第十一章 數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器

1、第一節(jié) 數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器1第一節(jié) 數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器2一、 概述A/DA/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 D/AD/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(duì)象工業(yè)生產(chǎn)過程控制對(duì)象 模模 擬擬 傳感器傳感器 ADC和和DAC已成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中不可缺少的接口電路。已成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中不可缺少的接口電路。將溫度、壓力、流將溫度、壓力、流量、應(yīng)力等物理量量、應(yīng)力等物理量轉(zhuǎn)換為模擬電量。轉(zhuǎn)換為模擬電量。計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字處計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字處理（如計(jì)算、濾理（如計(jì)算、濾波）、保存等波）、保存等用模擬量作為用模擬量作為控制信號(hào)控制信號(hào)數(shù)字控制數(shù)字控制 計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)第一節(jié) 數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器3模擬電路與數(shù)字電路的模

2、擬電路與數(shù)字電路的接口模數(shù)（數(shù)模）轉(zhuǎn)換電路。接口模數(shù)（數(shù)模）轉(zhuǎn)換電路。Analog to digital converterEncoderMp3(wma)CD romMemory模擬電路模擬電路模數(shù)混合電路模數(shù)混合電路 數(shù)字電路數(shù)字電路處理模擬信號(hào)的處理模擬信號(hào)的模擬電路。模擬電路。第一節(jié) 數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器4第一節(jié) 數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器5第一節(jié) 數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器6將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為與之成正比模擬量將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為與之成正比模擬量 。n n位位數(shù)字量數(shù)字量DAC二、二、D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器模擬量模擬量1. D/A1. D/A轉(zhuǎn)換器輸入轉(zhuǎn)換器輸入/ /輸出特性輸出特性A = K D O = K NB n D/

3、A轉(zhuǎn)換器的輸入轉(zhuǎn)換器的輸入/輸出特性及其結(jié)構(gòu)框圖輸出特性及其結(jié)構(gòu)框圖第一節(jié) 數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器7數(shù)字量與轉(zhuǎn)換后的模擬量之間存在誤差數(shù)字量與轉(zhuǎn)換后的模擬量之間存在誤差 。1. D/A1. D/A轉(zhuǎn)換器輸入轉(zhuǎn)換器輸入/ /輸出特性輸出特性 7 6 5 4 3 2 1 000 001 010 011 100 101 110 111 0 D O/（LSB） VLSB D/A 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器的的輸輸出出 理理想想模模擬擬量量的的輸輸出出 第一節(jié) 數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器82. 2. D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)框圖轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)框圖 數(shù)數(shù)碼碼 寄寄存存器器 n n位位模模擬擬開開關(guān)關(guān) 解解碼碼 網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò) 求求和和 電電路路 基

4、基準(zhǔn)準(zhǔn)電電壓壓 n 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 DAC的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可以并行輸入也可串行輸入的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可以并行輸入也可串行輸入用存放在數(shù)用存放在數(shù)字寄存器中的字寄存器中的數(shù)字量的各位數(shù)字量的各位數(shù)碼數(shù)碼由輸入數(shù)字由輸入數(shù)字量控制量控制產(chǎn)生權(quán)電流產(chǎn)生權(quán)電流將權(quán)電流相將權(quán)電流相加產(chǎn)生與輸入加產(chǎn)生與輸入成正比的模擬成正比的模擬電壓電壓第一節(jié) 數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器9D/A轉(zhuǎn)換器的分類轉(zhuǎn)換器的分類:按解碼網(wǎng)絡(luò)按解碼網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分類結(jié)構(gòu)分類 T型電阻網(wǎng)絡(luò)型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC倒倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC權(quán)電流權(quán)電流DAC 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC 按模擬電子開按模擬電子開關(guān)電路分類關(guān)電路分類

5、CMOS開關(guān)型開關(guān)型DAC雙極型開關(guān)型雙極型開關(guān)型DAC 電流開關(guān)型電流開關(guān)型DAC ECL電流開關(guān)型電流開關(guān)型DAC D/A 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器第一節(jié) 數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器10 數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合而成的，數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合而成的， 對(duì)于有權(quán)碼，每位代對(duì)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)換成碼都有一定的權(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，相應(yīng)的模擬量， 然后，將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字然后，將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字量成正比的模擬量，量成正比的模擬量， 從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字量從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字量-模擬量的轉(zhuǎn)換。模擬量的轉(zhuǎn)換。實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的基

