高職高專數(shù)字電路9、數(shù)-模與模-數(shù)轉(zhuǎn)換電路

1、第九章第九章 數(shù)數(shù)/ /模與模模與模/ /數(shù)轉(zhuǎn)換電路數(shù)轉(zhuǎn)換電路9.1 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理轉(zhuǎn)換器的基本原理 倒倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 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)9.2 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理轉(zhuǎn)換器的基本原理 并行比較型并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 逐次比較型逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 雙積分型雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.1 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器一一 D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理轉(zhuǎn)換器的基本原理 對(duì)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)的對(duì)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

2、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(shí)現(xiàn)數(shù)字從而實(shí)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01234567001010011100101110111vo/VD000二二 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（4位）位）所以，無(wú)論所以，無(wú)論Si處于何種位置，與處于何種位置，與Si相連的相連的2R電阻均接電阻均接“地地”（地或虛地）。（地或虛地）。圖中圖中S0S3為模擬開(kāi)關(guān)，由輸入數(shù)碼為模擬開(kāi)關(guān)，由輸入數(shù)碼Di控制，控制，當(dāng)當(dāng)Di=1時(shí)，時(shí)，Si接運(yùn)算放大器反相輸入端（虛地），電流接運(yùn)算放大器反相輸入端（虛地）

3、，電流Ii流入求和電路；流入求和電路；當(dāng)當(dāng)Di=0時(shí)，時(shí)，Si將電阻將電阻2R接地。接地。DDDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+Avoif1682R2R+V2RRI4R4IREFI8II2R2RIRIII1622基準(zhǔn)電流基準(zhǔn)電流: I=VREF/R，流過(guò)各開(kāi)關(guān)支路（從右到左）的電流分別為流過(guò)各開(kāi)關(guān)支路（從右到左）的電流分別為 I/2、I/4、I/8、I/16。將輸入數(shù)字量擴(kuò)展到將輸入數(shù)字量擴(kuò)展到n位，則有：位，則有：可簡(jiǎn)寫為：可簡(jiǎn)寫為：vO=KNB )2(2304iiiREFDRV 輸出電壓：輸出電壓：fRiv O)2(2304iiiREFfDVRR )2(210Oiniin

4、REFfDVRRv )2222(13223140DDDDRViREF 總電流：總電流：nREFfVRRK2 其中：其中：分析計(jì)算：分析計(jì)算：EWB演示演示D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器三三 權(quán)電流型權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器為進(jìn)一步提高為進(jìn)一步提高D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度，可采用權(quán)電流型轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度，可采用權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。圖示為一圖示為一4位權(quán)電流位權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器原理電路。這組恒流源從高位到轉(zhuǎn)換器原理電路。這組恒流源從高位到低位電流的大小依次為低位電流的大小依次為I/2、I/4、I/8、I/16。DDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+AvoifI24I8I16IVREF

5、D四四. D/A轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例 DAC0808是是8位權(quán)電流位權(quán)電流型型D/A轉(zhuǎn)換器，其中轉(zhuǎn)換器，其中D0D7是數(shù)字量輸入是數(shù)字量輸入端。端。 使用使用時(shí)，需要外接運(yùn)時(shí)，需要外接運(yùn)算放大器和產(chǎn)生基準(zhǔn)算放大器和產(chǎn)生基準(zhǔn)電流用的電阻電流用的電阻R1。當(dāng)當(dāng)VREF=10V、 R1=5k、 Rf=5k時(shí)，時(shí)，輸出電壓為：輸出電壓為： 7087018O221022iiiiiiREFfDDRVRv56789101112DDDDDDDD01234567vO+5k5k5kREFV0.01F13CCV=+5VEEV=-15VA數(shù)字量輸入模擬量輸出DAC0808（ LSB）（ MSB）1415241

6、63Rf1RDAC0808 D/A轉(zhuǎn)換器輸出與輸入的關(guān)系轉(zhuǎn)換器輸出與輸入的關(guān)系（ 設(shè)設(shè)VREF=10V）1.轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度 五五 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）轉(zhuǎn)換誤差）轉(zhuǎn)換誤差比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差、非線性誤差。比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差、非線性誤差。 此外，也可用此外，也可用D/A轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓(數(shù)字量：數(shù)字量：00000001)與最大輸與最大輸出電壓出電壓(數(shù)字量：全數(shù)字量：全1）之比來(lái)表示分辨率，）之比來(lái)表示分辨率，N位位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率可表示轉(zhuǎn)換器的分辨率可表示為為 1/（2n-1）。）。2.轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度3. 溫度系數(shù)溫度系數(shù)在輸

