第5單元數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)

1、5.1 D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)5.2 A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)5.3 采樣保持電路采樣保持電路一、數(shù)一、數(shù)/模和模模和模/數(shù)器是模擬、數(shù)字系統(tǒng)間的橋梁數(shù)器是模擬、數(shù)字系統(tǒng)間的橋梁模模 / 數(shù)數(shù)（A / D）轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換:Analog to Digital Converter （ADC）數(shù)數(shù) / 模（模（）轉(zhuǎn)換）轉(zhuǎn)換:Digital to Analog Converter （DAC）數(shù)字計算機(jī)數(shù)字計算機(jī)模擬系統(tǒng)模擬系統(tǒng)A/DD/A二進(jìn)制二進(jìn)制線性線性存儲存儲分析分析控制控制物理物理 生物生物 化學(xué)化學(xué)加熱爐溫度檢測信號處理采樣保持A/D變換計算機(jī)控制D/A變換功率控制加熱爐加熱爐溫度溫度檢測檢測信號信

2、號處理處理采樣采樣-保持保持功率功率控制控制D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換計算機(jī)計算機(jī)控制控制A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 測溫電路是把溫度的變化轉(zhuǎn)化為微弱的電壓信號。該電壓信號測溫電路是把溫度的變化轉(zhuǎn)化為微弱的電壓信號。該電壓信號經(jīng)放大、濾波，送入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)經(jīng)放大、濾波，送入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器把電壓信號轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器把電壓信號轉(zhuǎn)換為與溫度變化相應(yīng)的數(shù)字編碼信號。然后，微處理機(jī)系統(tǒng)根據(jù)水溫為與溫度變化相應(yīng)的數(shù)字編碼信號。然后，微處理機(jī)系統(tǒng)根據(jù)水溫控制模型進(jìn)行計算，得到相應(yīng)的控制輸出數(shù)字信號。該數(shù)字信號可控制模型進(jìn)行計算，得到相應(yīng)的控制輸出數(shù)字信號。該數(shù)字信號可控制電力電子電路的電流大小，從而調(diào)整水溫高低。控制電

3、力電子電路的電流大小，從而調(diào)整水溫高低。二、二、 常見常見數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用系統(tǒng)舉例數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用系統(tǒng)舉例壓力傳感器壓力傳感器溫度傳感器溫度傳感器流量傳感器流量傳感器四四路路模模擬擬開開關(guān)關(guān)數(shù)數(shù)字字控控制制計計算算機(jī)機(jī)DAC模擬控制器模擬控制器模擬控制器模擬控制器液位傳感器液位傳感器DACDAC模擬控制器模擬控制器模擬控制器模擬控制器生生 產(chǎn)產(chǎn) 控控 制制 對對 象象DACADC三、三、A / D、D / A 轉(zhuǎn)換器的精度和速度轉(zhuǎn)換器的精度和速度精度精度保證轉(zhuǎn)換的保證轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性速度速度保證保證適時控制適時控制5.1.1 D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理轉(zhuǎn)換器的基本原理 對于有權(quán)碼，先將每

4、位代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的對于有權(quán)碼，先將每位代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后相加，即可得到與數(shù)字量成正比的總模擬量，模擬量，然后相加，即可得到與數(shù)字量成正比的總模擬量，從而實現(xiàn)數(shù)字從而實現(xiàn)數(shù)字/ /模擬轉(zhuǎn)換。模擬轉(zhuǎn)換。D/A轉(zhuǎn)換器DDD01n-1.vo輸入輸出DuO/V7654321001 010 011 100 101 110 111輸出電壓：輸出電壓：fRiv O)2(2304iiiREFfDVRR DDDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+Avoif1682R2R+V2RRI4R4IR EFI8II2R2RIRIII16225.1.2 DAC 的主要技術(shù)指標(biāo)的

5、主要技術(shù)指標(biāo)指指 D/A 轉(zhuǎn)換器模擬輸出產(chǎn)生的最小轉(zhuǎn)換器模擬輸出產(chǎn)生的最小電壓變化量與滿刻度輸出電壓之比，電壓變化量與滿刻度輸出電壓之比，也也可用輸入的位數(shù)表示。可用輸入的位數(shù)表示。ULSBUFSR=12n1分辨率分辨率=一一、分辨率分辨率（Resolution）ULSB：最小輸出電壓：最小輸出電壓ULSB：最大輸出電壓：最大輸出電壓12n5.1.2 D/A 的主要技術(shù)指標(biāo)的主要技術(shù)指標(biāo)（2）轉(zhuǎn)換速率（）轉(zhuǎn)換速率（SR）在大信號工作狀態(tài)下模擬在大信號工作狀態(tài)下模擬電壓的變化率。電壓的變化率。（1）建立時間（）建立時間（tset）當(dāng)輸入的數(shù)字量發(fā)生變化當(dāng)輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時，輸出電壓變化到相應(yīng)