6、本思想轉(zhuǎn)換的基本思想 NDb424b323b222b121b020 124123022021120將二進(jìn)制數(shù)將二進(jìn)制數(shù)ND(11001)B轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。第一節(jié) 數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器113REF3dRVI ）時(shí)時(shí)，時(shí)時(shí)001(33REF33 IdRVId2REF22dRVI 12REF12dRVI 03REF02dRVI 二、權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器oFF0123()vR iRIIII OvA0S1S2S3S0I1I2I3I0d1d2d3d(LSB)(MSB)VViF(/2)R RRR2R22R32REFV第一節(jié) 數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器12OFF3210()vR iR IIII ）（001

7、122334REFO22222ddddVv nREF00112211nREFO222222DVddddVvnnnnn ）（3REF3dRVI 2REF22dRVI 12REF12dRVI 03REF02dRVI 取取RF = R/2 ，得，得對(duì)對(duì)n位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器取轉(zhuǎn)換器取RF = R/2 ，得，得第一節(jié) 數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器13A0S1S2S3S0I1I2I3I0d1d2d3dREFV(LSB)(MSB)VVOviF(/2)R RRR2R22R32第一節(jié) 數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器14 vO Rf +VREF 2R D0 D1 D2 D3 S0 S1 S2 S3 i 2R 2R 2R

8、(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(yùn)算放大器反相端，電流接運(yùn)算放大器反相端，電流Ii流入求和電路流入求和電路 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(yùn)算放大器求和運(yùn)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(yùn)放線性運(yùn)用時(shí)虛地的概念可知，無論模擬開關(guān)根據(jù)運(yùn)放線性運(yùn)用時(shí)虛地的概念可知，無論模擬開關(guān)Si處于處于何種位置，與何種位置，與Si相連的相連的2R電阻將接電阻將接“地地” 或虛地或虛地。 1、4位倒位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)D/

9、A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓 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(yùn)算放大器求和運(yùn)算放大器三. 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器第一節(jié) 數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器15D/A轉(zhuǎn)換器的倒轉(zhuǎn)換器的倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)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 VREF I A B C D A B C D RVIREF I/4I/8I/16RRRRI/2I/4I/8I/16I/2I3I2I1I0流入每個(gè)流入每個(gè)2R電阻的電流從高位到低位按電阻的電流從

10、高位到低位按2的整數(shù)倍遞減。的整數(shù)倍遞減。I3= VREF / 2RI2= VREF / 4RI1= VREF / 8R I0= VREF /16 R第一節(jié) 數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器16流入運(yùn)放的總電流：流入運(yùn)放的總電流： i I0 + I1 + I2 + I3)2222(13223140REFDDDDRV輸出模擬電壓：輸出模擬電壓： 1n0iifnREFO)2(2iDRRV30ii4REFffO)2(2iDVRRRi (LSB) D2 D3 (MSB) i Rf O D0 D1 S0 S1 S2 S3 2R 2R 2R 2R 2R 8I 16I 4I 2I R R R I +VREF + 8I 16

11、I 4I 2I 第一節(jié) 數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器174 4 位倒位倒T T形電阻形電阻網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)DAC的輸出模擬電壓：的輸出模擬電壓： Ofi R 3ifREFi40(2 )2iRVDR n 位倒位倒T 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 在電路中輸入的每一個(gè)在電路中輸入的每一個(gè)二進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制數(shù)NB，均能得到與之成正比的，均能得到與之成正比的模擬電壓輸出。模擬電壓輸出。 第一節(jié) 數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器18AD7533D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 D2 D7 O D0 D1 2R 2R 2R

12、2R R R D8 D9 R R R 2R 2R 2R + R IOUT1 IOUT2 VREF AD7533 RF 10K 10K 20K 使用使用:1):1)要外接運(yùn)放，要外接運(yùn)放， 2)2)運(yùn)放的反饋電阻可使用內(nèi)部電阻運(yùn)放的反饋電阻可使用內(nèi)部電阻 ， 也可采用外接電阻也可采用外接電阻）2.2.集成集成D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器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 9iREFfOi100(2 )2iVRDR 第一節(jié) 數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器19Di =1時(shí)，開關(guān)時(shí)，開關(guān)S Si i接運(yùn)放的反相端接運(yùn)放的反相端; ; Di= 0時(shí)，開關(guān)時(shí)，開關(guān)S Si i接地接地。 四 權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換

