第九章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器

第九章 模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器9.1D/A轉(zhuǎn)換器9.2A/D轉(zhuǎn)換器◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎◎1D/A轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換的應(yīng)用

模

擬

傳感器

A/D

轉(zhuǎn)換器

數(shù)字控制

計算機(jī)

D/A

轉(zhuǎn)換器

模擬控制器

工業(yè)生產(chǎn)過程控制對象

ADC和DAC已成為計算機(jī)系統(tǒng)中不可缺少的接口電路。傳感器(溫度、壓力、流量、應(yīng)力等）計算機(jī)進(jìn)行數(shù)字處理（如計算、濾波）、數(shù)據(jù)保存等用模擬量作為控制信號2本章教學(xué)目標(biāo)數(shù)字電路shuzidianlu正確理解D/A、A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)。掌握并行比較、逐次比較A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)的工作原理及其特點(diǎn)。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7533的工作原理及相關(guān)計算。正確理解D/A轉(zhuǎn)換器的兩種輸出方式。39.1.2倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器

9.1.3權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器

9.1.4D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式

9.1.5D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)

9.1.6集成D/A轉(zhuǎn)換及其應(yīng)用

9.1.1D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理

9.1D/A轉(zhuǎn)換器41、DAC的功能:將數(shù)字量成正比地轉(zhuǎn)換與之對應(yīng)的模擬量。（設(shè)D/A轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)字量為n位）n位數(shù)字量模擬量0~5V或0~10V等9.1.1D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理DAC4位8位10位12位16位等n=52.D/A轉(zhuǎn)換器的組成:9.1.1D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理用來存放數(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69.1.1D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理73.D/A轉(zhuǎn)換器的分類:9.1.1D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理按解碼網(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89.1.2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。1、4位倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器9D/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2R電阻的電流從高位到低位按2的整數(shù)倍遞減。9.1.2倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器10工作原理：II2I1I0I3流入運(yùn)放的總電流：

i

＝I0D0

+I1D1

+I2D2

+I3D39.1.2倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器11工作原理：II2I1I0I3輸出模擬電壓：

9.1.2倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器12工作原理：4位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC的輸出模擬電壓：推廣到n位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC,有：令：則O=–KNB

上式表明，在電路中輸入的每一個二進(jìn)制數(shù)NB，均能得到與之成正比的模擬電壓輸出。9.1.2倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器132、集成D/A轉(zhuǎn)換器RF?+vOA2R2R2R2R2RVREFD9D2D1D0RRR2R2RRD8D7R10KΩ············IOUT1IOUT2AD7533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。9.1.2倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器14RR2RIOUT1IOUT2T1T2T3T5T4T7T6T8T9VDDDiCMOS模擬開關(guān)電路9.1.2倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器15為提高D/A轉(zhuǎn)換器的精度，對電路參數(shù)的要求：(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；(3)每個模擬開關(guān)的開關(guān)電壓降要相等；(4)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。9.1.2倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器169.1.3權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器Di=1時，開關(guān)Si接運(yùn)放的反相端;

Di=0時，開關(guān)Si接地。電路在恒流源電路中，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，這樣降低了對開關(guān)電路的要求，提高了轉(zhuǎn)換精度。采用恒流源電路后對提高轉(zhuǎn)換精度有什么好處？1、4位權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器17實(shí)際的權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器電路9.1.3權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器18輸出電壓或為0伏到正滿度值，或為0伏到負(fù)滿度值。稱為單極性輸出方式。采用單極性輸出方式時，輸入數(shù)字量采用自然二進(jìn)制碼。對權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器，如果R1=Rf,則有對倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，如果R=Rf,則有9.1.4D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式19D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0模擬量1111111110000001100000000111111100000001000000009.1.4D/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的輸入/輸出關(guān)系……20倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器單極性電壓輸出的電路反相輸出同相輸出

