第9章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器

第九章數(shù)-模（D/A）和

模-數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換§9.1概述模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換稱為模—數(shù)轉(zhuǎn)換，或稱為A/D（AnalogtoDigital）把實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的電路稱為A/D轉(zhuǎn)換器（AnalogDigitalConverterADC）從數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)換稱為D/A（DigitaltoAnalog）轉(zhuǎn)換把實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的電路稱為D/A轉(zhuǎn)換器（DigitalAnalogConverterDAC）D/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

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）計算機進行數(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DAC網(wǎng)絡(luò)DAC權(quán)電阻☆倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)DACADC直接ADC間接ADC權(quán)電流型DAC權(quán)電容型DAC開關(guān)樹型DAC輸入/輸出方式并行串行1、DAC的功能:將數(shù)字量成正比地轉(zhuǎn)換與之對應(yīng)成模擬量。（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DAC4位8位10位11位16位等n=9.2D/A轉(zhuǎn)換器概述

數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合而成的,對于有權(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,這樣，就可以實現(xiàn)數(shù)字量--模擬量的轉(zhuǎn)換。2.實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的基本思想如何實現(xiàn)D/AD/A轉(zhuǎn)換原理一、電路結(jié)構(gòu)和工作原理9.2.1權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器S3～S0受數(shù)字d3～d0控制。優(yōu)缺點：1.優(yōu)點：簡單2.缺點：電阻值相差大，難于保證精度，且大電阻不宜于集成在IC內(nèi)部vODiDi=0,Si則將電阻2R接地Di=1,Si接運算放大器反相端，電流Ii流入求和電路

電阻網(wǎng)絡(luò)模擬電子開關(guān)求和運算放大器輸出模擬電壓輸入4位二進制數(shù)根據(jù)運放線性運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、原理電路9.2.1倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器2、D/A轉(zhuǎn)換器的倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)基準電源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。3.工作原理：II2I1I0I3流入運放的總電流：

i

＝

I0+I1+I2+I3(P-461)3.工作原理：II2I1I0I3輸出模擬電壓：

3.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：上式表明，在電路中輸入的每一個二進制數(shù)NB，均能得到與之成正比的模擬電壓輸出vo。若Rf=R，并代入上式，則有P-461式(9.2.5)D/A計算公式為提高D/A轉(zhuǎn)換器的精度，對電路參數(shù)的要求：(1)基準電壓穩(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。4、對電路參數(shù)的要求補碼輸入對應(yīng)的十進制要求的輸出D2D1D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V9.2.6具有雙極性輸出的DAC一、原理例：輸入為3位二進制補碼。最高位為符號位，正數(shù)為0，負數(shù)為1當(dāng)輸入數(shù)字量有±極性時，希望輸出的模擬電壓也對應(yīng)為±。原碼輸入對應(yīng)的輸出偏移后的輸出D2D1D0111+7V+3V110+6V+2V101+5V+1V100+4V0V011+3V-1V010+2V-2V001+1V-3V0000V-4V補碼輸入對應(yīng)的十進制要求的輸出D2D1D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4VD/A*將符號位反相后接至高位輸入

*將輸出偏移使輸入為100時，輸出為01*將符號位反相后接至高位輸入

*將輸出偏移使輸入為100時，輸出為0二、單極變雙極的

電路實現(xiàn)9.2.7D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標1.轉(zhuǎn)換精度：通常用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述。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轉(zhuǎn)換誤差產(chǎn)生原因：由于D/A轉(zhuǎn)換器中各元件參數(shù)值存在誤差，如基準電壓不夠穩(wěn)定或運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轉(zhuǎn)換誤差：轉(zhuǎn)換誤差是指D/A轉(zhuǎn)換器實際精度與理論上可達到的精度之間存在誤差。集成DA轉(zhuǎn)換器實例集成D/A轉(zhuǎn)換器AD7520的管腳及內(nèi)部電路如圖所示，它是10位倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器。AD7520也叫CB7520,須外加運算放大器,運算放大器的反饋電阻可以使用內(nèi)設(shè)的,也可以另選反饋電阻接到1端和vo之間。輸入的數(shù)字量與輸出的模擬量之間的關(guān)系如表9.1.1所示。集成DA轉(zhuǎn)換器

八位集成DAC0832集成D/A轉(zhuǎn)換器0832DAC0832管腳圖CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3VCCVREFRfbDGNDILEXFERIout2Iout11234567891019181716151413121120CS：片選端WR1、WR2：寫入端D7--D0：數(shù)據(jù)輸入端XFER：轉(zhuǎn)移控制端ILE：鎖存使能端Iout2Iout1：電流輸出端VREF：參考電壓端Rfb：內(nèi)部反饋電阻輸出端DAC0832幾種接線方式★課堂提問1．D/A轉(zhuǎn)換器如圖所示。試問：(1)這是那種類型的D/A轉(zhuǎn)換器，寫出vo的表達式；當(dāng)RfR時，vo的表達式又如何？(2)試求輸出電壓的取值范圍和分辨率。(3)若要求電路輸入數(shù)字量為200H時輸出電壓Vo=5V，試問VREF應(yīng)取何值？

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。9.3A/D轉(zhuǎn)換器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:A/D轉(zhuǎn)換器概述A/D轉(zhuǎn)換原理①并聯(lián)比較型（直接型：VD）

特點: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（直接型：VD）

特點: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)雜度之間達到一個很好的平衡。③雙積分型（間接型：V-T轉(zhuǎn)換型）