13、器 (LSB) D2 D3 (MSB) i Rf O D0 D1 S0 S1 S2 S3 8I 16I 4I 2I VREF + 4位權(quán)電流位權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器第一節(jié) 數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器20在恒流源電路中，各支路權(quán)電流的大小均不受開關(guān)導(dǎo)通電阻和壓在恒流源電路中，各支路權(quán)電流的大小均不受開關(guān)導(dǎo)通電阻和壓降的影響，這樣降低了對(duì)開關(guān)電路的要求，提高了轉(zhuǎn)換精度。降的影響，這樣降低了對(duì)開關(guān)電路的要求，提高了轉(zhuǎn)換精度。)16842(0123ffODIDIDIDIRRi)2222(200112233f4DDDDRI30if422iiDRI (LSB) D2 D3 (MSB) i Rf O D0 D1 S

14、0 S1 S2 S3 8I 16I 4I 2I VREF + 第一節(jié) 數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器212.2.實(shí)際的權(quán)電流實(shí)際的權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器電路轉(zhuǎn)換器電路REF32O32401110(222)22ffR Vi RDDRDD電壓恒定電壓恒定各各BJT的的 發(fā)射發(fā)射結(jié)電壓相等結(jié)電壓相等基準(zhǔn)電流產(chǎn)生電路基準(zhǔn)電流產(chǎn)生電路 (MSB) D1 D0 (LSB) i Rf O D3 D2 S3 S2 S1 S0 8I 16I 4I 2I VREF + A1 R1 + A2 IBB IEC IEO IE1 IE2 IE3 IREF Tr T3 T2 T1 T0 TC R 2R 2R 2R 2R 2R R R R V

15、EE I = IREF =1RREFV 偏偏 置置 電電 流流 16I + + +- -第一節(jié) 數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器22 256255REFV 256129REFV 256128REFV 256127REFV 2561REFV 2560REFV8位位D/A轉(zhuǎn)換器在單極性輸出時(shí)的輸入轉(zhuǎn)換器在單極性輸出時(shí)的輸入/輸出關(guān)系輸出關(guān)系000000001000000011111110000000011000000111111111模擬量模擬量 數(shù)字量數(shù)字量MSB LSB第一節(jié) 數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器23常用雙極性編碼十十進(jìn)進(jìn)制制數(shù)數(shù)2的補(bǔ)碼的補(bǔ)碼偏移二進(jìn)制碼偏移二進(jìn)制碼模模擬擬量量D7D6D5D4D3D2D1D0D

16、7D6D5D4D3D2D1D0 0/VLSB12701111111111111111271260111111011111110126 100000001100000011000000000100000000-11111111101111111-1 -1271000000100000001-127-1281000000000000000-128 *表中VLSB=VREF/256第一節(jié) 數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器24 25622221BREFREFREF8REFBREF1ONVVVVNV )( D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 2R1 O VREF R=Rf R1 R1 + + A1 A2 N

17、B 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 第一節(jié) 數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器25五. D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度在在D/A轉(zhuǎn)換器中常用轉(zhuǎn)換器中常用分辨率分辨率和和轉(zhuǎn)換誤差轉(zhuǎn)換誤差來描述來描述轉(zhuǎn)換精度。轉(zhuǎn)換精度。用輸入二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)給出。用輸入二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)給出。用用D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器能夠分辨出的最能夠分辨出的最小電壓與最大電壓之比給出。小電壓與最大電壓之比給出。第一節(jié) 數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器26分辨率：其定義為分辨率：其定義為D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級(jí)數(shù)。分離的等級(jí)數(shù)。n位位DAC最多有最多有2n個(gè)模擬輸出電壓。個(gè)模擬輸出電壓。