6、穩(wěn)定電壓值所需時間。最時，輸出電壓變化到相應(yīng)穩(wěn)定電壓值所需時間。最短可達(dá)短可達(dá)0.1S。5.1.3 D/A轉(zhuǎn)換的輸出方式轉(zhuǎn)換的輸出方式1211RRRIUFOOFOORIU1輸出帶有正負(fù)極輸出帶有正負(fù)極性的模擬量性的模擬量REFUUU010225.1.4 常用常用D/A轉(zhuǎn)換集成電路舉例轉(zhuǎn)換集成電路舉例AD750是是CMOS 10位位D/A轉(zhuǎn)換集成電轉(zhuǎn)換集成電路路 輸出輸出U02為單極性輸為單極性輸出電壓出電壓-I01RF的的2倍再倍再把電平上移把電平上移UREF，達(dá)到，達(dá)到了雙極性輸出的效果了雙極性輸出的效果在輸入全在輸入全0時，輸出為時，輸出為+UREF在輸入全在輸入全1時，輸出為時，輸出為-

7、UREFuI(t)CADC的的量化編碼量化編碼電路電路dn-1d1d0u I(t)S模擬量模擬量數(shù)字量數(shù)字量量化編碼量化編碼取樣：取樣：把時間連續(xù)變化的信號變換為時間離散的信號。把時間連續(xù)變化的信號變換為時間離散的信號。保持：保持：保持取樣信號保持取樣信號,使有充分時間將其變?yōu)閿?shù)字信號。使有充分時間將其變?yōu)閿?shù)字信號。取樣保持取樣保持（S / H Sample / Hold）當(dāng)滿足當(dāng)滿足 fs 2 fimax 時時, 取樣信號可恢復(fù)原信號。取樣信號可恢復(fù)原信號。fs 取樣頻率。取樣頻率。 fimax 信號的最高頻率分量。信號的最高頻率分量。 tOuIfO)( fAfs fimax fimaxuI

8、 tO三、量化和編碼三、量化和編碼量化單位量化單位數(shù)字信號最低位數(shù)字信號最低位LSB所對應(yīng)的模擬信號大小，所對應(yīng)的模擬信號大小，用用 表示（即表示（即 1 ）。）。量化量化把取樣后的保持信號化為量化單位的整數(shù)倍。把取樣后的保持信號化為量化單位的整數(shù)倍。量化誤差量化誤差因模擬電壓不一定能被因模擬電壓不一定能被 整除而引起的誤差。整除而引起的誤差。編碼編碼把量化的數(shù)值用二進(jìn)制代碼表示。把量化的數(shù)值用二進(jìn)制代碼表示。劃分量化電平的兩種方法劃分量化電平的兩種方法01V1/82/83/84/85/86/87/8000001010011100101110111模擬模擬電平電平二進(jìn)制二進(jìn)制代碼代碼代表的代表

9、的模擬電平模擬電平0 = 01 = 1/82 = 2/83 = 3/84 = 4/85 = 5/86 = 6/87 = 7/ 81V1/153/155/157/159/15 11/15 13/150000010100111001011101110模擬模擬電平電平二進(jìn)制二進(jìn)制代碼代碼代表的代表的模擬電平模擬電平0 = 01 = 2/152 = 4/153 = 6/154 =8/155 = 10/156 = 12/157 =14/15最大量化誤差最大量化誤差 = = (1 / 8) V = / 2 = (1/15)V量化誤差量化誤差 &5.2.1 并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器R

10、/2RRRRRRR /2UREFuI比較器比較器1D1D1D1D1D1D1DCP寄存器寄存器d2d1d0編碼器編碼器REF151UREF153UREF155UREF1513UREF157UREF159UREF1511UuIuIuIuIuIuIuI 并行比較型并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器真值表轉(zhuǎn)換器真值表輸入模擬電壓輸入模擬電壓寄存器狀態(tài)寄存器狀態(tài)數(shù)字量輸出數(shù)字量輸出D2 D1 D0Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1（01/15）VREF（ 1/15 3/15）VREF（ 3/15 5/15）VREF（ 5/15 7/15）VREF（ 7/15 9/15）VREF（ 9/15 11/15）VRE

11、F（ 11/15 13/15）VREF（ 13/15 1）VREF0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 1 10 0 0 0 1 1 10 0 0 1 1 1 10 0 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 10 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1U1（V）比較器輸出比較器輸出C2、C1、C0譯碼器輸出譯碼器輸出D1、D00Ui0.5000000.5Ui1.5001011.5Ui2.5011102.5Ui3111115.2.2 雙積分型雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換思路：轉(zhuǎn)換思路：模擬

