數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換

關(guān)于數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換

教學(xué)要求1、掌握DAC和ADC的定義及應(yīng)用；2、了解DAC的組成、倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)、集成D/A轉(zhuǎn)換器、轉(zhuǎn)換精度及轉(zhuǎn)換速度；3、了解ADC組成、逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器、積分型A/D轉(zhuǎn)換器、轉(zhuǎn)換精度及轉(zhuǎn)換速度。第2頁,共55頁，2024年2月25日，星期天11.1概述模－數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D轉(zhuǎn)換）：將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的電路稱為A/D轉(zhuǎn)換器，簡寫為ADC(Analog-DigitalConverter)數(shù)－模轉(zhuǎn)換（D/A轉(zhuǎn)換）：將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的電路稱為D/A轉(zhuǎn)換器，簡寫為DAC(Digital-AnalogConverter)第3頁,共55頁，2024年2月25日，星期天用途Sensor放大器A/DMicrocomputer控制對象D/A溫度時間要求:！精度！速度電加熱爐熱電偶第4頁,共55頁，2024年2月25日，星期天D/A轉(zhuǎn)換器的任務(wù)是接收到一個數(shù)字量(D)后，輸出一個相應(yīng)的電壓(A)。11.2D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的電路。D00111111…D/A轉(zhuǎn)換器A(電壓or電流)

？第5頁,共55頁，2024年2月25日，星期天電阻網(wǎng)絡(luò)求和放大器參考電壓一、權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器電子開關(guān)虛短:V-≈V+=0電子開關(guān)由輸入數(shù)字信號D控制；D=d3d2d1d0，；當(dāng)di=1時Si接到VREF；當(dāng)di=0時Si接到地。第6頁,共55頁，2024年2月25日，星期天一、權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器虛短:V-≈V+=0第7頁,共55頁，2024年2月25日，星期天n位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，當(dāng)反饋電阻取為R/2時，輸出電壓的計算公式：輸出電壓的變化范圍:優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，所用的電阻元件數(shù)很少。缺點：各電阻的阻值相差較大，不能保證有很高的精度。第8頁,共55頁，2024年2月25日，星期天二、倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器第9頁,共55頁，2024年2月25日，星期天

由于V-≈V+=0,所以無論開關(guān)S合到哪一邊，都相當(dāng)于接到了“地”，流過各支路的電流始終不變。第10頁,共55頁，2024年2月25日，星期天n位輸入的倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，當(dāng)反饋電阻取為R時，輸出電壓的計算公式：優(yōu)點：（1）只有R和2R兩種阻值的電阻，可達到較高的精度；（2）各支路電流恒定不變，在開關(guān)狀態(tài)變化時，不需電流建立時間，所以電路轉(zhuǎn)換速度高，使用廣泛。第11頁,共55頁，2024年2月25日，星期天CB7520電路原理圖習(xí)題3、4、5第12頁,共55頁，2024年2月25日，星期天三、權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器恒流源第13頁,共55頁，2024年2月25日，星期天

為減少電阻阻值的種類，在實用的權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器中，經(jīng)常利用倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)的分流作用產(chǎn)生一組所需的恒流源。按比例加大發(fā)射結(jié)的面積第14頁,共55頁，2024年2月25日，星期天DAC0808電路結(jié)構(gòu)框圖第15頁,共55頁，2024年2月25日，星期天已知VREF=10V?第16頁,共55頁，2024年2月25日，星期天當(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±。例：輸入為三位二進制補碼。最高位為符號位：正數(shù)為0，負(fù)數(shù)為1補碼輸入對應(yīng)的十進制要求的輸出D2D1D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V四、具有雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器第17頁,共55頁，2024年2月25日，星期天原碼輸入對應(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+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V*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雙極性輸出單極性輸出如何將單極性的D/A轉(zhuǎn)換器改造成雙極性D/A轉(zhuǎn)換器？第18頁,共55頁，2024年2月25日，星期天接偏置電流符號位求反*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電路實現(xiàn)：第19頁,共55頁，2024年2月25日，星期天*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電路實現(xiàn)：偏移-4V,使輸入D=100時,v0=0V選擇合適的VB和RB可實現(xiàn)雙極性輸出習(xí)題6、7第20頁,共55頁，2024年2月25日，星期天五、D/A轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)（1）分辨率：D/A轉(zhuǎn)換器理論上可達到的精度。

