模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備

1、模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備電子信息系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)概述概述 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)能夠了解外部世界，對(duì)外部事物進(jìn)行處理，就必須有一夠了解外部世界，對(duì)外部事物進(jìn)行處理，就必須有一個(gè)將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的個(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，這就是常說(shuō)的接口，這就是常說(shuō)的 A/DA/D和和 D/AD/A。 雖然模擬量是無(wú)限可分的、連續(xù)的，數(shù)字量是離雖然模擬量是無(wú)限可分的、連續(xù)的，數(shù)字量是離散的，數(shù)字量永遠(yuǎn)也不能精確地描述模擬量，但

2、由于散的，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，我們對(duì)客觀世界的了解、描述并不總需要極高的精度，所以選擇適當(dāng)精度的數(shù)字量來(lái)描述模擬量是完全夠用所以選擇適當(dāng)精度的數(shù)字量來(lái)描述模擬量是完全夠用的。的。 ADCADC和和DACDAC是溝通模擬電路和數(shù)字電路的橋梁，也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?？煞Q之為兩者之間的接口。 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(jiǎn)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(jiǎn)稱稱A/DA/D轉(zhuǎn)換器或轉(zhuǎn)換器或ADCADC； 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(jiǎn)能將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬

3、量的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱稱D/AD/A轉(zhuǎn)換器或轉(zhuǎn)換器或DACDAC。 多路開(kāi)關(guān)數(shù)字控制計(jì)算機(jī)DACADC功率放大功率放大執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)加熱爐加熱爐溫度傳感器溫度傳感器信號(hào)放大信號(hào)放大多路開(kāi)關(guān) 本章將簡(jiǎn)單介紹本章將簡(jiǎn)單介紹D/AD/A轉(zhuǎn)換器和轉(zhuǎn)換器和A/DA/D轉(zhuǎn)換器的幾種主要形式。轉(zhuǎn)換器的幾種主要形式。1 D/A轉(zhuǎn)換器(DAC)一、一、D/AD/A轉(zhuǎn)換器的基本原理和轉(zhuǎn)換特性轉(zhuǎn)換器的基本原理和轉(zhuǎn)換特性將輸入的每一位二進(jìn)制代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)將輸入的每一位二進(jìn)制代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將代表各位的模擬換成相應(yīng)的模擬量，然后將代表各位的模擬量相加，所得的總模擬量就與數(shù)字量成正比，

4、量相加，所得的總模擬量就與數(shù)字量成正比，這樣便實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。這樣便實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。uo或 io輸出D/Ad0d1dn1輸入)2222(00112211oddddKunnnnu給定數(shù)字量的給定數(shù)字量的D/AD/A轉(zhuǎn)換過(guò)程：轉(zhuǎn)換過(guò)程：按權(quán)展開(kāi)，求相應(yīng)位的模擬量；按權(quán)展開(kāi)，求相應(yīng)位的模擬量；相加求和，求總的模擬量；相加求和，求總的模擬量；電阻網(wǎng)絡(luò)：實(shí)現(xiàn)按權(quán)展開(kāi)；電阻網(wǎng)絡(luò)：實(shí)現(xiàn)按權(quán)展開(kāi)；電子開(kāi)關(guān)電子開(kāi)關(guān): : 給定數(shù)字量；給定數(shù)字量；求和電路求和電路: : 完成模擬量相加。完成模擬量相加。DACDAC的一般構(gòu)成：的一般構(gòu)成：存在多種網(wǎng)絡(luò)存在多種網(wǎng)絡(luò)形式。形式。由由晶體管或

5、晶體管或MOS管組成。管組成。由運(yùn)放組成由運(yùn)放組成 。R2R4R8RRFI1I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo+RVIRVIRVIRVIREFREFREFREF3210248 二、二進(jìn)制權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)二、二進(jìn)制權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DACDAC參參考考電電壓壓電子開(kāi)關(guān)：電子開(kāi)關(guān)：d d11接接“-”;d=0 -”;d=0 接接“+”+”不論不論d d接哪端（虛地或?qū)嵉兀?，各支路電流不變。接哪端（虛地或?qū)嵉兀?，各支路電流不變。求和求和電路電路電路電路R2R4R8RRFI1I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo+)2222(224800112