12、輸入模擬輸入 uI t t 控制計數(shù)控制計數(shù) CP 個數(shù)個數(shù)輸出二進(jìn)制數(shù)輸出二進(jìn)制數(shù) 一、電路組成一、電路組成CO 00 000 101 001 110 010 111 1100 000 101 101每進(jìn)行完一次每進(jìn)行完一次 2n 進(jìn)制計數(shù)，定時器置進(jìn)制計數(shù)，定時器置 1， S1 合向合向基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓電容電容 C 放電放電S2CS1uI邏輯邏輯控制門控制門C定時器定時器n 位二進(jìn)制位二進(jìn)制計數(shù)器計數(shù)器&dn1d0uCP基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓 逐次比較型逐次比較型 雙積分型雙積分型優(yōu)點優(yōu)點缺點缺點并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型轉(zhuǎn)換速度高（幾十轉(zhuǎn)換速度高（幾十ns) 轉(zhuǎn)換精度差轉(zhuǎn)換精度差逐次比較型逐

13、次比較型分辨率高、誤差低分辨率高、誤差低轉(zhuǎn)換速度較快轉(zhuǎn)換速度較快(幾十幾十us)雙積分型雙積分型性能穩(wěn)定性能穩(wěn)定轉(zhuǎn)換精度高轉(zhuǎn)換精度高抗干擾能力強(qiáng)抗干擾能力強(qiáng)轉(zhuǎn)換速度低轉(zhuǎn)換速度低(幾十幾十ms）利用電容器來利用電容器來存儲模擬量存儲模擬量 為了減小測量電路對被測電路的影響，要求電為了減小測量電路對被測電路的影響，要求電路的輸入電阻為極大，又為了采樣迅速，要求路的輸入電阻為極大，又為了采樣迅速，要求N1的的輸出電阻為極小。同時，為了電容器電壓在保持階輸出電阻為極小。同時，為了電容器電壓在保持階段不下降，要求運放段不下降，要求運放N2的輸入電阻為極大，電容器的輸入電阻為極大，電容器本身的漏電為極小。

14、本身的漏電為極小。采樣保持集成電路舉例采樣保持集成電路舉例IF398采樣保持電路采樣保持電路L=1，采樣，采樣L=0，保持，保持一、一、D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器1. 功能：功能：將輸入的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成與之成正比將輸入的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成與之成正比的模擬電量。的模擬電量。2. 種類：種類：權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、R - 2R T 形電阻網(wǎng)絡(luò)和形電阻網(wǎng)絡(luò)和 R - 2R 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。實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換有多種方式，常用的是實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換有多種方式，常用的是電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò) D/A 轉(zhuǎn)換器，包括轉(zhuǎn)換器，包括 其中以其中以 R - 2R 倒倒 T 形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò) D/A

15、 轉(zhuǎn)換器為重點作了詳轉(zhuǎn)換器為重點作了詳細(xì)介紹，它的特點是速度快、性能好，適合于集成工藝制造，細(xì)介紹，它的特點是速度快、性能好，適合于集成工藝制造，因而被廣泛采用。因而被廣泛采用。3. 分辨率和轉(zhuǎn)換精度：分辨率和轉(zhuǎn)換精度： 與與 D/A 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換器的位數(shù)位數(shù)有關(guān)，位數(shù)越多，分辨率和精度越高。有關(guān)，位數(shù)越多，分辨率和精度越高。二、二、A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器1. 功功 能：能： 將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與之成正比將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與之成正比的二進(jìn)制數(shù)。的二進(jìn)制數(shù)。2. 轉(zhuǎn)換過程：轉(zhuǎn)換過程： 采樣、保持、量化、編碼。采樣、保持、量化、編碼。采樣采樣 保持保持電路電路A / D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器采樣采樣 - 保持電路：保持電路： 對輸入模擬信號抽取樣值，并展寬（保持）。對輸入模擬信號抽取樣值，并展寬（保持）。采樣時必須滿足采樣定理，即采樣時必須滿足采樣定理，即 fs 2 fImax 。量化量化 對樣值脈沖進(jìn)行分級。對樣值脈沖進(jìn)行分級。編碼編碼 將分級后的信號轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制代碼。將分級后的信號轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制代碼。A / D 轉(zhuǎn)換器：轉(zhuǎn)換器：二、二、A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器3. 種類：種類：直接轉(zhuǎn)換型和間接轉(zhuǎn)換型。直接轉(zhuǎn)換型和間接轉(zhuǎn)換型。直接轉(zhuǎn)換型直接轉(zhuǎn)換型 并聯(lián)比較型（速度快、精度