數(shù)電9模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換電路課件材料

1、1專業(yè)課1 概述概述 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；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，簡稱器，簡稱d/a轉(zhuǎn)換器或轉(zhuǎn)換器或dac。adc和和dac是溝通模擬電路和數(shù)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。字電路的橋梁，也可稱之為兩者之間的接口。 模模 擬擬 傳感器傳感器 a/d 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 數(shù)字控制數(shù)字控制 計算機計算機 d/a 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 模擬模擬 控制器控制器 工業(yè)生產(chǎn)過程控制對象工業(yè)生產(chǎn)過程控制對象 傳感器傳感器(溫度、壓

2、力、溫度、壓力、流量、應(yīng)力等）流量、應(yīng)力等）計算機進(jìn)行數(shù)字處理計算機進(jìn)行數(shù)字處理（如計算、濾波）、（如計算、濾波）、數(shù)據(jù)保存等數(shù)據(jù)保存等用模擬量作為控用模擬量作為控制信號制信號adc和和dac已成為計算機系統(tǒng)中不可缺少的接口電路。已成為計算機系統(tǒng)中不可缺少的接口電路。2專業(yè)課2 d/a轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換2.1 d/a轉(zhuǎn)換器概述轉(zhuǎn)換器概述2.2 倒倒t形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)d/a轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2.3 權(quán)電流型權(quán)電流型d/a轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2.4 d/a轉(zhuǎn)換器的輸出方式轉(zhuǎn)換器的輸出方式2.5 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)2.6 集成集成d/a轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用3專業(yè)課2.1 d/a轉(zhuǎn)換器

3、概述轉(zhuǎn)換器概述1、dac的功能的功能: 將數(shù)字量成正比地轉(zhuǎn)換與之對應(yīng)成模擬量將數(shù)字量成正比地轉(zhuǎn)換與之對應(yīng)成模擬量 。 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)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，換成相應(yīng)的模擬量， 然后將這些模擬量相加，即可得到與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，數(shù)字量成正比的模擬量， 這樣，就可以實現(xiàn)數(shù)字量這樣，就可以實現(xiàn)數(shù)字量-模擬模擬量的轉(zhuǎn)換。量的轉(zhuǎn)換。2. 實現(xiàn)實現(xiàn)d/a轉(zhuǎn)換的基本思想轉(zhuǎn)換的基本思想4專業(yè)課7654

4、3210000 001 010 011 100 101 110 111uo(v)dd/a轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性是指其輸出模擬量和輸是指其輸出模擬量和輸入數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。入數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。 理想的理想的d/a轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性: 輸出模擬電壓輸出模擬電壓 uo=kud或輸出模擬電流或輸出模擬電流io=kid。如果輸入為如果輸入為n位二進(jìn)制數(shù)位二進(jìn)制數(shù)dn-1dn-2d1d0，則輸出模擬電壓為：，則輸出模擬電壓為：)2222(00112211oddddkunnnnu3.轉(zhuǎn)換特性轉(zhuǎn)換特性5專業(yè)課4. d/a轉(zhuǎn)換器的組成轉(zhuǎn)換器的組成: 數(shù)數(shù)碼碼 寄寄存存器器 n位位

5、模模擬擬開開關(guān)關(guān) 解解碼碼 網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò) 求求和和 電電路路 基基準(zhǔn)準(zhǔn)電電壓壓 n位位數(shù)數(shù)字字量量輸輸入入 模模擬擬量量 輸輸出出 電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò) 模擬電子開關(guān)模擬電子開關(guān) 求和運算放大器求和運算放大器6專業(yè)課2. 2 倒倒t形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)d/a轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 vo rf +vref 2r d0 d1 d2 d3 s0 s1 s2 s3 i 2r 2r 2r (lsb) (msb) 8i 16i 4i 2i i 2r + r r r i/16 i/8 i/4 i/2 di=0, si則將電阻則將電阻2r接地接地di=1, si接運算放大器反相端，接運算放大器反相端，電流電流ii流入求和電路流

6、入求和電路 電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò)模擬電子開關(guān)模擬電子開關(guān)求和運算放大器求和運算放大器輸輸出出模模擬擬電電壓壓輸入輸入4位二進(jìn)制數(shù)位二進(jìn)制數(shù)根據(jù)運放線性運用時虛地的根據(jù)運放線性運用時虛地的概念可知，無論模擬開關(guān)概念可知，無論模擬開關(guān)si處處于何種位置，與于何種位置，與si相連的相連的2r電電阻將接阻將接“地地” 或虛地。或虛地。 7專業(yè)課d/a轉(zhuǎn)換器的倒轉(zhuǎn)換器的倒t形電阻網(wǎng)絡(luò)原理分析形電阻網(wǎng)絡(luò)原理分析基準(zhǔn)電源基準(zhǔn)電源vref提供的總電流為：提供的總電流為：i =？流過各開關(guān)支路的電流：流過各開關(guān)支路的電流：i3 =？i2 =？ i1 =？ i0 =？ 2r 2r 2r 2r 2r r r r vre