6、2333321033221100ddddRVdRVdRVdRVdRVdIdIdIdIiREFREFREFREFREFBREFREFFFNVddddViRiRu40011223342)2222(22o設(shè)RF=R/2 轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理輸出輸出 R R R 2R 2R 2R 2R 2R RF I S0 S3 S2 S1 d3 d0 d1 d2 +VR uo + B C D A P 2R 三、三、T T型電阻網(wǎng)絡(luò)型電阻網(wǎng)絡(luò)DACDAC電路電路電子開(kāi)關(guān)：電子開(kāi)關(guān)：d d11接接“V VR R”;d=0 ”;d=0 接接“地地” 2R 2R R +VA B 2R 2R 2R +VR A 轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理

7、R R R 2R 2R 2R 2R 2R RF I S0 S3 S2 S1 d3 d0 d1 d2 +VR uo + B C D A P 2R V VR R通過(guò)通過(guò)S S0 0到到D D點(diǎn)點(diǎn) 的電壓值的電壓值等效電路：等效電路：32RRAVVRRRVS S0 0接接V VR RS S1 1 S S2 2 S S3 3接地接地3212RAABVVVRRRV3412RBCVVV3812RCDVVV同理：同理：所以，所以，當(dāng)當(dāng)d d3 3d d2 2d d1 1d d0 000010001時(shí)時(shí)381RDVV R R R 2R 2R 2R 2R 2R RF I S0 S3 S2 S1 d3 d0 d1

8、 d2 +VR uo + B C D A P 2R 同理，當(dāng)同理，當(dāng)d d3 3d d2 2d d1 1d d0 000100010時(shí)時(shí)341RDVV當(dāng)當(dāng)d d3 3d d2 2d d1 1d d0 001000100時(shí)時(shí)321RDVV當(dāng)當(dāng)d d3 3d d2 2d d1 1d d0 010001000時(shí)時(shí)3RDVV d d3 3d d2 2d d1 1d d0 0為任意值時(shí)為任意值時(shí) D D點(diǎn)的電壓值點(diǎn)的電壓值BRRRRRRDNVddddVdVdVdVdVV32)2222(32383432330011223330123 輸出：輸出：BRfDfONVRRVRRV32223BRONVV42取取R

9、 Rf f3R 3R ： R R R 2R 2R 2R 2R 2R I1 I1 I2 I3 I0 I0 I2 I I d0 d3 d2 d1 VR B C D A RF uo + S3 S0 S1 S2 I3 P P 電路電路注注：1、電子開(kāi)關(guān)置于電阻網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)放之間。電子開(kāi)關(guān)置于電阻網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)放之間。 d di i1 1電流入電流入P P點(diǎn)（虛地），點(diǎn)（虛地）， d di i0 0電流入地（實(shí)地）。電流入地（實(shí)地）。 2 2、無(wú)論開(kāi)關(guān)在左（實(shí)地）還是在右（虛地），、無(wú)論開(kāi)關(guān)在左（實(shí)地）還是在右（虛地）， 電流不變，故無(wú)需電流建立時(shí)間。電流不變，故無(wú)需電流建立時(shí)間。四、倒四、倒T T型電阻網(wǎng)絡(luò)型電

10、阻網(wǎng)絡(luò)DACDAC 轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理 R R R 2R 2R 2R 2R 2R I1 I1 I2 I3 I0 I0 I2 I I d0 d3 d2 d1 VR B C D A RF uo + S3 S0 S1 S2 I3 P P 節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)A、B、C、D以左，等效電阻為以左，等效電阻為2R。 總等效電阻為總等效電阻為R。總電流總電流RVIR 轉(zhuǎn)換原理（續(xù)）轉(zhuǎn)換原理（續(xù)） R R R 2R 2R 2R 2R 2R I1 I1 I2 I3 I0 I0 I2 I I d0 d3 d2 d1 VR B C D A RF uo + S3 S0 S1 S2 I3 P P RVIIR223每過(guò)一個(gè)節(jié)點(diǎn)，電流被

11、分流每過(guò)一個(gè)節(jié)點(diǎn)，電流被分流1/2。RVIIR4232RVIIR8221RVIIR16210 轉(zhuǎn)換原理（續(xù)）轉(zhuǎn)換原理（續(xù)） R R R 2R 2R 2R 2R 2R I1 I1 I2 I3 I0 I0 I2 I I d0 d3 d2 d1 VR B C D A RF uo + S3 S0 S1 S2 I3 P P RVIIR223RVIIR4232RVIIR8221RVIIR16210流入流入P點(diǎn)總電流點(diǎn)總電流）（001122332222161ddddRVIR輸出電壓輸出電壓）（001122334222221ddddFRFORRVRIVRRF取取BRRONVVV4001122334222222

