第5章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換

1、第第第第第第5 5 5章章章章章章 數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換學(xué)習(xí)要點(diǎn)：學(xué)習(xí)要點(diǎn)： 數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換的基本原理第第第第第第5 5 5章章章章章章 數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換5.1 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(jiǎn)稱A/D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)換器，簡(jiǎn)稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC。ADC和DAC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。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

2、器溫度傳感器信號(hào)放大信號(hào)放大多路開(kāi)關(guān)5.2 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器5.2.1 D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理轉(zhuǎn)換器的基本原理1D/A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)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，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(00112211oddddKunnnnu76543210000 001 010 011 100 101 110 111uo(V)DD/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性，是指其輸出模擬量和輸入數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。圖示是輸入為3位二進(jìn)制數(shù)時(shí)的D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性。

3、理想的D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性，應(yīng)是輸出模擬量與輸入數(shù)字量成正比。即：輸出模擬電壓 uo=KuD或輸出模擬電流io=KiD。其中Ku或Ki為電壓或電流轉(zhuǎn)換比例系數(shù)，D為輸入二進(jìn)制數(shù)所代表的十進(jìn)制數(shù)。如果輸入為n位二進(jìn)制數(shù)dn-1dn-2d1d0，則輸出模擬電壓為：)2222(00112211oddddKunnnnu2D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)（1）分辨率分辨率用輸入二進(jìn)制數(shù)的有效位數(shù)表示。在分辨率為n位的D/A轉(zhuǎn)換器中，輸出電壓能區(qū)分2n個(gè)不同的輸入二進(jìn)制代碼狀態(tài)，能給出2n個(gè)不同等級(jí)的輸出模擬電壓。分辨率也可以用D/A轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓的比值來(lái)表示。10位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為

4、：（2）轉(zhuǎn)換精度D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是指輸出模擬電壓的實(shí)際值與理想值之差，即最大靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。（3）輸出建立時(shí)間從輸入數(shù)字信號(hào)起，到輸出電壓或電流到達(dá)穩(wěn)定值時(shí)所需要的時(shí)間，稱為輸出建立時(shí)間。001. 010231121105.2.2 D/A轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成1二進(jìn)制權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò) D/A轉(zhuǎn)換器R2R4R8RRFI1I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo+RVIRVIRVIRVIREFREFREFREF3210 2 4 8不論模擬開(kāi)關(guān)接到運(yùn)算放大器的反相輸入端（虛地）還是接到地，也就是不論輸入數(shù)字信號(hào)是1還是0，各支路的電流不變的。R2R4R8RRFI1I0

5、I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo+)2222(2248001122333321033221100ddddRVdRVdRVdRVdRVdIdIdIdIiREFREFREFREFREF)2222(22001122334oddddViRiRuREFFF設(shè)RF=R/22倒 T 型電阻網(wǎng)絡(luò) D/A轉(zhuǎn)換器RRR2R2R2R2R2RRFI1I1I2I3I0I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo+BCDA分別從虛線A、B、C、D處向右看的二端網(wǎng)絡(luò)等效電阻都是R。不論模擬開(kāi)關(guān)接到運(yùn)算放大器的反相輸入端（虛地）還是接到地，也就是不論輸入數(shù)字信號(hào)

6、是1還是0，各支路的電流不變。從參考電壓端輸入的電流為：RVIREFREFRVIIRVIIRVIIRVIIREFREFREFREFREFREFREFREF16161 881441 2210123RRR2R2R2R2R2RRFI1I1I2I3I0I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo+BCDARVIREFREF)2222(2)214181161(001122334321033221100ddddRVRVdddddIdIdIdIiREFREF)2222(2001122334oddddRRViRiRuFREFFFFRRR2R2R2R2R2RRFI1I1I2I3I0I

7、0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo+BCDA5.2.3 集成集成D/A轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用+VREF(+5V)VEE(-5V)1162153144135126117108 9DAC0808NCGNDVEEIoD7D6D5D4COPVREF(-)VREF(+)VCCD0D1D2D35 13 1467 1589 21011 412 3 16DAC0808VCC(+5V)2.4k2.4k0.1FIoRLD0D1D2D3D4D5D6D7(a) 引腳排列圖(b) D/A 轉(zhuǎn)換電路本節(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