7、f i a b c d a b c d rviref i/4i/8i/16rrrri/2i/4i/8i/16i/2i3i2i1i0流入每個流入每個2r電阻的電流從高位到低位按電阻的電流從高位到低位按2的整數(shù)倍遞減。的整數(shù)倍遞減。8專業(yè)課 (lsb) d2 d3 (msb) i rf o d0 d1 s0 s1 s2 s3 2r 2r 2r 2r 2r r r r +vref + a ii2i1i0i3流入運放的總電流：流入運放的總電流： 012343212222iiiiddddi i0 0 + i1 1 + i2 2 + i3 3ref01234321()2222vddddr3refi40(2

8、 )2iivdr9專業(yè)課4 位倒位倒t形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)dac的的輸出模擬電壓輸出模擬電壓： ofi r 3ifrefi40(2 )2irvdr 推廣到推廣到 n 位倒位倒t形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)dac,有：有： n 1ireffoin0(2 )2ivrdr reffn,2vrkr令：令：n 1ibi0(2 )ind則則 o = k nb 上式表明，在電路中輸入的每一個二進(jìn)制數(shù)上式表明，在電路中輸入的每一個二進(jìn)制數(shù)nb，均能得到與之成正比的模擬電壓輸出。均能得到與之成正比的模擬電壓輸出。 10專業(yè)課為提高為提高d/a轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換器的精度，對電路參數(shù)的要求：精度，對電路參數(shù)的要求： (1)基準(zhǔn)電

9、壓穩(wěn)定性好；基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定性好；(2) 倒倒t形電阻網(wǎng)絡(luò)中形電阻網(wǎng)絡(luò)中r和和2r電阻比值的精度要高；電阻比值的精度要高；(3) 每個模擬開關(guān)的開關(guān)電壓降要相等每個模擬開關(guān)的開關(guān)電壓降要相等為進(jìn)一步提高為進(jìn)一步提高d/a轉(zhuǎn)換器的精度，可采用權(quán)電流型轉(zhuǎn)換器的精度，可采用權(quán)電流型d/a轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。 11專業(yè)課2.3 權(quán)電流型權(quán)電流型d/a轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 (lsb) d2 d3 (msb) i rf o d0 d1 s0 s1 s2 s3 8i 16i 4i 2i vref + 0off321(248)16iiii rrdiddd 321f321040(22)222irdddd3fi4022iiird

10、di =1時，開關(guān)時，開關(guān)si接運放接運放的反相端的反相端; di= 0時，開關(guān)時，開關(guān)si接地。接地。 在恒流源電路中，各支路權(quán)電流的大小均不受其他因素的在恒流源電路中，各支路權(quán)電流的大小均不受其他因素的影響，提高了轉(zhuǎn)換精度。影響，提高了轉(zhuǎn)換精度。采用恒流源電路后對提高轉(zhuǎn)采用恒流源電路后對提高轉(zhuǎn)換精度有什么好處？換精度有什么好處？12專業(yè)課2.4 d/a轉(zhuǎn)換器的輸出方式轉(zhuǎn)換器的輸出方式 d1 d0 i rf vo dn-1 vref 倒t形 電阻網(wǎng) 絡(luò)d/a 轉(zhuǎn)換器 + a r1 r2 i vo + a r d1 d0 dn-1 vref 倒t形 電阻網(wǎng) 絡(luò)d/a 轉(zhuǎn)換器 1. 1. 單極性

11、輸出方式單極性輸出方式 倒倒t t形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)d/ad/a轉(zhuǎn)換器單極性電壓輸出的電路轉(zhuǎn)換器單極性電壓輸出的電路 反相輸出反相輸出 同相輸出同相輸出 ofi r o21(1/)i rrr13專業(yè)課 d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0模擬量模擬量 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0表表1 8位位d/a轉(zhuǎn)換器在單極性輸出時的輸入轉(zhuǎn)換器在單極性輸出時的輸入/輸出關(guān)系輸出關(guān)系)256255(refv )256129(refv )2