18、位數(shù)越多位數(shù)越多D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率越高。轉(zhuǎn)換器的分辨率越高。 分辨率也可以用能分辨的最小輸出電壓與最大輸出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。電壓之比給出。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121n1、分辨率、分辨率第一節(jié) 數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器272、轉(zhuǎn)換精度：、轉(zhuǎn)換精度：o 轉(zhuǎn)換精度是指對(duì)給定的數(shù)字量，轉(zhuǎn)換精度是指對(duì)給定的數(shù)字量，D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際值與轉(zhuǎn)換器實(shí)際值與理論值之間的最大偏差。理論值之間的最大偏差。o 產(chǎn)生原因：由于產(chǎn)生原因：由于D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器中各元件參數(shù)值存在誤中各元件參數(shù)值存在誤差，如基準(zhǔn)電壓不夠穩(wěn)定或運(yùn)算放大器的零漂等各差，如基準(zhǔn)電

19、壓不夠穩(wěn)定或運(yùn)算放大器的零漂等各種因素的影響。種因素的影響。o 幾種轉(zhuǎn)換誤差：有如比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差和非線幾種轉(zhuǎn)換誤差：有如比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差和非線性誤差等性誤差等第一節(jié) 數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器28實(shí)際實(shí)際D/A轉(zhuǎn)換特性和理想轉(zhuǎn)換特性和理想D/A轉(zhuǎn)換特性間的最大偏差。轉(zhuǎn)換特性間的最大偏差。一般用最低有效位的倍數(shù)表示。一般用最低有效位的倍數(shù)表示。也可用輸出電壓滿刻度也可用輸出電壓滿刻度FSR的百分?jǐn)?shù)。的百分?jǐn)?shù)。表示輸出電壓誤差絕對(duì)值的大小。表示輸出電壓誤差絕對(duì)值的大小。REF0011223341o)2222(21Vddddv 如果如果VREF偏離標(biāo)準(zhǔn)值偏離標(biāo)準(zhǔn)值 VREF ，則4位倒位倒T形電

20、阻網(wǎng)形電阻網(wǎng)絡(luò)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓誤差為：轉(zhuǎn)換器的輸出電壓誤差為：第一節(jié) 數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器29通常用建立時(shí)間通常用建立時(shí)間tset來定量描述來定量描述D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。tset1LSB2voto穩(wěn)態(tài)值穩(wěn)態(tài)值第一節(jié)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器30第一節(jié)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器31概述概述 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(duì)應(yīng)的數(shù)字量。能將模擬電壓成正比地轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。1. A/D轉(zhuǎn)換器功能轉(zhuǎn)換器功能第一節(jié)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器322. 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(diǎn)特點(diǎn): 轉(zhuǎn)換速度快轉(zhuǎn)換速度快,轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)

21、間 10ns 1 s, 但電路復(fù)雜。但電路復(fù)雜。 逐次逼近型逐次逼近型 特點(diǎn)特點(diǎn): 轉(zhuǎn)換速度適中轉(zhuǎn)換速度適中,轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間 為幾為幾 s 100 s, 轉(zhuǎn)換精度高，在轉(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(gè)很好的平衡轉(zhuǎn)換速度和硬件復(fù)雜度之間達(dá)到一個(gè)很好的平衡。 雙積分型雙積分型 特點(diǎn)特點(diǎn): 轉(zhuǎn)換速度慢轉(zhuǎn)換速度慢,轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間 幾百幾百 s 幾幾ms,但抗干擾能力最強(qiáng)。但抗干擾能力最強(qiáng)。第一節(jié)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器33取取樣樣時(shí)間上離散的信號(hào)時(shí)間上離散的信號(hào)保持、量化保持、量化量值上也離散的信號(hào)量值上也離散的信號(hào)編碼編碼模擬信號(hào)模擬信號(hào)時(shí)間上和量值上都連續(xù)時(shí)間上和量值上都連續(xù)數(shù)字信號(hào)數(shù)字

22、信號(hào)時(shí)間上和量值上都離散時(shí)間上和量值上都離散A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程轉(zhuǎn)換的一般工作過程 A/D轉(zhuǎn)換器一般要包括轉(zhuǎn)換器一般要包括取樣，取樣， 保持，量化及編碼保持，量化及編碼4個(gè)過程個(gè)過程。第一節(jié)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器341. 取樣與保持取樣與保持 采樣是將隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬采樣是將隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為在時(shí)間離散的模擬量量轉(zhuǎn)換為在時(shí)間離散的模擬量。 采樣信號(hào)采樣信號(hào)S(t)的頻率愈高，所采的頻率愈高，所采得信號(hào)經(jīng)低通濾波器后愈能真實(shí)得信號(hào)經(jīng)低通濾波器后愈能真實(shí)地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)。合理的采樣頻地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)。合理的采樣頻率由采樣定理確定率由采樣定理確定。 采樣定理：設(shè)采樣信號(hào)采樣定理：設(shè)采樣信號(hào)S