8、信號(hào)轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)輸出。號(hào)轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)輸出。D/A轉(zhuǎn)換器根轉(zhuǎn)換器根據(jù)工作原理基本上可分為二進(jìn)制權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)據(jù)工作原理基本上可分為二進(jìn)制權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器和轉(zhuǎn)換器和T型電阻網(wǎng)絡(luò)型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器兩大類。由于轉(zhuǎn)換器兩大類。由于T型電阻網(wǎng)絡(luò)型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器只要求兩種阻值的電阻，轉(zhuǎn)換器只要求兩種阻值的電阻，因此最適合于集成工藝，集成因此最適合于集成工藝，集成D/A轉(zhuǎn)換器普遍采轉(zhuǎn)換器普遍采用這種電路結(jié)構(gòu)。用這種電路結(jié)構(gòu)。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：)2222(200112211oddddVunnnnnR

9、EF5.3 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器5.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理轉(zhuǎn)換器的基本原理1A/D 轉(zhuǎn)換器的基本原理dn-1d1d0數(shù)字量輸出(n位)ADC的數(shù)字化編碼電路 CPS SCADC采樣-保持電路采樣展寬信號(hào)輸入模擬電壓ui(t)us(t)模擬電子開(kāi)關(guān)S在采樣脈沖CPS的控制下重復(fù)接通、斷開(kāi)的過(guò)程。S接通時(shí)，ui(t)對(duì)C充電，為采樣過(guò)程；S斷開(kāi)時(shí)，C上的電壓保持不變，為保持過(guò)程。在保持過(guò)程中，采樣的模擬電壓經(jīng)數(shù)字化編碼電路轉(zhuǎn)換成一組n位的二進(jìn)制數(shù)輸出。2采樣-保持電路+uiuoCHSA1A2uCuo, uiuoui0(a) 電路圖(b) 波形圖 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7

10、 t8 t9 t10 t11t采樣脈沖（fS）開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路t0時(shí)刻S閉合，CH被迅速充電，電路處于采樣階段。由于兩個(gè)放大器的增益都為1，因此這一階段uo跟隨ui變化，即uoui。t1時(shí)刻采樣階段結(jié)束，S斷開(kāi)，電路處于保持階段。若A2的輸入阻抗為無(wú)窮大，S為理想開(kāi)關(guān)，則CH沒(méi)有放電回路，兩端保持充電時(shí)的最終電壓值不變，從而保證電路輸出端的電壓uo維持不變。采樣定理：max2isff3A/D 轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)（1）分辨率A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率用輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示，位數(shù)越多，誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高。例如，輸入模擬電壓的變化范圍為05V，輸出8位二進(jìn)制數(shù)可以分辨的最小模擬電壓為5V2820mV；

11、而輸出12位二進(jìn)制數(shù)可以分辨的最小模擬電壓為5V2121.22mV。（2）相對(duì)精度在理想情況下，所有的轉(zhuǎn)換點(diǎn)應(yīng)當(dāng)在一條直線上。相對(duì)精度是指實(shí)際的各個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)偏離理想特性的誤差。（3）轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度是指完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間是指從接到轉(zhuǎn)換控制信號(hào)開(kāi)始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字輸出信號(hào)所經(jīng)過(guò)的這段時(shí)間。0uiVREF/14時(shí)，7個(gè)比較器輸出全為0，CP到來(lái)后，7個(gè)觸發(fā)器都置0。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進(jìn)制代碼為d2d1d0000。VREF/14ui3VREF/14時(shí)，7個(gè)比較器中只有C1輸出為1，CP到來(lái)后，只有觸發(fā)器FF1置1，其余觸發(fā)器仍為0。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進(jìn)制代碼為d2d1d0

12、=001。+C6+C7+C5+C4+C3+C2+C11D C11D C11D C11D C11D C11D C11D C1&VREFuid2d1d0Q4Q4Q7Q6Q5Q3Q2Q2Q1R/2R/2RRRRRRCP比較器寄存器編碼器FF7FF6FF5FF4FF3FF2FF15.3.2 A/D轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成1并聯(lián)比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器+C6+C7+C5+C4+C3+C2+C11D C11D C11D C11D C11D C11D C11D C1&VREFuid2d1d0Q4Q4Q7Q6Q5Q3Q2Q2Q1R/2R/2RRRRRRCP比較器寄存器編碼器FF7FF6FF5FF