12、56128(refv )256127(refv )2561(refv )2560(refv 14專業(yè)課 d0 d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 2r1 o vref 1 rf = r r1 r1 + + a1 a2 nb 8 位位倒倒 t 形形電電阻阻 網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò) d/a 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器 i 1 nbo1ref12v ref1b82vn 7refb8(2 )2vnbrefrefref8()222n vvvbref256nv2. 2. 雙極性輸出方式雙極性輸出方式 2的補碼的補碼偏移二進(jìn)制碼偏移二進(jìn)制碼15專業(yè)課十進(jìn)十進(jìn)制數(shù)制數(shù)2的補碼的補碼偏移二進(jìn)制碼偏移二進(jìn)制碼模擬量模擬量 d7 d6

13、d5 d4 d3 d2 d1d0d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0 o/vlsb1270 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 11271260 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 012611 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 11127 1 0 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 0 0 1127128 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0128表表2 8位位d/a轉(zhuǎn)換器在雙極性輸出時的輸入轉(zhuǎn)換器在雙極性輸出時的輸入/輸出關(guān)系輸出關(guān)系16專業(yè)課1. 1. 轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度 ：通常用分辨率

14、和轉(zhuǎn)換誤差來描述。通常用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述。 分辨率分辨率：其定義為：其定義為d/a轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等轉(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)換器轉(zhuǎn)換器的分辨率。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。給出。n位位d/a轉(zhuǎn)換器的分辨率可表示為轉(zhuǎn)換器的分辨率可表示為121n2.5 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)2.2.轉(zhuǎn)換誤差：轉(zhuǎn)換誤差是指轉(zhuǎn)換誤差：轉(zhuǎn)換誤差是指d/ad/a轉(zhuǎn)換器實際精度與理論上可轉(zhuǎn)

15、換器實際精度與理論上可達(dá)到的精度之間存在誤差。達(dá)到的精度之間存在誤差。產(chǎn)生原因：由于產(chǎn)生原因：由于d/ad/a轉(zhuǎn)換器中各元件參數(shù)值存在誤差，如基轉(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)定或運算放大器的零漂等各種因素的影響。準(zhǔn)電壓不夠穩(wěn)定或運算放大器的零漂等各種因素的影響。17專業(yè)課幾種轉(zhuǎn)換誤差：有如比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差等幾種轉(zhuǎn)換誤差：有如比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差等 比例系數(shù)誤差：比例系數(shù)誤差：是指實際轉(zhuǎn)換特性是指實際轉(zhuǎn)換特性曲線的斜率與理想曲線的斜率與理想特性曲線斜率的偏特性曲線斜率的偏差。差。 refo/vv 7/8 3/4 5/8 1/2 3/8 1/4 1/8 000 001 01

16、0 011 100 101 110 111 o 理理想想 實實際際 比比例例系系數(shù)數(shù)誤誤差差 18專業(yè)課 失調(diào)誤差：由運算失調(diào)誤差：由運算放大器的零點漂移引起，放大器的零點漂移引起，其大小與輸入數(shù)字量無其大小與輸入數(shù)字量無關(guān)，該誤差使輸出電壓關(guān)，該誤差使輸出電壓的轉(zhuǎn)移特性曲線發(fā)生平的轉(zhuǎn)移特性曲線發(fā)生平移移 。 refo/vv 7/8 3/4 5/8 1/2 3/8 1/4 1/8 000 001 010 011 100 101 110 111 o 實實際際 理理想想 三位三位d/a轉(zhuǎn)換器的失轉(zhuǎn)換器的失調(diào)誤差如圖所示。調(diào)誤差如圖所示。 19專業(yè)課2. 6 集成集成d/a轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)

17、用1. ad7520d/a轉(zhuǎn)換器 d2 d7 o d0 d1 2r 2r 2r 2r r r d8 d9 r r r 2r 2r 2r + r iout1 iout2 vref ad7520 rf 10k 10k 20k 10位位cmos電流開關(guān)型電流開關(guān)型d/a轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 iout1 2 iout1 iout1 iout2 gnd d9 d8 d7 d6 d5 d0 d1 d2 d3 d4 v+ vref rf 20專業(yè)課 2、集成、集成d/a轉(zhuǎn)換器應(yīng)用之一：轉(zhuǎn)換器應(yīng)用之一： 數(shù)字式可編程增益控制電路數(shù)字式可編程

18、增益控制電路 d2 d7 o d0 d1 2r 2r 2r 2r r r r d8 d9 r r r i 2r 2r 2r + rf iout1 iout2 vref 21專業(yè)課 2 2、集成、集成d/ad/a轉(zhuǎn)換器應(yīng)用之二：轉(zhuǎn)換器應(yīng)用之二： 拋物線波形產(chǎn)生電路拋物線波形產(chǎn)生電路 iout1 iout2 rf o1 + + iout1 iout2 o2 rf vref ad7520 d0 d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8 d9 i vref ad7520 d0 d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8 d9 q0 q1 q2 q3 q4 q5 q6 q7 q8 q9 10