1.D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度

分辨率也可用D/A轉(zhuǎn)換器能夠分辨出來的最小輸出電壓與最大輸出電壓的比值來表示。例如：10位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為：

分辨率可以用輸入二進制數(shù)碼的位數(shù)表示。

分辨率也可以用D/A轉(zhuǎn)換器能夠分辨出來的最小輸出電壓表示（1LSB）。第21頁,共55頁，2024年2月25日，星期天（2）轉(zhuǎn)換誤差：

D/A轉(zhuǎn)換器實際上能達到的轉(zhuǎn)換精度（誤差）。

可以用輸出電壓滿刻度值的百分?jǐn)?shù)表示，也可用最低位有效值的倍數(shù)（mLSB

）表示。第22頁,共55頁，2024年2月25日，星期天（1）建立時間tset：指輸入數(shù)字量各位由全0變?yōu)槿?或由全1變?yōu)槿?時,輸出電壓達到某一規(guī)定值所需要的時間。通常建立時間在100ns~幾十

s之間。2.D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度（2）轉(zhuǎn)換速率SR：習(xí)題13、11第23頁,共55頁，2024年2月25日，星期天11.3A／D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器UI輸入模擬電壓D7~D0輸出數(shù)字量0V

~5V00000000~11111111第24頁,共55頁，2024年2月25日，星期天一、A/D轉(zhuǎn)換的基本原理A/D轉(zhuǎn)換的三個過程：采樣－量化－編碼

第25頁,共55頁，2024年2月25日，星期天采樣

采樣是對模擬信號進行周期性地抽取樣值的過程。把模擬信號vI轉(zhuǎn)換成時間上斷續(xù)、幅度等于采樣時模擬信號值的離散信號vS

。采樣定理：fs≥2fi(max)輸入模擬信號中的最高頻率采樣頻率由采樣-保持電路完成第26頁,共55頁，2024年2月25日，星期天量化

將采樣－保持電路的輸出電壓，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)化過程稱為數(shù)值量化，簡稱量化。

量化后的數(shù)值用一個二進制代碼表示出來，這一過程稱為編碼。

將采樣輸出電壓表示為一個最小單位的整數(shù)倍，所取的最小數(shù)量單位稱為量化單位(1LSB），用表示。編碼

量化－編碼過程第27頁,共55頁，2024年2月25日，星期天取量化間隔:△=0.5V雙極性信號量化－編碼過程第28頁,共55頁，2024年2月25日，星期天量化誤差：

當(dāng)采樣電壓不能被Δ整除時，將引入量化誤差0V第29頁,共55頁，2024年2月25日，星期天第30頁,共55頁，2024年2月25日，星期天二、直接A/D轉(zhuǎn)換器

并聯(lián)比較型0≤vi＜VREF/15時，7個比較器輸出全為0，CP

到來后，7個觸發(fā)器都置0。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進制代碼為d2d1d0＝000。第31頁,共55頁，2024年2月25日，星期天時，7個比較器中只有C1輸出為1，CP到來后，只有觸發(fā)器FF1置1，其余觸發(fā)器仍為0。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進制代碼為d2d1d0=001。第32頁,共55頁，2024年2月25日，星期天時，比較器中C1、C2輸出為1，CP到來后，觸發(fā)器FF1、FF2置1，其余觸發(fā)器仍為0。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進制代碼為d2d1d0=011。第33頁,共55頁，2024年2月25日，星期天第34頁,共55頁，2024年2月25日，星期天*快:CP觸發(fā)信號到達到輸出穩(wěn)定建立只需幾十ns*精度:受參考電壓、分壓網(wǎng)絡(luò)等因素影響*電路規(guī)模:n位需要2n-1比較器，觸發(fā)器。。。并聯(lián)比較型特點第35頁,共55頁，2024年2月25日，星期天逐次比較型A／D轉(zhuǎn)換器

