電子技術(shù)(數(shù)字部分)任希主編 第8章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器

電子技術(shù)（數(shù)字部分）第8章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器8.1D/A轉(zhuǎn)換器8.2A/D轉(zhuǎn)換器2A/D

轉(zhuǎn)換器

D/A

轉(zhuǎn)換器

模擬

控制器

工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制對(duì)象

模

擬

傳感器

ADC和DAC已成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中不可缺少的接口電路。將溫度、壓力、流量、應(yīng)力等物理量轉(zhuǎn)換為模擬電量。計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字處理（如計(jì)算、濾波）、保存等用模擬量作為控制信號(hào)數(shù)字控制

計(jì)算機(jī)8.1D/A轉(zhuǎn)換器8.1.1D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理8.1.2D/A轉(zhuǎn)換器電路8.1.3D/A轉(zhuǎn)換器主要參數(shù)3將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為與之成正比模擬量。n位數(shù)字量DAC8.1.1D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理模擬量1.數(shù)

/

模轉(zhuǎn)換器A

=KD

O=–KNB

4

數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合而成的，對(duì)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，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字量--模擬量的轉(zhuǎn)換。2.

實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的基本思想

ND＝b4×24＋b3×23＋b2×22＋b1×21＋b0×20

＝1×24＋1×23＋0×22＋0×21＋1×20將二進(jìn)制數(shù)ND＝(11001)B轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。53.D/A轉(zhuǎn)換器的組成DAC的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可以并行輸入也可串行輸入用存放在數(shù)字寄存器中的數(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64.

實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的原理電路

，，,

78一、權(quán)電阻型D/A轉(zhuǎn)換器VREFvOSn-1Sn-2SiS1S01010

10

10

10Dn-1Dn-2DiD1D0iRf8.1.2D/A轉(zhuǎn)換器電路例1圖所示的電路中，設(shè)n=4,VREF=－10V,R=100kΩ,Rf=8kΩ,輸入二進(jìn)制數(shù)碼S3S2S1S0為1011。試問(wèn)運(yùn)算放大器輸出電壓是多少？解：

權(quán)電阻型D/A轉(zhuǎn)換器中的解碼網(wǎng)絡(luò)所用的阻值范圍很大,特別是當(dāng)分辨率較高時(shí),電阻值的范圍會(huì)大得難以實(shí)現(xiàn)。VREFvOSn-1Sn-2SiS1S01010

10

10

10Dn-1Dn-2DiD1D0Rf9二、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(kāi)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(shí)虛地的概念可知，無(wú)論模擬開(kāi)關(guān)Si處于何種位置，與Si相連的2R電阻將接“地”或虛地。4位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)電壓

電阻網(wǎng)絡(luò)模擬電子開(kāi)關(guān)求和運(yùn)算放大器10D/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(guò)各開(kāi)關(guān)支路的電流：I3=？I2=？I1=？I0=？I/4I/8I/16RRRRI/2I/4I/8I/16I/2I3I2I1I0流入每個(gè)2R電阻的電流從高位到低位按2的整數(shù)倍遞減。I3=VREF/2RI2=VREF/4RI1=VREF/8RI0=VREF/16R11流入運(yùn)放的總電流：i

＝I0+I1+I2+I3輸出模擬電壓：

124位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC的輸出模擬電壓：n位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC有：令：則

O=–KNB

在電路中輸入的每一個(gè)二進(jìn)制數(shù)NB，均能得到與之成正比的模擬電壓輸出。138.1.3D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)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(jí)數(shù)。n位DAC最多有2n個(gè)模擬輸出電壓。位數(shù)越多D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率越高。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1、分辨率142、轉(zhuǎn)換精度：轉(zhuǎn)換精度是指對(duì)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。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153．輸出建立時(shí)間從送入數(shù)字信號(hào)起，到輸出電壓（或電流）到達(dá)穩(wěn)態(tài)值所需要的時(shí)間，稱為輸出建立時(shí)間。輸出建立時(shí)間也稱為轉(zhuǎn)換時(shí)間。