9.1.4D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式21在實(shí)際應(yīng)用中，D/A轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字量有正極性也有負(fù)極性。這就要求D/A轉(zhuǎn)換器能將不同極性的數(shù)字量對應(yīng)轉(zhuǎn)換為正、負(fù)極性的模擬電壓，工作于雙極性方式。雙極性D/A轉(zhuǎn)換器常用的編碼有：2的補(bǔ)碼、偏移二進(jìn)制碼及符號-數(shù)值碼（符號位加數(shù)值碼）等。9.1.4D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式229.1.4D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式雙極性輸出的8位D/A轉(zhuǎn)換器輸入與輸出關(guān)系十進(jìn)制數(shù)2的補(bǔ)碼偏移二進(jìn)制碼模擬量D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1D0D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D0O/VLSB12701111111111111111271260111111011111110126…－11111111101111111－1…－1271000000100000001－127－1281000000000000000－12823比較表9·1·2和表9·1·1可見，偏移二進(jìn)制碼與無符號二進(jìn)制碼形式上相同，它實(shí)際上是將二進(jìn)制碼對應(yīng)的模擬量的0值偏移至80H，使偏移后的數(shù)中，只有大于128的才是正數(shù)，而小于128的則為負(fù)數(shù)。所以，若將單極性8位D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓減去VREF/2(80H所對應(yīng)的模擬量），就可得到極性正確的偏移二進(jìn)制碼輸出電壓。若D/A轉(zhuǎn)換器輸入數(shù)字量是2的補(bǔ)碼，則先將它轉(zhuǎn)換為偏移二進(jìn)制碼，然后輸入到上述D/A轉(zhuǎn)換電路中就可實(shí)現(xiàn)其雙極性輸出。而2的補(bǔ)碼加80H并舍棄進(jìn)位就可得到偏移二進(jìn)制碼。實(shí)現(xiàn)2的補(bǔ)碼加80H只需將2的補(bǔ)碼的高位求反即可。9.1.4D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式249.1.4D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式雙極性輸出的8位D/A轉(zhuǎn)換器NB’｛｝259.1.5D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)2、轉(zhuǎn)換精度：是指對給定的數(shù)字量，D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際值與理論值之間的最大偏差。即：轉(zhuǎn)換誤差的最大值1、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數(shù)。實(shí)際應(yīng)用中往往用輸入數(shù)字量的位數(shù)表示D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率。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26轉(zhuǎn)換誤差：轉(zhuǎn)換誤差是指D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際精度與理論上可達(dá)到的精度之間存在誤差。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9.1.5D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)9.1.5D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)比例系數(shù)誤差（由ΔVREF引起）；失調(diào)誤差（由運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移引起）；非線性誤差（由模擬開關(guān)和電阻網(wǎng)絡(luò)中的電阻誤差等引起）。279.1.5D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)（1）比例系數(shù)誤差：是指實(shí)際轉(zhuǎn)換特性曲線的斜率與理想特性曲線斜率的偏差。

如在n位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器中，當(dāng)VREF偏離標(biāo)準(zhǔn)值△VREF時，就會在輸出端產(chǎn)生誤差電壓。由△VREF引起的誤差屬于比例系數(shù)誤差。

289.1.5D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)（2）失調(diào)誤差：由運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移引起，其大小與輸入數(shù)字量無關(guān)，該誤差使輸出電壓的轉(zhuǎn)移特性曲線發(fā)生平移。三位D/A轉(zhuǎn)換器的失調(diào)誤差29（3）非線性誤差:是一種沒有一定變化規(guī)律的誤差，一般用在滿刻度范圍內(nèi)，用偏移理想的轉(zhuǎn)移特性的最大值來表示。模擬開關(guān)處于不同的位置有不同的導(dǎo)通電壓和導(dǎo)通電阻，各電阻支路電阻誤差不同等都可能導(dǎo)致非線性誤差。綜上所述，高精度的D/A轉(zhuǎn)換器必需是高分辨率的D/A轉(zhuǎn)換器、高穩(wěn)定度的VREF和低零點(diǎn)漂移的運(yùn)放相配合才能實(shí)現(xiàn)。9.1.5D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)309.1.5D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)3、轉(zhuǎn)換速度：是指當(dāng)D/A轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時輸出的模擬量并不能立即達(dá)到所對應(yīng)的量值，它要延長一段時間。4、溫度系數(shù)：是指在輸入不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度的變化而產(chǎn)生的變化。一般用滿刻度輸出條件下溫度每升高1℃，輸出電壓變化的百分?jǐn)?shù)作為溫度系數(shù)。建立時間（tset)：輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時,輸出電壓變化到相應(yīng)穩(wěn)定值(達(dá)到誤差±LSB/2時）所需時間。一般用全0變到全1需時表示轉(zhuǎn)換速率（SR)：大信號工作狀態(tài)下模擬電壓的最大變化率。319.1.6集成D/A轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用1.數(shù)字式可編程增益控制器10位CMOS電流開關(guān)型D/A轉(zhuǎn)換器

329.1.6集成D/A轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用1.數(shù)字式可編程增益控制器根據(jù)虛地原理，由圖得3374163具同步清零功能74163和與非門構(gòu)成十進(jìn)制計數(shù)器：0000~10019.1.6集成D/A轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用2.脈沖波產(chǎn)生電路349.2.1A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程

9.2.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器

9.2.3逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器*9.2.4雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器

*9.2.5A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)

9.2A/D轉(zhuǎn)換器*9.2.6集成A/D轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用

35

A/D轉(zhuǎn)換器要將時間上連續(xù)，幅值也連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為時間上離散，幅值也離散的數(shù)字信號。它一般要包括取樣，保持，量化及編碼4個過程。A/D轉(zhuǎn)換器概述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)換成對應(yīng)的數(shù)字量。1.A/D功能:362.A/D轉(zhuǎn)換器分類①并行比較型

特點(diǎn):轉(zhuǎn)換速度快,轉(zhuǎn)換時間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)到一個很好的平衡。③雙積分型

特點(diǎn):轉(zhuǎn)換速度慢,轉(zhuǎn)換時間幾百s~幾ms,但抗干擾能力最強(qiáng)。A/D轉(zhuǎn)換器概述379.2.1A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程