19、位位可可逆逆計計算算器器 加加/減減 cp 計計數(shù)數(shù)脈脈沖沖 加加減減控控制制 電電路路 9ref1i10022ioivd 2912ref1022iiiodv22專業(yè)課本節(jié)小結(jié)d/a轉(zhuǎn)換器的功能是將輸入的二進(jìn)制數(shù)字信轉(zhuǎn)換器的功能是將輸入的二進(jìn)制數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的模擬信號輸出。號轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的模擬信號輸出。如果輸入的是如果輸入的是n位二進(jìn)制數(shù)，則位二進(jìn)制數(shù)，則d/a轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為：的輸出電壓為：23專業(yè)課3 a/d轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換3.1 a/d轉(zhuǎn)換器概述轉(zhuǎn)換器概述3.2 并行比較型并行比較型a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器3.3 逐次比較型逐次比較型a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器3.4 雙積分式雙積分式a/d轉(zhuǎn)換器

20、轉(zhuǎn)換器3.5 a/d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)3.6 集成集成a/d轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用24專業(yè)課 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，它一般要包括取樣取樣， 保持，量化及編碼保持，量化及編碼4個過程。adcdnd0輸出數(shù)字量輸出數(shù)字量i 輸入模擬電壓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。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功能功能:3.1 a/d轉(zhuǎn)換器概述轉(zhuǎn)換器概述25專業(yè)課2 2. a/d轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換的一般工作過程的一般工作過程（1）采樣與保持）采樣與保持 0 0 0 s(t) i (t) t

21、 t t ts o (t) o(t) i(t) t g s(t) 采樣是將隨時間連續(xù)變化的模擬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。量轉(zhuǎn)換為在時間離散的模擬量。 采樣信號采樣信號s(t)的頻率愈高，所采的頻率愈高，所采得信號愈能真實地復(fù)現(xiàn)輸入信號。得信號愈能真實地復(fù)現(xiàn)輸入信號。合理的采樣頻率由采樣定理確定。合理的采樣頻率由采樣定理確定。 采樣定理：采樣定理：設(shè)采樣信號設(shè)采樣信號s(t)的頻的頻率為率為fs，輸入模擬信號，輸入模擬信號 i(t)的最的最高頻率分量的頻率為高頻率分量的頻率為fimax，則則 f fs s 2 2f fimaximax26專業(yè)課 要將取樣電路每次采得

22、模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號都需要一定時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。與保持過程往往是通過采樣與保持電路同時完成的。 t t t6 t5 t4 t3 t2 t1 t0 0 電路要求：電路要求：av1=av2= 1， a1的的ri 高，高， ro 低；低；a2 的的ri 高高采樣采樣 i a1 a2 s ch 開開關(guān)關(guān)驅(qū)

23、驅(qū)動動電電路路 采采樣樣保保持持控控制制電電路路 o 不能放電不能放電保持保持保持保持27專業(yè)課3. 3. 量化與編碼量化與編碼為將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，在為將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，在a/d轉(zhuǎn)換過程中，必須將采轉(zhuǎn)換過程中，必須將采樣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)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。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。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。數(shù)倍。例如：采樣得到的電平分別為例如：采樣得到的電平

24、分別為0.1 0.2 0.3 1 1.2 1.09可以規(guī)定最小的數(shù)量單位為可以規(guī)定最小的數(shù)量單位為0.01，則量化后對應(yīng)的為，則量化后對應(yīng)的為 10 20 100 120 109也可以規(guī)定最小的數(shù)量單位為也可以規(guī)定最小的數(shù)量單位為0.1，則量化后對應(yīng)的應(yīng)該為，則量化后對應(yīng)的應(yīng)該為1 2 3 10 12 10（11）量化量化28專業(yè)課量化過程中所取最小數(shù)量單位稱為量化單位用量化過程中所取最小數(shù)量單位稱為量化單位用 表示。它是表示。它是數(shù)字信號最低位為數(shù)字信號最低位為1 1時所對應(yīng)的模擬量，即時所對應(yīng)的模擬量，即1lsb1lsb。任何一個數(shù)。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

25、。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，用不可避免地存在誤差，此誤差我們稱之為量化誤差，用 表示表示。量化誤差屬原理誤差，它是無法消除的。量化誤差屬原理誤差，它是無法消除的。a/da/d轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越轉(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。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：兩種近似量化方式：只舍不入只舍不入量化方式和量化方式和四舍五入四舍五入的量化方的量化方式。式。 (1) (1) 量化

