模-數(shù)轉(zhuǎn)換器與數(shù)-模轉(zhuǎn)換器

1、 第十一章第十一章 模模 / 數(shù)轉(zhuǎn)換器與數(shù)數(shù)轉(zhuǎn)換器與數(shù) / 模轉(zhuǎn)換器模轉(zhuǎn)換器 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)、離散系統(tǒng)，而我們生計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)、離散系統(tǒng)，而我們生活的外部世界是一個(gè)模擬系統(tǒng)。為使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠了活的外部世界是一個(gè)模擬系統(tǒng)。為使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠了解外部世界，對(duì)外部事物進(jìn)行處理，就必須有一個(gè)將模解外部世界，對(duì)外部事物進(jìn)行處理，就必須有一個(gè)將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的接口，這擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的接口，這就是常說(shuō)的就是常說(shuō)的 A/D和和 D/A。 雖然模擬量是無(wú)限可分的、連續(xù)的，數(shù)字量是離散雖然模擬量是無(wú)限可分的、連續(xù)的，數(shù)字量是離散的，數(shù)字量永遠(yuǎn)

2、也不能精確地描述模擬量，但由于我們的，數(shù)字量永遠(yuǎn)也不能精確地描述模擬量，但由于我們對(duì)客觀世界的了解、描述并不總需要極高的精度，所以對(duì)客觀世界的了解、描述并不總需要極高的精度，所以選擇適當(dāng)精度的數(shù)字量來(lái)描述模擬量是完全夠用的。選擇適當(dāng)精度的數(shù)字量來(lái)描述模擬量是完全夠用的。 本章將簡(jiǎn)單介紹本章將簡(jiǎn)單介紹D/A轉(zhuǎn)換器和轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器的幾種主要轉(zhuǎn)換器的幾種主要形式。形式。 第一節(jié)第一節(jié) 數(shù)數(shù) / 模轉(zhuǎn)換器（模轉(zhuǎn)換器（ Digital / Analog Converter） D/A轉(zhuǎn)換器的作用是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬量。轉(zhuǎn)換器的作用是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬量。例如：對(duì)于例如：對(duì)于0 5V的直流

3、電壓，計(jì)算機(jī)用的直流電壓，計(jì)算機(jī)用8位數(shù)字量來(lái)描位數(shù)字量來(lái)描述時(shí)：最小值（述時(shí)：最小值（00000000）B = 0對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)0V， 最大值（最大值（11111111）B = 255 對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng) 5V， 中間值（中間值（01111111）B = 127 對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)2. 5V 等等。等等。 D/A的任務(wù)是接收到一個(gè)數(shù)字量后，給出一個(gè)相應(yīng)的的任務(wù)是接收到一個(gè)數(shù)字量后，給出一個(gè)相應(yīng)的電壓。比如收到（電壓。比如收到（00111111）B ，應(yīng)給出幅度為，應(yīng)給出幅度為1.25V 的的電壓。電壓。 一、一、D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路 要實(shí)現(xiàn)要實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換，有很多種電路形式，下面我們介紹轉(zhuǎn)換，有很多種電路形式，下面

4、我們介紹幾種。幾種。 1、權(quán)電阻、權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 自然二進(jìn)制數(shù)字每位的權(quán)重是不同的（自然二進(jìn)制數(shù)字每位的權(quán)重是不同的（2n），對(duì)整個(gè)），對(duì)整個(gè)數(shù)值大小的影響也是不同的。權(quán)電阻數(shù)值大小的影響也是不同的。權(quán)電阻D/A 將這種權(quán)重的不將這種權(quán)重的不同，對(duì)應(yīng)成電阻阻值的不同，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)同，對(duì)應(yīng)成電阻阻值的不同，從而實(shí)現(xiàn)數(shù) / 模轉(zhuǎn)換。模轉(zhuǎn)換。 電阻種類多，比例嚴(yán)格電阻種類多，比例嚴(yán)格 2、R-2R T型型 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器（電阻較多，延遲、尖峰）（電阻較多，延遲、尖峰） 前一種方法電阻種類太多，數(shù)值還要準(zhǔn)確，現(xiàn)在我前一種方法電阻種類太多，數(shù)值還要準(zhǔn)確，現(xiàn)在我們介紹的們介紹的D/A只需要兩種