1.取樣與保持

采樣是將隨時間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為在時間離散的模擬量。

采樣信號S(t)的頻率愈高，所采得信號經(jīng)低通濾波器后愈能真實(shí)地復(fù)現(xiàn)輸入信號。合理的采樣頻率由采樣定理確定。

采樣定理：設(shè)采樣信號S(t)的頻率為fs，輸入模擬信號I(t)的最高頻率分量的頻率為fimax，則fs≥2fimax 38

要將取樣電路每次采得模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號都需要一定時間，為了給后續(xù)的量化編碼過程提供一個穩(wěn)定的值，在取樣電路后要加保持電路，將所采樣的模擬信號保持一段時間。電路要求：AV1AV2=1,A1的Ri高，A2的Ri高，A2的Ro低采樣不能放電保持（1）取樣與保持電路及工作原理9.2.1A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程

392.量化與編碼為將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，在A/D轉(zhuǎn)換過程中，必須將采樣–保持電路的輸出電量，按某種近似方式歸化到與之相應(yīng)的離散電平上。這一轉(zhuǎn)化過程我們稱為數(shù)值量化，簡稱量化。任何一個數(shù)字量的大小只能是某個規(guī)定的最小數(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。量化編碼9.2.1A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程

40(1)量化及量化誤差量化過程中所取最小數(shù)量單位稱為量化單位用表示。它是數(shù)字信號最低位為1時所對應(yīng)的模擬量，即1LSB。任何一個數(shù)字量的大小只能是某個規(guī)定的最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。在量化過程中由于采樣電壓不一定能被整除，所以量化前后不可避免地存在誤差，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。9.2.1A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程

41只舍不入量化方式:量化中把不足1個量化單位的部分舍棄；最大量化誤差為：四舍五入量化方式:量化過程將不足半個量化單位部分舍棄，對于等于或大于半個量化單位部分按一個量化單位處理。其最大量化誤差為：最大量化誤差為（2）兩種量化方式01V1111101011000110100010000Δ=0v7Δ=7/8v6Δ=6/8v5Δ=5/8v4Δ=4/8v3Δ=3/8v2Δ=2/8v1Δ=1/8v輸入信號編碼模擬電平01V110101100011010001000輸入信號編碼模擬電平0Δ=0v1Δ=2/15v2Δ=4/15v3Δ=6/15v4Δ=8/15v5Δ=10/15v6Δ=12/15v7Δ=14/15v1119.2.1A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程

429.2.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器1、電路組成

電壓比較器輸入模擬電壓精密電阻網(wǎng)絡(luò)（23個電阻）精密參考電壓D觸發(fā)器VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15輸出數(shù)字量439.2.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器2、工作原理11VREF/159VREF/1513VREF/157VREF/153VREF/15VREF/155VREF/15VI=8VREF/1511110000001111I7的優(yōu)先級最高001vivO44

vI

CO1CO2CO3CO4CO5CO6CO7

D2D1D0

7VREF/15

vI9VREF/15

0001111100

9VREF/15

vI11VREF/15

0011111101

5VREF/15

vI7VREF/15

0000111011

3VREF/15

vI5VREF/15000001101011VREF/15

vI13VR/15

011111111013VREF/15

vIVREF/15

1111111111

VREF/15

vI

3VREF/15

0000001001

0vIVREF/15

0000000000

根據(jù)各比較器的參考電壓值，可以確定輸入模擬電壓值與各比較器輸出狀態(tài)的關(guān)系。比較器的輸出狀態(tài)由D觸發(fā)器存儲，經(jīng)優(yōu)先編碼器編碼，得到數(shù)字量輸出。9.2.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器2、工作原理459.2.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器3、電路特點(diǎn)在并行A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入電壓I同時加到所有比較器的輸入端，從I加入到三位數(shù)字量穩(wěn)定輸出所經(jīng)歷的時間為比較器、D觸發(fā)器和編碼器延遲時間之和。如不考慮各器件的延遲，可認(rèn)為三位數(shù)字量是與I輸入時刻同時獲得的。所以它具有最短的轉(zhuǎn)換時間。

缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，如三位ADC需比較器的個數(shù)目為7個，位數(shù)越多矛盾越突出。為了解決提高分辨率和增加元件數(shù)的矛盾，可以采取分級并行轉(zhuǎn)換的方法。469.2.3

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

。所加砝碼重量第一次第二次第三次第四次再加4克再加2克再加1克8克砝碼總重<待測重量Wx，8克砝碼保留砝碼總重仍<待測重量Wx，4克砝碼保留砝碼總重>待測重量Wx，2克砝碼撤除砝碼總重＝待測重量Wx，1克砝碼保留

結(jié)果8克12克12克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。稱重過程

471.轉(zhuǎn)換原理

100…0100…0I

≥VREF/2

1I

<VREF/2

09.2.3逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器481.轉(zhuǎn)換原理

010…0010…0I

≥3/4VREF

1010I

<3/4VREF

9.2.3逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器491.轉(zhuǎn)換原理001…0001…0I

≥5/8VREF