26、誤差量化誤差29專業(yè)課只舍不入量化方式只舍不入量化方式: :量化中把不足量化中把不足1 1個量化單位的部分舍棄；個量化單位的部分舍棄；最大量化誤差為：最大量化誤差為：lsb1max 四舍五入量化方式四舍五入量化方式: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：最大量化誤差為化誤差為2lsbmax (2)(2)兩種量化方式兩種量化方式量化后的數(shù)值最后還需通過編碼過程用一個代碼表示出來。量化后的數(shù)值最后還需通過編碼過程用一個代碼表

27、示出來。經(jīng)編碼后得到的代碼就是經(jīng)編碼后得到的代碼就是a/da/d轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量。轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量。 編碼編碼例如：采樣得到的電平分別為例如：采樣得到的電平分別為0.1 0.2 0.3 1 1.2 1.09量化后對量化后對應(yīng)的應(yīng)該為應(yīng)的應(yīng)該為1 2 3 10 12 10（11）編碼為）編碼為0001 0010 0011 1010 1100 1010（1011）30專業(yè)課2. a/d轉(zhuǎn)換器分類轉(zhuǎn)換器分類 并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型 特點特點: : 轉(zhuǎn)換速度快轉(zhuǎn)換速度快, ,轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間10ns 1 s, 但但電路復(fù)雜。電路復(fù)雜。 逐次逼近型逐次逼近型 特點特點: : 轉(zhuǎn)換速度適中轉(zhuǎn)換速度適中,

28、 ,轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間 為幾為幾 s 100 s, 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換精度高，在轉(zhuǎn)換速度和硬件復(fù)雜度之間達(dá)到一個很好的換精度高，在轉(zhuǎn)換速度和硬件復(fù)雜度之間達(dá)到一個很好的平衡。平衡。 雙積分型雙積分型 特點特點: : 轉(zhuǎn)換速度慢轉(zhuǎn)換速度慢, ,轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間幾百幾百 s 幾幾ms，但抗干但抗干擾能力最強。擾能力最強。31專業(yè)課 r i vref vref 13 15 r cp vref 11 15 r r r vref 3 15 vref 1 15 r r r/2 + c1 + c2 + c3 + c4 + c5 + c6 + c7 c01 c02 c03 c04 c05 c06 c07 1d c1 q i

29、1 1d c1 q i2 1d c1 q i3 1d c1 q i4 1d c1 q i5 1d c1 q i6 1d c1 q i7 d0 d1 d2 優(yōu)先編碼器優(yōu)先編碼器 (lsb(msb)0 電壓比較器電壓比較器精密參精密參考電壓考電壓d觸發(fā)器觸發(fā)器vref/153vref/157vref/159vref/1511vref/155vref/1513vref/15輸出輸出數(shù)字?jǐn)?shù)字量量3.2 并行比較型并行比較型a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器32專業(yè)課 r i vref vref 13 15 r cp vref 11 15 r r r vref 3 15 vref 1 15 r r r/2 + c1 +

30、 c2 + c3 + c4 + c5 + c6 + c7 c01 c02 c03 c04 c05 c06 c07 1d c1 q i1 1d c1 q i2 1d c1 q i3 1d c1 q i4 1d c1 q i5 1d c1 q i6 1d c1 q i7 d0 d1 d2 優(yōu)先編碼器優(yōu)先編碼器 (lsb(msb)0 11vref/159vref/1513vref/157vref/153vref/15vref/155vref/15vi=8vref/1511110000001111i7的優(yōu)先級最高的優(yōu)先級最高001vivo2.工作原理33專業(yè)課 vi co1 co2 co3 co4 c

31、o5 co6 co7 d2 d1 d0 7vref/15 vi 9vref/15 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 9vref/15 vi 11vref/15 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 5vref/15 vi 7vref/15 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 3vref /15 vi 5vref/15 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 11vref/15 vi 13vr/15 0 1 1 1 1 1 1 1 1 013vref/15 vi vref/15 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 vref/15 vi 3vref/15 0 0 0 0 0 0 1

32、 0 0 1 0 vi vref/15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 根據(jù)各比較器的參考電壓值，可以確定輸入模擬電壓值根據(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 d觸發(fā)器觸發(fā)器存儲，經(jīng)優(yōu)先編碼器編碼，得到數(shù)字量輸出。存儲，經(jīng)優(yōu)先編碼器編碼，得到數(shù)字量輸出。 34專業(yè)課在并行在并行a/da/d轉(zhuǎn)換器中，輸入電壓轉(zhuǎn)換器中，輸入電壓 i i同時加到所有比較器的輸同時加到所有比較器的輸入端，從入端，從 i 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、器