4．輸出極性及范圍輸出信號(hào)的極性有單極性和雙極性兩種。輸出信號(hào)的形式有電流輸出和電壓輸出。對(duì)電流輸出的DAC，常常需外接運(yùn)放將電流轉(zhuǎn)換成電壓。

5．溫度系數(shù)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變化產(chǎn)生的變化量。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)。168.2A/D轉(zhuǎn)換器8.2.1A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理8.2.2A/D轉(zhuǎn)換器電路8.2.3A/D轉(zhuǎn)換器主要參數(shù)17ADCDn~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(duì)應(yīng)的數(shù)字量。1.A/D功能:8.2.1A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理182.A/D轉(zhuǎn)換器分類①并聯(lián)比較型

特點(diǎn):轉(zhuǎn)換速度快,轉(zhuǎn)換時(shí)間10ns~1

s,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(shí)間為幾

s~100

s,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(gè)很好的平衡。③雙積分型

特點(diǎn):轉(zhuǎn)換速度慢,轉(zhuǎn)換時(shí)間幾百

s~幾ms,但抗干擾能力最強(qiáng)。19取樣時(shí)間上離散的信號(hào)保持、量化量值上也離散的信號(hào)編碼模擬信號(hào)時(shí)間上和量值上都連續(xù)數(shù)字信號(hào)時(shí)間上和量值上都離散A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過(guò)程

A/D轉(zhuǎn)換器一般要包括取樣，保持，量化及編碼4個(gè)過(guò)程。201.取樣與保持

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

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

采樣定理：設(shè)采樣信號(hào)S(t)的頻率為fs，輸入模擬信號(hào)

I(t)的最高頻率分量的頻率為fimax，則fs≥2fimax S(t)=1:開(kāi)關(guān)閉合S(t)=0:開(kāi)關(guān)斷開(kāi)21采得模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)都需要一定時(shí)間，為了給后續(xù)的量化編碼過(guò)程提供一個(gè)穩(wěn)定的值，在取樣電路后要求將所采樣的模擬信號(hào)保持一段時(shí)間。采樣保持取樣與保持電路及工作原理222.量化與編碼數(shù)字信號(hào)在數(shù)值上是離散的。采樣–保持電路的輸出電壓還需按某種近似方式歸化到與之相應(yīng)的離散電平上，任何數(shù)字量只能是某個(gè)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(guò)編碼過(guò)程用一個(gè)代碼表示出來(lái)。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（歸一，小數(shù)變整數(shù)）3.編碼23在量化過(guò)程中由于所采樣電壓不一定能被

整除，所以量化前后一定存在誤差，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(wú)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。4.量化誤差：量化前的電壓與量化后的電壓差5.量化方式24011111101011000110100010000Δ=0v7Δ=7/8v6Δ=6/8v5Δ=5/8v4Δ=4/8v3Δ=3/8v2Δ=2/8v1Δ=1/8v輸入信號(hào)編碼量化后電壓a)只舍不入量化方式:量化中把不足一個(gè)量化單位的部分舍棄；對(duì)于等于或大于一個(gè)量化單位部分按一個(gè)量化單位處理。最大量化誤差為：最小量化單位＝1/8VΔ=1LSB=1/8V例：將0~1V電壓轉(zhuǎn)換為3位二進(jìn)制代碼25b)四舍五入量化方式:量化過(guò)程將不足半個(gè)量化單位部分舍棄，對(duì)于等于或大于半個(gè)量化單位部分按一個(gè)量化單位處理。最大量化誤差為：最小量化單位：011111101011000110100010000Δ=0v7Δ=14/15v6Δ=12/15v5Δ=10/15v4Δ=8/15v3Δ=6/15v2Δ=4/15v1Δ=2/15v輸入信號(hào)編碼模擬電平Δ=1LSB=

