數(shù)字電子技術(shù) DA與AD轉(zhuǎn)換

學(xué)習(xí)要點(diǎn)：數(shù)－模轉(zhuǎn)換的基本原理

模－數(shù)轉(zhuǎn)換的基本原理第九章數(shù)-模和模-數(shù)轉(zhuǎn)換器9.1

概述隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字控制、數(shù)字測量，已被廣泛應(yīng)用。然而日常處理的物理量如溫度、壓力、流量、速度等大都是連續(xù)變化的模擬量，傳感后的電信號也是模擬量，要用計(jì)算機(jī)控制，必須先轉(zhuǎn)為數(shù)字量，經(jīng)過數(shù)字處理后再變?yōu)槟M信號應(yīng)用到模擬系統(tǒng)9.1

概述能將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的電路稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC；能將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，簡稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC。ADC和DAC是溝通模擬電路和數(shù)字電路的橋梁，也可稱之為兩者之間的接口。典型數(shù)字控制系統(tǒng)框圖式中，Ku為比例系數(shù)（轉(zhuǎn)換系數(shù)）9.2D/A轉(zhuǎn)換電路9.2.1D/A轉(zhuǎn)換的基本原理一個(gè)n位二進(jìn)制數(shù)可表示為：D=dn-1dn-2….d1d0，其最高位到最低位的權(quán)依次為：2n-12n-2….2120

，，輸出模擬量與數(shù)字量的關(guān)系為：0000010100111001011101111234567如圖，是輸入為3位二進(jìn)制數(shù)時(shí)的D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性。圖中二進(jìn)制代碼111對應(yīng)的輸出電壓U0MAX，假如令U0MAX=7v,3位二進(jìn)制數(shù)D/A轉(zhuǎn)換器有8個(gè)輸出模擬電壓，即從0~7V。當(dāng)最大輸出電壓確定后，輸入數(shù)字量的位數(shù)越多，輸出模擬量的階梯間隔越小，表示轉(zhuǎn)換器的分辨率越高。2、D/A轉(zhuǎn)換的電路結(jié)構(gòu)數(shù)碼寄存器n位模擬電子開關(guān)解碼網(wǎng)絡(luò)求和電路基準(zhǔn)電壓n位數(shù)字量輸入模擬量輸出D/A轉(zhuǎn)換的種類權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器9.2.2權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器2n-1RI02n-2R2n-3R20R-UR數(shù)據(jù)寄存器d0d1d2dn-1……-+In-1U0RFI若n=49.2.2權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器設(shè)：上式表明,輸出模擬電壓與輸入數(shù)字量成正比,即完成數(shù)模轉(zhuǎn)換。如果輸入n位二進(jìn)制，則權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)：簡單直觀。主要缺點(diǎn)：電阻電阻品種多且范圍太寬。例：8位轉(zhuǎn)換器需8個(gè)電阻，從R到8R遞增變化，在如此寬的范圍內(nèi)保證每個(gè)電阻的精度是十分困難的。所以該轉(zhuǎn)換器精度難以保證。模擬開關(guān)，受Di控制。Di=1時(shí)，模擬開關(guān)左撥,Di=0時(shí)，模擬開關(guān)右撥。數(shù)據(jù)寄存器RF9.2.3T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器2

R2

R2

R2

R+URd0d1d2dn-1……-+U02

R01RRR2R求和放大器最高位MSB最低位LSB當(dāng)d3d2d1d0=0001時(shí)，RF2

R2

R2

R2

R+UR-+u02

R01RRR2Rd0d1d2d3aa

Req0UocReq=R2

R2

R2

R2

RRRRa0UR2

R2

R2

R2

RRRRa0UR12

R2

R2

R2

RRRa0UR12R0222

R2

R2

R2

RRRRa0UR22R02R2R2R2

R2

R2

R2

RRRRa0UR2R2

R2

R2

R2

RRRRa0UR2R22R02R332R0aR0Req=R同理：當(dāng)d3d2d1d0=0010時(shí)，Req=R同理：當(dāng)d3d2d1d0=0100時(shí)，Req=R同理：當(dāng)d3d2d1d0=1000時(shí)，Req=R應(yīng)用疊加定理將電壓分量疊加得：RF2