33、、d d觸發(fā)器和編碼器延遲時間之和。如不考慮各器件的延觸發(fā)器和編碼器延遲時間之和。如不考慮各器件的延遲，可認(rèn)為三位數(shù)字量是與遲，可認(rèn)為三位數(shù)字量是與 i i輸入時刻同時獲得的。所以它輸入時刻同時獲得的。所以它具有最短的轉(zhuǎn)換時間。具有最短的轉(zhuǎn)換時間。 缺點是電路復(fù)雜，如三位缺點是電路復(fù)雜，如三位adc需比較器的個數(shù)目為需比較器的個數(shù)目為7個位個位數(shù)越多矛盾越突出數(shù)越多矛盾越突出。為了解決提高分辨率和增加元件數(shù)的矛盾，可以采取為了解決提高分辨率和增加元件數(shù)的矛盾，可以采取分級并分級并行轉(zhuǎn)換行轉(zhuǎn)換的方法。的方法。 3.3.電路特點電路特點35專業(yè)課 i d9 vref 采采樣樣保保持持電電路路 5位

34、位 并并行行比比較較a/d轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器 5位位 d/a轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器 5位位 并并行行比比較較a/d轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器 + 32 + d8 d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0 分級并行轉(zhuǎn)換分級并行轉(zhuǎn)換10位位a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器36專業(yè)課3.3 逐次比較型逐次比較型a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器逐次逼近轉(zhuǎn)換過程與用天平稱物重非常相似逐次逼近轉(zhuǎn)換過程與用天平稱物重非常相似 。所加砝碼所加砝碼重量重量第一次第一次第二次第二次第三次第三次第四次第四次再加再加4克克再加再加2克克再加再加1克克8 克克砝碼總重砝碼總重 待測重量待測重量wx ，8克砝碼保留克砝碼保留砝碼總重仍砝碼總重仍 待測重量待測重量wx ，

35、2克砝碼撤除克砝碼撤除砝碼總重砝碼總重 待測重量待測重量wx ， 1克砝碼保留克砝碼保留 結(jié)果結(jié)果8 克克12 克克12 克克13 克克 1. 1. 轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理 所用砝碼重量：所用砝碼重量：8克、克、4克、克、2克和克和1克。克。設(shè)待秤重量設(shè)待秤重量wx = 13克克。稱重過程稱重過程 37專業(yè)課1. 轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理 i 啟動脈沖啟動脈沖 cp 時鐘時鐘 電壓電壓 比較器比較器 控制邏控制邏輯電路輯電路 移位寄位器移位寄位器 數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器 模擬模擬 量輸入量輸入 數(shù)字?jǐn)?shù)字 量輸出量輸出 d/a 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 o vref d0 d1 dn-2 dn-1 38專業(yè)課四位逐次比較型

36、四位逐次比較型a/d轉(zhuǎn)換器的邏輯電路如下圖所示。圖中五轉(zhuǎn)換器的邏輯電路如下圖所示。圖中五位移位寄存器可進(jìn)行并入位移位寄存器可進(jìn)行并入/并出或串入、串出操作，其并出或串入、串出操作，其f為并為并行置數(shù)端，高電平有效，行置數(shù)端，高電平有效，s為高位串行輸入。數(shù)據(jù)寄存器由為高位串行輸入。數(shù)據(jù)寄存器由d邊沿觸發(fā)器組成，數(shù)字量從邊沿觸發(fā)器組成，數(shù)字量從q4q1輸出試分析電路的工作輸出試分析電路的工作原理。原理。1 10 00 00 00 01 11 1 1 1 02/refv 1 1 i o d/a 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 d1 vref + d3 d2 d1 d0 (msb (lsb) q0 q1 q2 q3

37、q4 r s c1 r s c1 1d r s c1 1d r s c1 1d r s c1 r 啟動脈沖啟動脈沖 1 & cp +5v +5v q5 qe qd qc qb qa s a b c d e f cp 移位寄存器移位寄存器 +5v c ff0 ff1 ff2 ff3 ff4 g2 1d c1 1d d1d2d3f為并行置數(shù)端，為并行置數(shù)端，高電平有效高電平有效s為高位為高位串行輸入串行輸入d/a轉(zhuǎn)換器輸出轉(zhuǎn)換器輸出電壓電壓o vref/2, 送入比較器送入比較器c與與 i比較；若比較；若 i i i o則比較器則比較器c 輸出輸出 c為為1，否則為，否則為0。比較結(jié)果（比