12、）（dddd2 采樣：以一定的周期讀取輸入電壓信號(hào)。采樣定理：fs2, fAmax 工程上： fs10fAmax保持：使讀取的信號(hào)在周期內(nèi)不變。轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理 模擬信號(hào)（模擬信號(hào)（A A）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)（轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)（D D）需要時(shí)間，所以轉(zhuǎn)需要時(shí)間，所以轉(zhuǎn)換時(shí)間上是離散的；另一方面，模擬信號(hào)輻值連續(xù)，數(shù)字信換時(shí)間上是離散的；另一方面，模擬信號(hào)輻值連續(xù)，數(shù)字信號(hào)輻值離散。所以號(hào)輻值離散。所以ADAD轉(zhuǎn)換需要做的是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行輻值離轉(zhuǎn)換需要做的是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行輻值離散和時(shí)間離散。散和時(shí)間離散。 dn-1d1d0數(shù)字量輸出(n位)ADC的數(shù)字化編碼電路 CPS SCADC采樣-保持電路采樣展

13、寬信號(hào)輸入模擬電壓ui(t)us(t)時(shí)間離散時(shí)間離散采樣定理采樣定理輻值離散輻值離散量化編碼量化編碼Vref要求要求在采樣時(shí)間內(nèi)，信號(hào)維持不變，以提供足夠的轉(zhuǎn)換時(shí)間。在采樣時(shí)間內(nèi)，信號(hào)維持不變，以提供足夠的轉(zhuǎn)換時(shí)間。采樣后保持原信號(hào)特征。采樣后保持原信號(hào)特征。采樣定理采樣定理max2iSff 采樣頻率大于采樣頻率大于2倍輸入倍輸入信號(hào)頻率的最大值。信號(hào)頻率的最大值。主要參數(shù)n參考電壓： AD轉(zhuǎn)換最大數(shù)值n輸出字段： 轉(zhuǎn)換后的字節(jié)各個(gè)位數(shù)的含義n轉(zhuǎn)換精度： 由參考電壓和輸出字段長(zhǎng)度共同決定，為ADC的最小步進(jìn)電壓，反映了ADC對(duì)最小電壓變化的檢測(cè)能力。模數(shù)轉(zhuǎn)換器類型n跟蹤式模數(shù)轉(zhuǎn)換器n快速模數(shù)

14、轉(zhuǎn)換器n逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器n雙斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換器n-模數(shù)轉(zhuǎn)換器nHalf-Flash模數(shù)轉(zhuǎn)換器1 跟蹤式模數(shù)轉(zhuǎn)換器n組成：n 一個(gè)比較器，一個(gè)計(jì)數(shù)器，一個(gè)DACn缺點(diǎn)： (1)轉(zhuǎn)換速度慢 (2)最高時(shí)鐘頻率取決于DAC和比較器的信號(hào)延時(shí)速度2、快速A/D轉(zhuǎn)換器REFREFREFREFREFREFREFREFVvVvVvVvVvVvVvVv16151613161116916716516316187654321快速A/D轉(zhuǎn)換器特點(diǎn)n優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速率快n缺點(diǎn)：耗費(fèi)了大量比較器和邏輯電路， 功耗大3 3、逐次比較、逐次比較型型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器特點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度中速（幾十K到幾百KHz）， 成本較低。對(duì)分查找

15、對(duì)分查找逐次比較逐次比較型型A/D轉(zhuǎn)換器特點(diǎn)轉(zhuǎn)換器特點(diǎn)n通過(guò)對(duì)分查找得到輸出數(shù)值，相比于快速ADC,節(jié)省了大量的比較器。nN位的ADC需N個(gè)時(shí)鐘單元內(nèi)完成一次轉(zhuǎn)換 雙積分型雙積分型ADCADC的轉(zhuǎn)換原理是先將模擬電壓的轉(zhuǎn)換原理是先將模擬電壓U UI I轉(zhuǎn)換成與其大轉(zhuǎn)換成與其大小成正比的時(shí)間間隔小成正比的時(shí)間間隔T T，再利用基準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖通過(guò)計(jì)數(shù)器將再利用基準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖通過(guò)計(jì)數(shù)器將T T變變換成數(shù)字量。換成數(shù)字量。 4 雙積分型雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 雙積分型雙積分型ADC雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器特點(diǎn)n首先，其轉(zhuǎn)換結(jié)果與時(shí)間常數(shù)首先，其轉(zhuǎn)換結(jié)果與時(shí)間常數(shù)RC無(wú)關(guān)，從而消除了由無(wú)關(guān)，從而消除了由于斜