7、入不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化產(chǎn)生的變化量。在輸入不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化產(chǎn)生的變化量。一般用滿刻度輸出條件下溫度每升高一般用滿刻度輸出條件下溫度每升高1，輸出電壓變化的百分?jǐn)?shù)作為溫度系數(shù)。，輸出電壓變化的百分?jǐn)?shù)作為溫度系數(shù)。（2）轉(zhuǎn)換速率（）轉(zhuǎn)換速率（SR）在大信號(hào)工作狀態(tài)下模擬電壓的變化率。在大信號(hào)工作狀態(tài)下模擬電壓的變化率。（1）分辨率）分辨率D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級(jí)數(shù)。轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級(jí)數(shù)。輸入數(shù)字量位數(shù)越多，分辨率越高。所以，在實(shí)際應(yīng)用中，常用數(shù)字量的位輸入數(shù)字量位數(shù)越多，分辨率越高。所以，在實(shí)際應(yīng)用中，常用數(shù)字量的位數(shù)表示數(shù)表示D

8、/A轉(zhuǎn)換器的分辨率。轉(zhuǎn)換器的分辨率。（1）建立時(shí)間（）建立時(shí)間（tset）當(dāng)輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時(shí)，輸出電壓變化到相應(yīng)穩(wěn)定當(dāng)輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時(shí)，輸出電壓變化到相應(yīng)穩(wěn)定電壓值所需時(shí)間。最短可達(dá)電壓值所需時(shí)間。最短可達(dá)0.1S。vO= - KNB最小最小 vO= - KNB = - K1 最大最大 vO= - KNB = - K(2n-1)2(10BiniiDN9.2 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器一一A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟轉(zhuǎn)換的一般步驟 由于由于輸入的模擬信號(hào)在時(shí)間上是連續(xù)量，所以一般的輸入的模擬信號(hào)在時(shí)間上是連續(xù)量，所以一般的A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程為：轉(zhuǎn)換過(guò)程為： 取樣、保持、量化和編碼。取樣、保持、量化和編碼

9、。CPSSADC取樣保持電路ADC的量化編碼電路.DDDn-110vI（ t）vI（ t）輸入模擬電壓取樣展寬信號(hào)數(shù)字量輸出（n位）oovtIv二二 取樣取樣保持電路保持電路電路組成及工作原理（取電路組成及工作原理（取Ri=Rf）:當(dāng)當(dāng)vL為高電平時(shí)，為高電平時(shí)，T導(dǎo)通，導(dǎo)通，vI經(jīng)經(jīng)Ri和和T向電容向電容Ch充電。充電。vO=vI=vC。當(dāng)當(dāng)vL返回低電平后，返回低電平后，T截止。截止。Ch無(wú)放電回路，所以無(wú)放電回路，所以vO的數(shù)值可被保存下來(lái)。的數(shù)值可被保存下來(lái)。RRIvLvTAChvofitvIooLvt01tvI00110110vIt基本原理：基本原理：三三 并行比較型并行比較型A/D

10、轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器3位并行比較型位并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器CCCCCCC4CCCCO 4CCCRRRRRRRR/2VREFVREFREFVVREFVREF15151515131131DQQC11D1D碼QD(MSB)編1DQ先2QQQ1D1D優(yōu)C1器C11D01D(LSB)C11C1C1C1DICPv電壓比較器寄存器代碼轉(zhuǎn)換器O 7O 1O 2O 6O 5O 31762531234567IIIIIII7654321 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

11、）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）VREF（ 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 1輸輸 入入輸輸 出出 EI I0 I1I2I3I4I5I6I7A2A1A0G

12、S EO11111101111111111110000000100100101001101001001110110100111110001001111110101001111111100100111111111101P96集成優(yōu)先編碼器集成優(yōu)先編碼器7414874148（8 8線線-3-3線）線）二二 逐次比較型逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器1 轉(zhuǎn)換原理：轉(zhuǎn)換原理：Gd3g3+ d2g2+ d1g1+ d0g0di1 有效有效0 無(wú)效無(wú)效有效砝碼的總重量逐次逼近重物的重量：有效砝碼的總重量逐次逼近重物的重量：2 轉(zhuǎn)換框圖：轉(zhuǎn)換框圖：vIREFV169VREF1016設(shè)：vICvD/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換

13、器移位寄存器移位寄存器數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器REFVOv控制控制邏輯邏輯模擬量模擬量0D1D2DD3QQQ2Q13031Q0Q2QQvIREFV169VREF1016設(shè)： 3 邏輯電路邏輯電路RSQC1RSQC11DS1RCQ1DS1RCQ1DS1RCQ1D123401DRQQQQQABCDESCPABCDEF移位寄存器DDDD123轉(zhuǎn)換器D/AVFFFFFFFFFF01234數(shù)據(jù)寄存器DDDD32100&CPQ5啟動(dòng)脈沖+5V+5V+5VC1REF（ MSB）（ LSB）vIvOvC1GG12FF510111111010000REF168V1111REF1612V00101001111

14、11011010)2(2304OiiiREFDVv10100五雙積分型五雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 它由積分器、過(guò)零比較器（它由積分器、過(guò)零比較器（C）、時(shí)鐘脈沖控制門（）、時(shí)鐘脈沖控制門（G）和定時(shí)）和定時(shí)器、計(jì)數(shù)器（器、計(jì)數(shù)器（FF0FFn）等幾部分組成。）等幾部分組成。C1nFFR1J1KC1n-1FFR1J1KC11FFR1J1KC10FFR1J1K1111ACRCvOvCTCS2n級(jí)計(jì)數(shù)器DDDn-110.（ MSB）（ LSB）數(shù)字量輸出Qn-1Q1Q0QnCR+A1ISVvREFSVB1CP&vGT2T2ptv11T（2）第一次積分階段）第一次積分階段工作原理：工作原理：