5、阻值的電阻，制作起來(lái)會(huì)容易些。只需要兩種阻值的電阻，制作起來(lái)會(huì)容易些。 3、R-2R 倒倒 T型電阻網(wǎng)絡(luò)型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A 這是一種常用的這是一種常用的D/A電路，其特點(diǎn)是各支路電流直接電路，其特點(diǎn)是各支路電流直接流入運(yùn)放，無(wú)延遲，且無(wú)論數(shù)值如何變化，總電流不變。流入運(yùn)放，無(wú)延遲，且無(wú)論數(shù)值如何變化，總電流不變。沒(méi)有尖峰電流。沒(méi)有尖峰電流。開(kāi)關(guān)接左接右都是接地，支路電流不變開(kāi)關(guān)接左接右都是接地，支路電流不變。 二、二、D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo) 轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度是轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度是D/A的兩個(gè)主要指標(biāo)。的兩個(gè)主要指標(biāo)。 1、D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度 關(guān)于精度

6、有兩個(gè)概念：關(guān)于精度有兩個(gè)概念： 分辨率分辨率：指轉(zhuǎn)換器理論上可以達(dá)到的精度。：指轉(zhuǎn)換器理論上可以達(dá)到的精度。 通常用所用二進(jìn)制的位數(shù)表示，如：通常用所用二進(jìn)制的位數(shù)表示，如： 8位、位、10位、位、12位等。位等。 也可以用最小非零值與最大值之比表示：也可以用最小非零值與最大值之比表示： 如如10位位D/A的分辨率為：的分辨率為： 1 / （ 210-1）= 0.001 即約千分之一。即約千分之一。 轉(zhuǎn)換誤差：轉(zhuǎn)換誤差：D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際能夠達(dá)到的轉(zhuǎn)換精度。轉(zhuǎn)換器實(shí)際能夠達(dá)到的轉(zhuǎn)換精度。 由于參考電壓由于參考電壓VREF的波動(dòng)、運(yùn)放的零點(diǎn)漂移、線路的波動(dòng)、運(yùn)放的零點(diǎn)漂移、線路上的導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通

7、壓降、電阻網(wǎng)絡(luò)的阻值誤差，實(shí)際上的導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通壓降、電阻網(wǎng)絡(luò)的阻值誤差，實(shí)際的精度要低于分辨率。的精度要低于分辨率。 轉(zhuǎn)換誤差常以最低有效位對(duì)應(yīng)電壓值（轉(zhuǎn)換誤差常以最低有效位對(duì)應(yīng)電壓值（LSB）作參）作參考，表示為考，表示為 1/2LSB、1LSB ，其中，其中 1LSB 表示誤差大表示誤差大小與小與000.0001對(duì)應(yīng)的輸出值相等。對(duì)應(yīng)的輸出值相等。1/2LSB則為其值的則為其值的一半。一半。 轉(zhuǎn)換誤差也可以用它相當(dāng)于滿度輸出值的百分比來(lái)轉(zhuǎn)換誤差也可以用它相當(dāng)于滿度輸出值的百分比來(lái)表示。表示。 誤差值誤差值 轉(zhuǎn)換誤差轉(zhuǎn)換誤差= * 100% 滿度輸出值滿度輸出值 誤差值誤差值=輸入滿刻度數(shù)

8、字量時(shí)的輸出輸入滿刻度數(shù)字量時(shí)的輸出 理論滿度值理論滿度值 2、D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度 手冊(cè)中通常給出手冊(cè)中通常給出建立時(shí)間建立時(shí)間 ts這一指標(biāo)，它表示在最惡這一指標(biāo)，它表示在最惡劣情況下（輸入從全劣情況下（輸入從全0變?yōu)槿優(yōu)槿?，或從全，或從全1變?yōu)槿優(yōu)槿?），輸），輸出達(dá)到某一接近程度（如出達(dá)到某一接近程度（如0.2%）所需要的時(shí)間。）所需要的時(shí)間。 通常建立時(shí)間在通常建立時(shí)間在100 ns 幾十幾十 s之間，有的廠家給出之間，有的廠家給出的高速的高速D/A指標(biāo)可達(dá)指標(biāo)可達(dá)1 ns一下，一般一下，一般100ns就算轉(zhuǎn)換速度比就算轉(zhuǎn)換速度比較快了。較快了。 第二節(jié)第二節(jié)