13、4FF3FF2FF13VREF/14 ui5VREF/14時(shí)，比較器C1、C2輸出為1，CP到來(lái)后，觸發(fā)器FF1、FF2置1。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進(jìn)制代碼為d2d1d0010。5VREF/14ui7VREF/14時(shí)，比較器C1、 C2、 C3輸出為1，CP到來(lái)后，觸發(fā)器FF1、 FF2、 FF3置1。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進(jìn)制代碼為d2d1d0=011。依此類推，可以列出ui為不同等級(jí)時(shí)寄存器的狀態(tài)及相應(yīng)的輸出二進(jìn)制數(shù)。輸入模擬電壓寄 存 器 狀 態(tài)輸出二進(jìn)制數(shù)uiQ7 Q6 Q5 Q4 Q2 Q2 Q1d2 d1 d0REFV)0(1410 0 0 0 0 0 00 0 0REFV)(14

14、31410 0 0 0 0 0 10 0 1REFV)(1451430 0 0 0 0 1 10 1 0REFV)(1471450 0 0 0 1 1 10 1 1REFV)(1491470 0 0 1 1 1 11 0 0REFV)(14111490 0 1 1 1 1 11 0 1REFV)(141314110 1 1 1 1 1 11 1 0REFV)1(14131 1 1 1 1 1 11 1 12逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量輸入模擬電壓uoui順序脈沖發(fā)生器逐次逼近寄存器D/A轉(zhuǎn)換器電壓比較器轉(zhuǎn)換開(kāi)始前先將所有寄存器清零。開(kāi)始轉(zhuǎn)換以后，時(shí)鐘脈沖首先將寄存器最高位置成1，使輸出

15、數(shù)字為1000。這個(gè)數(shù)碼被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓uo，送到比較器中與ui進(jìn)行比較。若uiuo，說(shuō)明數(shù)字過(guò)大了，故將最高位的1清除；若uiuo，說(shuō)明數(shù)字還不夠大，應(yīng)將這一位保留。然后，再按同樣的方式將次高位置成1，并且經(jīng)過(guò)比較以后確定這個(gè)1是否應(yīng)該保留。這樣逐位比較下去，一直到最低位為止。比較完畢后，寄存器中的狀態(tài)就是所要求的數(shù)字量輸出。Q1 Q2 Q3 Q4 Q5ui1D C11D C11D C11D C11D C1&11FF1 FF2 FF3 FF4 FF5&uoCP +Cucd2(22)d1(21)d0(20)FFA Q FFB Q FFCG1 G2 G3G4 G

16、5QG6G7G8=1(ui0)uodn-1 dn-2 d0+TCCO=：對(duì)輸入模擬電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行兩次積分，先對(duì)輸入模擬電壓進(jìn)行積分，將其變換成與輸入模擬電壓成正比的時(shí)間間隔T1，再利用計(jì)數(shù)器測(cè)出此時(shí)間間隔，則計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)字量就正比于輸入的模擬電壓；接著對(duì)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行同樣的處理。邏輯控制門定時(shí)器n 位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器&輸入模擬電壓基準(zhǔn)電壓積分器比較器時(shí)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=iREFnUVN22計(jì)數(shù)器中所計(jì)的二進(jìn)制數(shù)值5.3.3 集成集成A/D轉(zhuǎn)換器及應(yīng)用轉(zhuǎn)換器及應(yīng)用Uin(

17、+) VCC D0Uin(-) D1AGND D2 ADC0801 D3UREF/2D4CLKRD5D6CLKinD7CSRDWRDGND INTR1k1k1k1k1k1k1k1k+5V+5V(1)(2)(10)(6)(7)(8)(9)(19)(4)(18)(17)(16)(15)(14)(13)(12)(11)(5)(20)(3)LED輸入模擬電壓ui05V調(diào)節(jié)時(shí)鐘頻率R10kC150pF空腳A/D轉(zhuǎn)換器的功能是將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成一轉(zhuǎn)換器的功能是將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成一組多位的二進(jìn)制數(shù)字輸出。不同的組多位的二進(jìn)制數(shù)字輸出。不同的A/D轉(zhuǎn)換方式具有轉(zhuǎn)換方式具有各自的特點(diǎn)。并聯(lián)比較型各自的特點(diǎn)。并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度快，主轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度快，主要缺點(diǎn)是要使用的比較器和觸發(fā)器很多，隨著分辨要缺點(diǎn)是要使用的比較器和觸發(fā)器很多，隨著分辨率的提高，所需元件數(shù)目按幾何級(jí)數(shù)增加。雙積分率的提高，所需元件數(shù)目按幾何級(jí)數(shù)增加。雙積分型型A/D轉(zhuǎn)換器的性能比較穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換精度高，具有很轉(zhuǎn)換器的性能比較