15、（1）準(zhǔn)備階段）準(zhǔn)備階段計(jì)數(shù)器清零，計(jì)數(shù)器清零，積分電容放電，積分電容放電， vO=0V。t=0時(shí)，開(kāi)關(guān)時(shí)，開(kāi)關(guān)S1與與A端端接通，輸入電壓接通，輸入電壓vI加到加到積分器的輸入端。積分積分器的輸入端。積分器從器從0開(kāi)始積分：開(kāi)始積分： tdtvv0IO1 vG(b)(e)ttv(d)(a)tontv(c)vs1Q0tc0000REFVvI+T1由于由于vO0V，比較器輸出，比較器輸出vC=0，控制門，控制門G被關(guān)閉，被關(guān)閉，計(jì)數(shù)停止。計(jì)數(shù)停止。ICI1P2VTVTVn dtVVtvtt)(1)(21REFP2O 同時(shí)，同時(shí)，N級(jí)計(jì)數(shù)器又從級(jí)計(jì)數(shù)器又從0開(kāi)始計(jì)數(shù)。開(kāi)始計(jì)數(shù)。在此階段結(jié)束時(shí)在此階

16、段結(jié)束時(shí)vO的表達(dá)式可寫為：的表達(dá)式可寫為：設(shè)設(shè)T2=t2t1，于是有：，于是有：設(shè)在此期間計(jì)數(shù)器所累計(jì)的時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)為設(shè)在此期間計(jì)數(shù)器所累計(jì)的時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)為，則：，則：可見(jiàn)，可見(jiàn)，T2與與VI成正比，成正比，T2就是雙積分就是雙積分A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程的中間變量。轉(zhuǎn)換過(guò)程的中間變量。 上式表明，計(jì)數(shù)器中所計(jì)得的數(shù)上式表明，計(jì)數(shù)器中所計(jì)得的數(shù)（=Qn-1Q1Q0），與在取樣時(shí)間），與在取樣時(shí)間T1內(nèi)輸內(nèi)輸入電壓的平均值入電壓的平均值VI成正比。只要成正比。只要VIVREF，轉(zhuǎn)換器就能將輸入電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)，轉(zhuǎn)換器就能將輸入電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。字量。0)(1)(21REFP2O dtVVtvtt I2REF

17、2VTTVCn T2=TC IREFC22VVTTn IREFC22VVTTn 六六 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)（1）分辨率）分辨率說(shuō)明說(shuō)明A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的分辨能力。轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的分辨能力。 一般以輸出二進(jìn)制（或十進(jìn)制）數(shù)的位數(shù)表示。因?yàn)椋谧畲筝斎腚娨话阋暂敵龆M(jìn)制（或十進(jìn)制）數(shù)的位數(shù)表示。因?yàn)?，在最大輸入電壓一定時(shí)，輸出位數(shù)愈多，量化單位愈小，分辨率愈高。壓一定時(shí)，輸出位數(shù)愈多，量化單位愈小，分辨率愈高。1. 轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度例如，相對(duì)誤差例如，相對(duì)誤差LSB/2，就表明實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上應(yīng)得，就表明實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上應(yīng)得到的輸出數(shù)字量之間的誤差

18、小于最低位的半個(gè)字。到的輸出數(shù)字量之間的誤差小于最低位的半個(gè)字。（2）轉(zhuǎn)換誤差）轉(zhuǎn)換誤差它表示它表示A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上的輸轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別。常用最低有效位的倍數(shù)表示。出數(shù)字量之間的差別。常用最低有效位的倍數(shù)表示。2. 轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間指從轉(zhuǎn)換控制信號(hào)到來(lái)開(kāi)始，到輸出端得到穩(wěn)定的指從轉(zhuǎn)換控制信號(hào)到來(lái)開(kāi)始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。數(shù)字信號(hào)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。 并行比較并行比較A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度最高；逐次比較型轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度最高；逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器次之；間接轉(zhuǎn)換器次之；間接A/D轉(zhuǎn)換器的速度最慢。轉(zhuǎn)換器的速度最慢。本章小結(jié)本章小結(jié)1 1A/DA/D和和D/AD/A轉(zhuǎn)換器是現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的重要部件，應(yīng)用日益廣泛。轉(zhuǎn)換器是現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的重要部件，應(yīng)用日益廣泛。5 5A/DA/D轉(zhuǎn)換器和轉(zhuǎn)換器和D/AD/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)是轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度，在與轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)是轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度，在與系統(tǒng)連接后，轉(zhuǎn)換器的這兩項(xiàng)指標(biāo)決定了系統(tǒng)的精度與速度。目前，系統(tǒng)連接后，轉(zhuǎn)換器的這兩