9、 模模 / 數(shù)轉(zhuǎn)換器（數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D） A/D的作用是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)值，在這個(gè)的作用是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)值，在這個(gè)過(guò)程中，肯定會(huì)有損失、過(guò)程中，肯定會(huì)有損失、有失真，因?yàn)樵谶@一過(guò)有失真，因?yàn)樵谶@一過(guò)程中，要經(jīng)歷對(duì)時(shí)間的程中，要經(jīng)歷對(duì)時(shí)間的離散化離散化采樣、對(duì)幅采樣、對(duì)幅度的離散化度的離散化量化。量化。為了保證采樣時(shí)輸入電為了保證采樣時(shí)輸入電壓的穩(wěn)定，有時(shí)要用采壓的穩(wěn)定，有時(shí)要用采樣保持器（簡(jiǎn)稱采保）。樣保持器（簡(jiǎn)稱采保）。最后對(duì)量化的結(jié)果（最最后對(duì)量化的結(jié)果（最小單位的倍數(shù)）進(jìn)行編小單位的倍數(shù)）進(jìn)行編碼碼輸出數(shù)據(jù)。輸出數(shù)據(jù)。 一、一、A/D轉(zhuǎn)換器電路轉(zhuǎn)換器電路 A/D轉(zhuǎn)換器從

10、轉(zhuǎn)換方式上，轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換方式上，可分為兩大類可分為兩大類： 間接法間接法 先將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成時(shí)間先將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成時(shí)間T或頻率或頻率F，然后再將中間量然后再將中間量T或或F轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。 特點(diǎn)特點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度慢，精度可以做得較高，抗干擾能：轉(zhuǎn)換速度慢，精度可以做得較高，抗干擾能力強(qiáng)。例如數(shù)字萬(wàn)用表中的力強(qiáng)。例如數(shù)字萬(wàn)用表中的A/D芯片就是雙積分型的。芯片就是雙積分型的。 直接法直接法 用輸入電壓與芯片內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)電壓比較，用輸入電壓與芯片內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)電壓比較，找到與之最接近的標(biāo)準(zhǔn)電壓，將標(biāo)準(zhǔn)電壓對(duì)應(yīng)的數(shù)字量找到與之最接近的標(biāo)準(zhǔn)電壓，將標(biāo)準(zhǔn)電壓對(duì)應(yīng)的數(shù)字量賦予該輸入信號(hào)。（顯然該

11、標(biāo)準(zhǔn)電壓是受一個(gè)數(shù)字量控賦予該輸入信號(hào)。（顯然該標(biāo)準(zhǔn)電壓是受一個(gè)數(shù)字量控制的，由片內(nèi)制的，由片內(nèi)D/A產(chǎn)生，書(shū)中稱產(chǎn)生，書(shū)中稱2n個(gè)量化級(jí)電壓。）個(gè)量化級(jí)電壓。） 特點(diǎn)特點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度快，精度、抗干擾能力不如間接法。：轉(zhuǎn)換速度快，精度、抗干擾能力不如間接法。 1、V-T變換型變換型 A/D 轉(zhuǎn)換器（屬于間接法）轉(zhuǎn)換器（屬于間接法） 有一個(gè)內(nèi)部斜波電壓發(fā)生器有一個(gè)內(nèi)部斜波電壓發(fā)生器 有兩個(gè)比較器，比較器參考電壓分別為有兩個(gè)比較器，比較器參考電壓分別為 0V和輸入信號(hào)和輸入信號(hào)電壓電壓Vi，由此形成一段與輸入幅度成正比的時(shí)間間隔。，由此形成一段與輸入幅度成正比的時(shí)間間隔。 有一個(gè)計(jì)數(shù)器，對(duì)上述時(shí)間間

12、隔計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)值即為所求。有一個(gè)計(jì)數(shù)器，對(duì)上述時(shí)間間隔計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)值即為所求。 2、雙積分式、雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器（屬于積分型）轉(zhuǎn)換器（屬于積分型） 雙積分的意思是指進(jìn)行了兩次積分。第一次是對(duì)輸雙積分的意思是指進(jìn)行了兩次積分。第一次是對(duì)輸入入Vi進(jìn)行正向積分，對(duì)電容充電。第二次積分是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行正向積分，對(duì)電容充電。第二次積分是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電壓電壓VREF反向積分，使電容放電，放光為止。反向積分，使電容放電，放光為止。 對(duì)反向?qū)Ψ聪蚍烹姇r(shí)間計(jì)數(shù)，它與輸入幅度成正比。放電時(shí)間計(jì)數(shù)，它與輸入幅度成正比。 雙積分型雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器是常用的轉(zhuǎn)換器是常用的A/D形式。特點(diǎn)是：形式。特點(diǎn)是： 轉(zhuǎn)換結(jié)果與轉(zhuǎn)換結(jié)果與