16、波電壓非線性帶來(lái)的誤差，允許積分電容在一個(gè)于斜波電壓非線性帶來(lái)的誤差，允許積分電容在一個(gè)較寬范圍內(nèi)變化，而不影響轉(zhuǎn)換結(jié)果。較寬范圍內(nèi)變化，而不影響轉(zhuǎn)換結(jié)果。n其次，由于輸入信號(hào)積分的時(shí)間較長(zhǎng)，且是一個(gè)固定其次，由于輸入信號(hào)積分的時(shí)間較長(zhǎng)，且是一個(gè)固定值值T1，而，而T2正比于輸入信號(hào)在正比于輸入信號(hào)在T1內(nèi)的平均值，這對(duì)于內(nèi)的平均值，這對(duì)于疊加在輸入信號(hào)上的干擾信號(hào)有很強(qiáng)的抑制能力。疊加在輸入信號(hào)上的干擾信號(hào)有很強(qiáng)的抑制能力。n最后，這種最后，這種A/D轉(zhuǎn)換器不必采用高穩(wěn)定度的時(shí)鐘源，轉(zhuǎn)換器不必采用高穩(wěn)定度的時(shí)鐘源，它只要求時(shí)鐘源在一個(gè)轉(zhuǎn)換周期（它只要求時(shí)鐘源在一個(gè)轉(zhuǎn)換周期（T1+T2）內(nèi)保持

17、穩(wěn)）內(nèi)保持穩(wěn)定即可。這種轉(zhuǎn)換器被廣泛定即可。這種轉(zhuǎn)換器被廣泛應(yīng)用于要求精度較高而轉(zhuǎn)應(yīng)用于要求精度較高而轉(zhuǎn)換速度要求不高的儀器中換速度要求不高的儀器中。 5 、 -型ADCn -ADC的基本思想是用數(shù)字化速度來(lái)?yè)Q取位數(shù)，即采用高速、低位數(shù)(通常是1位)的ADC來(lái)實(shí)現(xiàn)低速、高位數(shù)的ADC。其主要組成是-調(diào)制器及低通數(shù)字濾波器，如圖所示。 -調(diào)制器由差動(dòng)器、積分器和比較器構(gòu)成，它們一起構(gòu)成一個(gè)反饋環(huán)路。調(diào)制器以遠(yuǎn)大于奈奎斯特頻率的采樣率對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣和量化，輸出一位數(shù)字位流。數(shù)字低通濾波器完成低通濾波和抽取功能。n-調(diào)制器的特點(diǎn)在于它的噪聲整型特性。它將模擬輸入與反饋信號(hào)(誤差信號(hào))進(jìn)行差動(dòng)(d

18、elta)比較，將比較產(chǎn)生的差動(dòng)輸出饋送到積分器(sigma)中，然后將積分器的輸出饋送到比較器中。比較器的輸出同時(shí)將反饋信號(hào)(誤差信號(hào))通過(guò)一位DAC后傳送到差動(dòng)器，而自身被饋送到數(shù)字濾波器中。一種集成-型ADC原理框圖-調(diào)制器-型A/D轉(zhuǎn)換器特點(diǎn)n1、精度很高。n2、轉(zhuǎn)換速率不夠高,適于音頻采樣。n3、需設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器。6 Half-Flash模擬轉(zhuǎn)換器n將轉(zhuǎn)化比特分為高字節(jié)和低字節(jié)，以FLASH型ADC級(jí)聯(lián)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換n轉(zhuǎn)換速度處于FLASH和逐次比較型之間，減小了驅(qū)動(dòng)電流。7 各種ADC的比較n書(shū)上圖2.8n性能比較的方面 a.轉(zhuǎn)換精度 b.最大轉(zhuǎn)換速度 采樣和保持n模擬信號(hào)經(jīng)采樣后，得到一系列樣值脈沖。采樣脈沖寬度一般是很短暫的，在下一個(gè)采樣脈沖到來(lái)之前，應(yīng)暫時(shí)保持所取得的樣值脈沖