2/15V＝1/15V例：將0~1V電壓轉(zhuǎn)換為3位二進(jìn)制代碼261.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網(wǎng)絡(luò)精密參考電壓VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15輸出數(shù)字量8.2.2A/D轉(zhuǎn)換器電路27VI=8VREF/15111100000128

vI

CO1CO2CO3CO4CO5CO6CO7

D2D1D0

7VREF/15

vI

9VREF/15

0001111100

9VREF/15

vI

11VREF/15

0011111101

5VREF/15

vI

7VREF/15

0000111011

3VREF/15

vI

5VREF/15000001101011VREF/15

vI

13VR/15

011111111013VREF/15

vI

VREF/15

1111111111

VREF/15

vI

3VREF/15

0000001001

0vI

VREF/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(chǔ)，經(jīng)優(yōu)先編碼器編碼，得到數(shù)字量輸出。293、電路特點(diǎn)：在并行A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入電壓

I同時(shí)加到所有比較器的輸入端。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(shí)刻同時(shí)獲得的。所以它的轉(zhuǎn)換時(shí)間最短。

缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，如三位ADC需7個(gè)比較器、7個(gè)觸發(fā)器、8個(gè)電阻。位數(shù)越多，電路越復(fù)雜。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(jí)并行轉(zhuǎn)換的方法。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。30所加砝碼重量

結(jié)果

2.逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器逐次逼近轉(zhuǎn)換過(guò)程與用天平稱物重非常相似。第一次8克砝碼總重<待測(cè)重量Wx

，8克砝碼保留8克第二次再加4克砝碼總重仍<待測(cè)重量Wx

，4克砝碼保留12克第三次再加2克砝碼總重>待測(cè)重量Wx

，2克砝碼撤除12克第四次再加1克砝碼總重＝待測(cè)重量Wx

，1克砝碼保留13克轉(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。31100…0100…0

I

≥5V

1

A=6.84VVREF=10V第一個(gè)CP：32第二個(gè)CP：010…0110…010

I

<7.5V

I=6.84VVREF=10V33第三個(gè)CP：001…0101…0

I

≥6.25V101

A=6.84VVREF=10V3410000000

A=6.84VVREF=10V101011111100000010100000101100001010100010101100101011101010111135FF1FF2FF3FF4FF5QAQB

QCQDQECPvI(t)vOCOCOCO1vI<vO0vI>vO3位碼D/AC電路補(bǔ)償電壓=（1/2）LSB=0.5V10004V3.5V4.9V0

模數(shù)為5的環(huán)型計(jì)數(shù)器。例：vI(t)=4.9V10000G3G2G1RdQ3

Q2

Q1G4G5G6D2D1D03位碼D/AC電路00036FF1FF2FF3FF4FF5QAQB

QCQDQECPvI(t)uOCOCOCO1vI<vO0vI>vO3位碼D/AC電路補(bǔ)償電壓=（1/2）LSB=0.5VG3G2G1RdQ3

Q2

Q1G4G5G6D2D1D04.9V6V5.5V0

第二個(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái)時(shí)。0100010001101

第三個(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái)時(shí)。001001010

第五個(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái)時(shí)。000011015V4.5VG4、G5、G6門(mén)開(kāi)，Q3、Q2、Q1數(shù)據(jù)傳出。37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(shí)間與其位數(shù)n和時(shí)鐘脈沖頻率有關(guān)，位數(shù)愈少，時(shí)鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換所需時(shí)間越短；383.雙積分式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(duì)輸入模擬電壓和參考電壓分別進(jìn)行兩次積分，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時(shí)間間隔，然后利用時(shí)鐘脈沖和計(jì)數(shù)器測(cè)出此時(shí)間間隔，進(jìn)而得到相應(yīng)的數(shù)字量輸出。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器也稱為電壓－時(shí)間－數(shù)字式積分器。39（2）電路組成4000000Cr信號(hào)將計(jì)數(shù)器清零；開(kāi)關(guān)