(shuō)明理論上輸出的數(shù)字量與實(shí)際輸出的數(shù)字量間的誤差不大于最低位為１的一半。布置作業(yè)9-79-69.3.4八位集成ADC08091.組成(1)地址鎖存器和譯碼器、8路模擬開(kāi)關(guān)①ALE控制鎖存器對(duì)地址ADDC、ADDB和ADDA進(jìn)行鎖存。②譯碼器對(duì)鎖存的地址進(jìn)行譯碼。③譯碼信號(hào)經(jīng)模擬開(kāi)關(guān)，從8路模擬輸入中選通1路進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。通道號(hào)01234567地址ADDC00001111ADDB00110011ADDA01