38、較結(jié)果（1或或0）送至數(shù)據(jù)寄存器送至數(shù)據(jù)寄存器的的 d4d1。 39專業(yè)課 i o d/a 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 d1 vref + d3 d2 d1 d0 (msb (lsb) q0 q1 q2 q3 q4 r s c1 r s c1 1d r s c1 1d r s c1 1d r s c1 r 啟動脈沖啟動脈沖 1 & cp +5v +5v q5 qe qd qc qb qa s a b c d e f cp 移位寄存器移位寄存器 +5v c ff0 ff1 ff2 ff3 ff4 g2 1d c1 1d 1 1d31 11 1 1 0 14/refv 1 1d1d2d30 00 04/

39、3refv 40專業(yè)課 i o d/a 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 d1 vref + d3 d2 d1 d0 (msb (lsb) q0 q1 q2 q3 q4 r s c1 r s c1 1d r s c1 1d r s c1 1d r s c1 r 啟動脈沖啟動脈沖 1 & cp +5v +5v q5 qe qd qc qb qa s a b c d e f cp 移位寄存器移位寄存器 +5v c ff0 ff1 ff2 ff3 ff4 g2 1d c1 1d 1 1d21 11 1 0 1 1refv8/7 1 1d1d2d30 0refv8/3 d3refv8/5 refv8/1 41專業(yè)

40、課 i o d/a 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 d1 vref + d3 d2 d1 d0 (msb (lsb) q0 q1 q2 q3 q4 r s c1 r s c1 1d r s c1 1d r s c1 1d r s c1 r 啟動脈沖啟動脈沖 1 & cp +5v +5v q5 qe qd qc qb qa s a b c d e f cp 移位寄存器移位寄存器 +5v c ff0 ff1 ff2 ff3 ff4 g2 1d c1 1d 1 1d21 11 0 1 1 1refv16/151 1d1d2d3refv16/13d3refv16/11refv16/9d1refv16/7refv

41、16/5refv16/3refv16/142專業(yè)課 (1) 逐次比較型逐次比較型a/d轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)越多轉(zhuǎn)換精轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)越多轉(zhuǎn)換精度越高；度越高； (2)逐次比較型逐次比較型a/d轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需時間與其位轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需時間與其位數(shù)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)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；換所需時間越短； 2.逐次比較型逐次比較型a/d的特點的特點43專業(yè)課3.4 雙積分式雙積分式a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器： 對輸入模擬電壓和參考電壓分別進(jìn)行兩次積分，將輸入電對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

42、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(jìn)而得到相應(yīng)的數(shù)字量輸出。該出此時間間隔，進(jìn)而得到相應(yīng)的數(shù)字量輸出。該a/d轉(zhuǎn)換器也稱為電壓轉(zhuǎn)換器也稱為電壓時間數(shù)字式積分器時間數(shù)字式積分器 。邏輯控制門定時器n 位二進(jìn)制計數(shù)器&輸入模擬電壓基準(zhǔn)電壓積分器比較器時鐘輸入控制門 gn 位二進(jìn)制數(shù)字輸出uivrefs1s2rccpco=1(uo0)=0(uo0)uodn-1 dn-2 d0+tcco=44專業(yè)課10.2.4 雙積分式雙積分式a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 + + + i s1 s2 r ffn s1 vr

43、ef o c 1 ffn-1 1 q1 qn-1 qn ff1 1 ff0 1 1j c1 1k r 1j c1 1k r 1j c1 1k r 1j c1 1k r cp cr dn-1 d1 d0 & 數(shù)字量輸出數(shù)字量輸出 c a b g g n 級計數(shù)器級計數(shù)器 定定時時信信號號 (msb) (lsb) tc 0 00 00 00 00 0(1) 準(zhǔn)備階段準(zhǔn)備階段 工作原理工作原理cr信號將計數(shù)器清零；開關(guān)信號將計數(shù)器清零；開關(guān)s2閉合，待積分電容放電完畢閉合，待積分電容放電完畢后，斷開后，斷開s2。 45專業(yè)課 + + + i s1 s2 r ffn s1 vref o c 1

44、 ffn-1 1 q1 qn-1 qn ff1 1 ff0 1 1j c1 1k r 1j c1 1k r 1j c1 1k r 1j c1 1k r cp cr dn-1 d1 d0 & c a b g g 定定時時信信號號 (msb) (lsb) tc (2) 第一次積分第一次積分 tdt0io1 1 10 00 00 01 10 01 10 01 11 11 10 00 00 0t = t0時，開關(guān)時，開關(guān)s1與與a端接通，正的被測電壓端接通，正的被測電壓 i 加到積分器的輸加到積分器的輸入端。積分器開始對入端。積分器開始對 i積分，此階段稱為采樣階段積分，此階段稱為采樣階段11