R2

R2

R2

R+UR-+u02

R01RRR2Rd0d1d2d3aR當(dāng)RF=3R時(shí)，如果輸入n位二進(jìn)制數(shù)，則當(dāng)d3d2d1d0=1101時(shí)，T型電阻網(wǎng)絡(luò)需要較多電阻，但電阻只有兩種R和2R，較容

易保證電阻的精度。有利于提高轉(zhuǎn)換精度，降低成本。P.262倒數(shù)第3行式子錯(cuò)P.264圖9-7中A點(diǎn)應(yīng)改為a,U0應(yīng)改為u0

P.272圖9-14中xx/14應(yīng)改為xx/

15P.269第5行在時(shí)間上是（離散）連續(xù)的9.2.6D/A轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)1.轉(zhuǎn)換精度1）分辨率：用于表征D/A轉(zhuǎn)換器對外輸入微小量變化的敏感程度。其定義為D/A轉(zhuǎn)換器模擬量輸出電壓可能被分離的等級數(shù)輸入數(shù)字位數(shù)越多，輸出電壓被分離的等級越多，即分辨率越高。分辨率如，10位轉(zhuǎn)換器的分辨率：若已知分辨率及滿刻度輸出電壓U0max=10V,求n1=10,n2=11時(shí)，D/A轉(zhuǎn)換器最小輸出電壓ULSB。2.轉(zhuǎn)換誤差引起轉(zhuǎn)換誤差的因素：各元件參數(shù)的誤差，基準(zhǔn)電壓不穩(wěn)，運(yùn)放的零點(diǎn)漂移等。1、比例系數(shù)誤差2、失調(diào)誤差3、非線性誤差3.轉(zhuǎn)換速度1、建立時(shí)間2.轉(zhuǎn)換速率9.3A/D轉(zhuǎn)換器9.3.1A/D轉(zhuǎn)換器的一般步驟和分類由于模擬量時(shí)間和（或）數(shù)值上是連續(xù)的，而數(shù)字量在時(shí)間和數(shù)值上都是離散的，所以轉(zhuǎn)換時(shí)要在時(shí)間上對模擬信號離散化（采樣），還要在數(shù)值上離散化（量化），一般步驟為：采樣保持量化編碼1、采樣和保持采樣和保持的任務(wù)是當(dāng)輸入信號變化較快時(shí)，要求輸出信號能快速而準(zhǔn)確地跟隨輸入信號的變化進(jìn)行間隔采樣，在兩次采樣之間保持上一次采樣結(jié)束時(shí)的狀態(tài)。模擬開關(guān)采樣控制信號保持電容采樣輸出波形采樣－保持電路（1）采樣定理模擬信號采樣信號設(shè)采樣信號S(t)的頻率fS，輸入模擬信號ui的最高頻率分量的頻率fmax，則，fS必須大于等于輸入模擬信號包含的最高頻率fmax的兩倍，即：

工程上一般取2、量化及編碼量化：

將采樣電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字量最小數(shù)量單位的整數(shù)倍的過程。用表示編碼：將量化結(jié)果用代碼表示出來。量化誤差：由于模擬量不一定能被整除。AD轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多,量化誤差越小.是量化過程中所取的最小數(shù)量單位稱為量化單位,它是最低位為1時(shí)所對應(yīng)的模擬量,即1LSB例如：要將01V的模擬電壓轉(zhuǎn)換為三位二進(jìn)制代碼。方法1，去尾法（只舍不入）：

＝1/8V，01/8V的電壓以0×表示，則：模擬電壓二進(jìn)制編碼代表的模擬電壓電平可見量化誤差最大達(dá)=1/8V。方法2，四舍五入法：?。?/15V，01/15V的電壓以0×表示，則模擬電壓二進(jìn)制編碼代表的模擬電壓電平可見量化誤差最大達(dá)/2=1/15V。15151515151515編碼器1.電路結(jié)構(gòu)9.3.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器輸入模擬電壓0~UR輸出3位數(shù)字量將UR分成8等份,輸出3位數(shù)字量當(dāng)0≤Ui＜UR/15UiC7~C1輸出全0Q7~Q1也全0D2D1D0=00015151515151515151515151515159.3.6A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)1.轉(zhuǎn)換精度A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率是指輸出數(shù)字量變化一個(gè)最低有效位LSB所對應(yīng)的輸入模擬電壓的變化量.例如，輸入模擬電壓為0~10V,輸出10位數(shù)碼,則分辨率：1)分辨率：例9