其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四個砝碼共重15克，每個重量分別為8、4、2、1克。設(shè)待秤重量Wx=13克，可以用下表步驟來秤量：砝碼重第一次第二次第三次第四次加4克加2克加1克8克砝碼總重<待測重量Wx

，故保留砝碼總重仍<待測重量Wx

，故保留砝碼總重>待測重量Wx

，故撤除砝碼總重＝待測重量Wx

，故保留暫時結(jié)果8克12克12克13克

結(jié)論反饋比較型第36頁,共55頁，2024年2月25日，星期天！電路不太復(fù)雜！較快反饋比較型第37頁,共55頁，2024年2月25日，星期天10000逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器電路原理圖000000011第38頁,共55頁，2024年2月25日，星期天100003位：5個CPN位:(n+2)個CP逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器電路原理圖00000001110100000110第39頁,共55頁，2024年2月25日，星期天三、間接A/D轉(zhuǎn)換器雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器又稱為電壓－時間變換型（V－T變換型）第40頁,共55頁，2024年2月25日，星期天雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器0~，t=T1時第41頁,共55頁，2024年2月25日，星期天雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器第42頁,共55頁，2024年2月25日，星期天

先將Vi轉(zhuǎn)換成與之成正比的時間信號，然后在這個時間內(nèi)用固定頻率脈沖計數(shù).雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器原理:（V－T變換型）A/D轉(zhuǎn)換器第43頁,共55頁，2024年2月25日，星期天控制電路的實現(xiàn)第44頁,共55頁，2024年2月25日，星期天V-F變換型fout=k1vI;計數(shù)器在TG時間里對fout計數(shù)，則D=TGfout=TGk1vID適合遠(yuǎn)距離傳輸?shù)?5頁,共55頁，2024年2月25日，星期天不同的A/D轉(zhuǎn)換器的比較第46頁,共55頁，2024年2月25日，星期天四、A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)

A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率用輸出二進制數(shù)的位數(shù)表示，位數(shù)越多，誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高。分辨率也可以用1LSB的電壓表示，是A/D轉(zhuǎn)換器能夠分辨出來的最小輸出電壓。例如：輸入模擬電壓的變化范圍為0～5V，輸出10位二進制數(shù)可以分辨的最小模擬電壓為5V×2－10＝4.88mV。(1)分辨率：1.A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度（2）轉(zhuǎn)換誤差

通常以輸出誤差最大值的形式給出，表示實際輸出的數(shù)字量和理論上應(yīng)有的輸出數(shù)字量之間的差別。第47頁,共55頁，2024年2月25日，星期天2.A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度

A/D轉(zhuǎn)換速度是指完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間。轉(zhuǎn)換時間是指從接到模擬輸入信號開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字輸出信號所經(jīng)過的這段時間。

A/D轉(zhuǎn)換速度取決于電路結(jié)構(gòu)類型:

并聯(lián)比較型：<1uS

逐次逼近型：幾~100uS

雙積分型：幾十mS/次第48頁,共55頁，2024年2月25日，星期天AD7767是高速、低功耗、單電源供電、高精度的24位AD轉(zhuǎn)換器，它采用逐次逼近結(jié)構(gòu)。芯片內(nèi)部還集成了跟蹤保持電路，此器件廣泛的應(yīng)用于多通道系統(tǒng)中。其特點如下：(1)功耗為15mw，109.5dB動態(tài)范圍，轉(zhuǎn)換速率128kbs。(2)高精度：24位內(nèi)無誤編碼(NoMissingCodes；NMC)。(3)溫度漂移性低，零誤差漂移為15nV/度(攝氏)。(5)工作溫度范圍：-40℃至105℃。(6)片內(nèi)自帶低通FIR濾波器:

帶通紋波：±0.005dB，帶阻衰減：100dB*A/D轉(zhuǎn)換器芯片介紹第49頁,共55頁，2024年2月25日，星期天AD7767的主要引腳