45、tvi 工作原理工作原理0 00 00 00 01 10 01 10 01 11 11 10 00 01 10 00 00 01 10 01 10 01 11 11 11 11 11 10 00 00 01 10 01 10 01 11 11 10 01 10 01 10 00 01 10 01 10 01 11 11 10 00 00 046專業(yè)課10.2.4 雙積分式雙積分式a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 + + + i s1 s2 r ffn s1 vref o c 1 ffn-1 1 q1 qn-1 qn ff1 1 ff0 1 1j c1 1k r 1j c1 1k r 1j c1 1k r 1

46、j c1 1k r cp cr dn-1 d1 d0 & c a b g g 定定時時信信號號 (msb) (lsb) tc (2) 第二次積分第二次積分1 11 10 00 01 10 01 10 0 21)(1)(refp2ottvvt vref加到積分器的輸入端，積分器開始向相反方向進(jìn)加到積分器的輸入端，積分器開始向相反方向進(jìn)行第二次積分；當(dāng)行第二次積分；當(dāng)t=t2時，積分器輸出電壓時，積分器輸出電壓 o0，比較器，比較器輸出輸出 c=0，時鐘脈沖控制門，時鐘脈沖控制門g被關(guān)閉，計數(shù)停止。被關(guān)閉，計數(shù)停止。 工作原理工作原理21o2pref1( )()0tttvv0 047專業(yè)課

47、 s1 qn 0 0 o 0 c 0 c 0 t1 t2 t1 t2 + i vref t1 t2 p t t t t t t1=2ntc1112ncpttvvv oi01tdt ?21o2pref1( )()0tttvvdtnref2ci2vttvnc2iref2 ttvv t2= tc n2icref2tvtvt2=t1 t2 48專業(yè)課1.轉(zhuǎn)換精度 單片集成單片集成a/da/d轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述的。描述的。 分辨率分辨率: :轉(zhuǎn)換誤差：轉(zhuǎn)換誤差： 表示表示a/d轉(zhuǎn)換器實際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出轉(zhuǎn)換器實際輸出的數(shù)字量和理論上

48、的輸出數(shù)字量之間的差別。通常以輸出誤差的最大值形數(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。式給出，常用最低有效位的倍數(shù)表示。 3.5 a/d轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)說明說明a/d轉(zhuǎn)換器對輸入信號的分辨能力。若轉(zhuǎn)換器對輸入信號的分辨能力。若n位位a/d轉(zhuǎn)換器的分辨率表示為轉(zhuǎn)換器的分辨率表示為1/2n。 49專業(yè)課2.2.轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間 指指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。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)換器的轉(zhuǎn)換時間與轉(zhuǎn)換電路的類型有關(guān)轉(zhuǎn)換電路的類型有關(guān)并

49、行比較并行比較a/d轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最高轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最高 ,逐次比較型逐次比較型a/d轉(zhuǎn)換器次之轉(zhuǎn)換器次之 ,間接間接a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器(如雙積分如雙積分a/d)的速度最慢。的速度最慢。 并行比較并行比較a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器(8位）位） 逐次比較型逐次比較型a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 間接間接a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器1050 s50ns10ms1000ms50專業(yè)課例例 某信號采集系統(tǒng)要求用一片某信號采集系統(tǒng)要求用一片a/d轉(zhuǎn)換集成芯片在轉(zhuǎn)換集成芯片在1秒鐘內(nèi)秒鐘內(nèi)對對16個熱電偶的輸出電壓分時進(jìn)行個熱電偶的輸出電壓分時進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換。已知熱電偶輸出電轉(zhuǎn)換。已知熱電偶輸出電壓范圍為壓范圍為00.025v(對應(yīng)于對應(yīng)于0450溫度范圍溫度范圍)，需要分辨的溫度為，需要分辨的溫度為0.1，試問應(yīng)選擇多少位的，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？轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時間為多少？解：解： 0.114504500由題意可知分辨率為由題意可知分辨率為12位位a/d轉(zhuǎn)換器的分辨率為轉(zhuǎn)換器的分辨率為 故必須選用故必須選用13位的位的a/d轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。 系統(tǒng)的采樣速率為每秒系統(tǒng)的采樣速率為每秒16次，采樣時間為次，采樣時間為62.5ms。對于這樣慢速的采樣任何一個對于這樣慢速的采樣任何一個a/d轉(zhuǎn)換器都可達(dá)到。轉(zhuǎn)換器都可達(dá)到。 51專業(yè)課3.6 集成a/d轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用1. adc0804