23、(t)的頻的頻率為率為fs，輸入模擬信號(hào)，輸入模擬信號(hào) 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 fs 2fimaxS(t)=1:開關(guān)閉合開關(guān)閉合S(t)=0:開關(guān)斷開開關(guān)斷開 O(t) I(t) TG S(t) 0 0 0 O (t) S(t) I (t) t t t TS 第一節(jié)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器35 I t O t t6 t5 t4 t3 t2 t1 t0 0 (b) 波形圖 采得模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)都需要一定時(shí)間，為了給后續(xù)的量采得模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)都需要一定時(shí)間，為了給后續(xù)的量化編碼過程提供一個(gè)穩(wěn)定的值，在取樣電路后要求將所采樣的模化編碼過程提供一個(gè)穩(wěn)

24、定的值，在取樣電路后要求將所采樣的模擬信號(hào)保持一段時(shí)間。擬信號(hào)保持一段時(shí)間。采樣采樣保持保持取樣與保持取樣與保持電路及工作原理電路及工作原理 I A1 A2 S CH 開開關(guān)關(guān)驅(qū)驅(qū) 動(dòng)動(dòng)電電路路 采采樣樣保保持持 控控制制電電路路 O 第一節(jié)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器362. 量化與編碼量化與編碼 數(shù)字信號(hào)在數(shù)值上是離散的。采樣數(shù)字信號(hào)在數(shù)值上是離散的。采樣保持電路的輸出電壓保持電路的輸出電壓還需按某種近似方式歸化到與之相應(yīng)的離散電平上，任何還需按某種近似方式歸化到與之相應(yīng)的離散電平上，任何數(shù)字量只能是某個(gè)最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。數(shù)字量只能是某個(gè)最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。 量化后的數(shù)值最后還需通過編碼過程用一

25、個(gè)代碼表示出量化后的數(shù)值最后還需通過編碼過程用一個(gè)代碼表示出來。經(jīng)編碼后得到的代碼就是來。經(jīng)編碼后得到的代碼就是A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量。轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量。 量化量化編碼編碼第一節(jié)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器37 在量化過程中由于所采樣電壓不一定能被在量化過程中由于所采樣電壓不一定能被 整除，所以量化整除，所以量化前后一定存在誤差，此誤差我們稱之為量化誤差，用前后一定存在誤差，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/D轉(zhuǎn)換器的位轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越數(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

26、誤差越小。 兩種近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量?jī)煞N近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式?；绞?。 3.量化誤差：量化前的電壓與量化后的電壓差量化誤差：量化前的電壓與量化后的電壓差4.量化方式量化方式第一節(jié)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器38LSB1max V8701V86V85V84V83V82V811111101011000110100010000=0 v7=7/8 v6=6/8 v5=5/8 v4=4/8 v3=3/8 v2=2/8 v1=1/8 v輸入信號(hào)輸入信號(hào) 編碼編碼量化后量化后電壓電壓a ) 只舍不入量化方式只舍不入量化方式:量化中把不足一個(gè)量化單位的部分舍棄；量化中

27、把不足一個(gè)量化單位的部分舍棄；對(duì)于等于或大于一個(gè)量化單位部分按一個(gè)量化單位處理。對(duì)于等于或大于一個(gè)量化單位部分按一個(gè)量化單位處理。最大量化誤差為：最大量化誤差為：最小量化單位最小量化單位1/8V=1LSB= 1/8 V例：將例：將01V電壓轉(zhuǎn)換為電壓轉(zhuǎn)換為3位二進(jìn)制代碼位二進(jìn)制代碼第一節(jié)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器39b )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(gè)量化單位部分舍棄，量化過程將不足半個(gè)量化單位部分舍棄，對(duì)于等于或大于半個(gè)量化單位部分按一個(gè)量化單位處理。對(duì)于等于或大于半個(gè)量化單位部分按一個(gè)量化單位處理。最大量化誤差為：最大量化誤差為：最小量化單位：最小量化單位：0111111010