13、RC值、計(jì)數(shù)時(shí)鐘的精度基本無(wú)關(guān)，只要在值、計(jì)數(shù)時(shí)鐘的精度基本無(wú)關(guān)，只要在一次轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定就行了，降低對(duì)電路的要求。一次轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定就行了，降低對(duì)電路的要求。 由于是對(duì)輸入信號(hào)積分，求其平均值，所以對(duì)尖峰干擾由于是對(duì)輸入信號(hào)積分，求其平均值，所以對(duì)尖峰干擾和對(duì)稱交流干擾有很強(qiáng)的抑制作用。和對(duì)稱交流干擾有很強(qiáng)的抑制作用。 3、V-F 變換型變換型A/D轉(zhuǎn)換器（自學(xué)）轉(zhuǎn)換器（自學(xué)） 先將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率先將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率F，然后再轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。，然后再轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。 4、計(jì)數(shù)斜坡式、計(jì)數(shù)斜坡式 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 與與V-T變換型變換型A/D有些類似，但這種方法屬于直接法，有些類似

14、，但這種方法屬于直接法，是將輸入電壓與是將輸入電壓與 2n 個(gè)量化級(jí)電壓比較，直接得到數(shù)值。個(gè)量化級(jí)電壓比較，直接得到數(shù)值。 5、逐次逼近型、逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 這種這種A/D 的工作方式有點(diǎn)象用天平稱重。從最大的砝的工作方式有點(diǎn)象用天平稱重。從最大的砝碼開(kāi)始試起，少再加砝碼，多換小些的籌碼。碼開(kāi)始試起，少再加砝碼，多換小些的籌碼。 逐次逼近型與前面的計(jì)數(shù)斜坡型相比，它沒(méi)有采用大逐次逼近型與前面的計(jì)數(shù)斜坡型相比，它沒(méi)有采用大排隊(duì)式的遞增比較，而是采用了從大到小的檢索的方式，排隊(duì)式的遞增比較，而是采用了從大到小的檢索的方式，因此速度要快得多。因此速度要快得多。 逐次逼近型逐次逼近型A/

15、D設(shè)定了一組時(shí)序節(jié)拍，通過(guò)每一拍的設(shè)定了一組時(shí)序節(jié)拍，通過(guò)每一拍的比較輸出電平，分別置位或清零各個(gè)數(shù)據(jù)位。比較輸出電平，分別置位或清零各個(gè)數(shù)據(jù)位。第一拍第一拍：D/A輸入為輸入為1000，滿度的一半。，滿度的一半。比較輸出接比較輸出接D#的的JK第二拍第二拍：使：使D#由由JK端狀態(tài)置零或置端狀態(tài)置零或置1。使使C#異步置異步置1，D/A輸入為輸入為 X100。第三拍第三拍：使：使C#根據(jù)根據(jù)其其JK狀態(tài)置狀態(tài)置0置置1。使使B#異步置異步置1 ，D/A輸入為輸入為 XX10。第四拍第四拍：輸出為：輸出為XXX1第五拍第五拍：下降沿置：下降沿置A#上升沿置為上升沿置為4個(gè)個(gè)D觸發(fā)觸發(fā)6、并聯(lián)型

16、、并聯(lián)型A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 優(yōu)點(diǎn)是速度很優(yōu)點(diǎn)是速度很快，缺點(diǎn)是硬快，缺點(diǎn)是硬件復(fù)雜，精度件復(fù)雜，精度不高。不高。 任一輸入電壓加入所有比較器，都會(huì)有一個(gè)比較結(jié)果，任一輸入電壓加入所有比較器，都會(huì)有一個(gè)比較結(jié)果，將該結(jié)果鎖存于將該結(jié)果鎖存于D觸發(fā)器中。最后用數(shù)字電路將不同的輸觸發(fā)器中。最后用數(shù)字電路將不同的輸出組合編碼。出組合編碼。 二、二、A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度 A/D轉(zhuǎn)換器的精度和速度的定義與轉(zhuǎn)換器的精度和速度的定義與D/A的相應(yīng)指標(biāo)類的相應(yīng)指標(biāo)類似。似。 轉(zhuǎn)換精度也分為分辨率和轉(zhuǎn)換誤差，一個(gè)是理論上轉(zhuǎn)換精度也分為分辨率和轉(zhuǎn)換誤差，一個(gè)是理論上的，一個(gè)是實(shí)際達(dá)到的。分辨率一般用位數(shù)表示，誤差的，一個(gè)是實(shí)際達(dá)到的。分辨率一般用位數(shù)表示，誤差一般用最低有效位一般用最低有效位LSB的倍數(shù)表示。的倍數(shù)表示。 轉(zhuǎn)換速度是指從模擬輸入給定后（一般有啟動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換速