特點:轉(zhuǎn)換速度慢,轉(zhuǎn)換時間幾百s~幾ms,但抗干擾能力最強。2.A/D轉(zhuǎn)換器分類9.3.1A/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vI(t)的最高頻率分量的頻率為fimax，則fs≥2fimax (9.3.1)1.取樣與保持電路要求：AV1AV2=1，A1的Ri高，A2的Ri高，A2的Ro低采樣不能放電保持（1）電路及工作原理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，在取樣電路后要保加持電路，將所采樣的模擬信號保持一段時間。取樣與保持過程往往是通過采樣與保持電路同時完成的。

2.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。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。9.2.1A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程量化編碼任何一個數(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。(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。⑴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：⑵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=14/15v111一、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分壓電路精密參考電壓D觸發(fā)器VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15輸出數(shù)字量9.3.3直接型A/D轉(zhuǎn)換器P--481把輸入的模擬電壓直接轉(zhuǎn)換成輸出的數(shù)字量,不經(jīng)過中間量。11VREF/159VREF/1513VREF/157VREF/153VREF/15VREF/155VREF/15VI=8VREF/1511110000001111100vivO2、工作原理代碼轉(zhuǎn)換電路工作原理代碼轉(zhuǎn)換電路與寄存器輸出的關(guān)系：d2=Q4當(dāng)Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1=0001111則d2d1d0=100

vI

Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1

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/151111111111

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)代碼轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字量輸出。2、工作原理P--482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。單片集成并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的產(chǎn)品很多，如AD公司的AD9012(TTL工藝8位)、AD9002(ECL工藝，8位)、AD9020(TTL工藝，10位)等。3、電路特點：二、反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器！簡單！慢1、計數(shù)型基本原理：取一個“D”加到DAC上，得到模擬輸出電壓，將該值與輸入電壓比較，如兩者不等，則調(diào)整D的大小，到相等為止，則D為所求值。2、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

逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器1.轉(zhuǎn)換原理

100…0100…0I

≥VREF/2

1I

<VREF/2

01.轉(zhuǎn)換原理010…0110…0vi

≥3/4VREF

1010vi<3/4VREF

1.轉(zhuǎn)換原理001…0101…0vi

≥5/8VREF

1010vi

<5/8VREF

1110000000vA=6.84VVREF=10V10101111

逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器1100003位：5個CLKN位:(n+2)個CLK逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器電路原理11000100021D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓vO＝VREF/2,送入比較器C與vI比較；若vI＞vo則比較器C輸出vc為1，否則為0。比較結(jié)果（1或0）送至數(shù)據(jù)寄存器的D4~D1。小結(jié)：

1、

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)換所需時間為（n+2）CP，與其位數(shù)n和時鐘脈沖頻率有關(guān)，位數(shù)愈少，時鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換所需時間越短；

逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器式中，負號表示vO與vI在相位上是相反的。根據(jù)“虛短”，得根據(jù)“虛斷”，得因此電容器被充電，其充電電流為i2設(shè)電容器C的初始電壓為零，則積分電路復(fù)習(xí)當(dāng)vI為階躍電壓時，有vO與t成線性關(guān)系積分電路復(fù)習(xí)9.3.4間接型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

對輸入模擬電壓和參考電壓分別進行兩次積分，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時間間隔，然后利用時鐘脈沖和計數(shù)器測出此時間間隔，進而得到相應(yīng)的數(shù)字量輸出。該A/D轉(zhuǎn)換器也稱為電壓－時間－數(shù)字式積分器。一、雙積分型（V-T變換型）先將V轉(zhuǎn)換成與之成正比的時間寬度信號，然后在這個時間內(nèi)用固定頻率脈沖計數(shù)。1、起始狀態(tài)：計數(shù)器清零。2、VL=1，轉(zhuǎn)換開始,（S0斷開）。第一步，S1接通VI,積分器作固定時間T1的積分,VI保持不變。vo

VIT2vovI結(jié)論：輸出數(shù)字D正比于模擬輸入vI定時積分，(計數(shù)器設(shè)定)定值積分，(T2vO)電路實現(xiàn)雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器優(yōu)點：1.由于轉(zhuǎn)換結(jié)果與時間常數(shù)RC無關(guān)，從而消除了積分非線性帶來的誤差。2.由于雙積分A/D轉(zhuǎn)換器在T1時間內(nèi)采的是輸入電壓的平均值，因此具有很強的抗工頻干擾的能力。

T1=2nTC3.不需要穩(wěn)定的時鐘源，只要時鐘源在一個轉(zhuǎn)換周期時間內(nèi)保持穩(wěn)定即可。1.轉(zhuǎn)換精度

A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標

單片集成A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述的。

分辨率:說明A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號的分辨能力。①以輸出二進制(或十進制)數(shù)的位數(shù)表示;轉(zhuǎn)換誤差：表示A/D轉(zhuǎn)換器實際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別。通常以輸出誤差的最大值形式給出，常用最低有效位的倍數(shù)表示，例如轉(zhuǎn)換誤差(1/2)LSB。②A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標2.轉(zhuǎn)換時間

指A/D轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控制信號到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號所經(jīng)過的時間。A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間與轉(zhuǎn)換電路的類型有關(guān)并行比較A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最高,逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器次之,間接A/D轉(zhuǎn)換器(如雙積分A/D)的速度最慢。

并行比較A/D轉(zhuǎn)換器(8位）

逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器

間接A/D轉(zhuǎn)換器10~50s<50ns10ms~1000ms選擇A/D轉(zhuǎn)換器例題例：某信號采集系統(tǒng)要求用一片A/D轉(zhuǎn)換集成芯片在1秒鐘內(nèi)對16個熱電偶的輸出電壓分時進行A/D轉(zhuǎn)換。已知熱電偶輸出電壓范圍為0~0.025V(對應(yīng)于0~450℃溫度范圍)，需要分辨的溫度為0.1℃，試問應(yīng)選擇多少位的A/D轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時間為多少？解：由題意可知要求的分辨率為

12位A/