28、11000110100010000=0 v7=14/15 v6=12/15 v5=10/15 v4=8/15 v3=6/15 v2=4/15v1=2/15 v輸入信號(hào)輸入信號(hào)編碼編碼模擬模擬電平電平V1513V1511V159V157V155V153V1512LSBmax =1LSB= 2/15 V2LSBmax 1/15V例：將例：將01V電壓轉(zhuǎn)換為電壓轉(zhuǎn)換為3位二進(jìn)制代碼位二進(jìn)制代碼第一節(jié)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器402 并行比較型并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 R I VREF VREF 13 15 R CP VREF 11 15 R R R VREF 3 15 VREF 1 15 R R R/2

29、+ C1 + 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 電壓比較器電壓比較器輸入模擬輸入模擬電壓電壓精密電阻精密電阻網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)精密參考精密參考電壓電壓VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15輸出數(shù)輸出數(shù)字量字量1、電路組成、電路組成第一節(jié)模擬

30、-數(shù)字轉(zhuǎn)換器41 R I VR E F R C P R R R R R R /2 + C1 + C2 + C3 + C4 + C5 + C6 + C7 C0 1 C0 2 C0 3 C0 4 C0 5 C0 6 C0 7 1 D C 1 Q I1 1 D C 1 Q I2 1 D C 1 Q I3 1D C 1 Q I4 1D C 1 Q I5 1D C 1 Q I6 1D C 1 Q I7 D0 D1 D2 優(yōu)優(yōu)先先編編碼碼器器 (L S B )D0 (M S B)0 VI=8VREF/151111000001第一節(jié)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器42 vI CO1 CO2 CO3 CO4 CO5 CO6

31、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 15VREF/15 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 VREF/15 vI 3VREF/15 0 0 0 0 0 0 1 0 0

32、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)器存觸發(fā)器存儲(chǔ)，經(jīng)優(yōu)先編碼器編碼，得到數(shù)字量輸出。儲(chǔ)，經(jīng)優(yōu)先編碼器編碼，得到數(shù)字量輸出。 第一節(jié)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器432、電路特點(diǎn)：、電路特點(diǎn)：在并行在并行A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入電壓轉(zhuǎn)換器中，輸入電壓 I同時(shí)加到所有比較器的輸同時(shí)加到所有比較器的輸入端。如不考慮各器件的延遲，可認(rèn)為三位數(shù)字量是與入端。如不考慮各器件的延遲，可認(rèn)為三位數(shù)字量

33、是與 I輸輸入時(shí)刻同時(shí)獲得的。所以它的轉(zhuǎn)換時(shí)間最短。入時(shí)刻同時(shí)獲得的。所以它的轉(zhuǎn)換時(shí)間最短。 缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，如三位缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，如三位ADC需需7個(gè)比較器、個(gè)比較器、7個(gè)觸發(fā)器、個(gè)觸發(fā)器、8個(gè)電阻。位數(shù)越多，電路越復(fù)雜。個(gè)電阻。位數(shù)越多，電路越復(fù)雜。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(jí)并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(jí)并行轉(zhuǎn)換的方法。行轉(zhuǎn)換的方法。 單片集成并行比較型單片集成并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的產(chǎn)品很多，如轉(zhuǎn)換器的產(chǎn)品很多，如AD公司的公司的AD9012 (TTL工藝工藝8位位)、AD9002 (ECL工藝，工藝，8位位)、AD9020 (TTL工藝，工

34、藝，10位位)等。等。 第一節(jié)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器44所加砝碼所加砝碼重量重量 結(jié)果結(jié)果 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 。第一次第一次8 克克砝碼總重砝碼總重 待測(cè)重量待測(cè)重量Wx ， 2克砝碼撤除克砝碼撤除12 克克第四次第四次再加再加1克克砝碼總重砝碼總重 待測(cè)重量待測(cè)重量Wx ， 1克砝碼保留克砝碼保留13 克克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?？?。第一節(jié)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器45 轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理 I 啟動(dòng)脈沖啟動(dòng)脈沖 CP 時(shí)鐘時(shí)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 1 0 0 0 1 0 0 0 5V I 5V 1 A=6.84VVREF=10V第一個(gè)第一個(gè)CP：第一節(jié)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器46 轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理 第二個(gè)第二個(gè)CP： I 啟動(dòng)脈沖啟動(dòng)脈沖 CP 時(shí)鐘時(shí)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