chapter23-電工學

1、 數(shù)模與模數(shù)變換器是計算機與外部數(shù)模與模數(shù)變換器是計算機與外部設備的重要接口設備的重要接口,也是數(shù)字測量和數(shù)字控也是數(shù)字測量和數(shù)字控制系統(tǒng)的重要部件。制系統(tǒng)的重要部件。 能將數(shù)字量轉換為模擬量的裝置稱為能將數(shù)字量轉換為模擬量的裝置稱為數(shù)數(shù)/模變換器模變換器( 簡稱簡稱D/A轉換器轉換器 ); 能將模擬能將模擬量轉換為數(shù)字量的裝置稱為模量轉換為數(shù)字量的裝置稱為模/數(shù)變換器數(shù)變換器( 簡稱簡稱A/D轉換器轉換器 )。 概述概述A/D轉換器、轉換器、D/A轉換器的應用轉換器的應用放大器放大器傳感器傳感器(溫度、壓溫度、壓力、流量、力、流量、應力等）應力等）采樣采樣/保持器保持器A/D計算機計算機顯示

2、器顯示器D/A示波器示波器打印機打印機計算機進行各種計算機進行各種數(shù)字處理（如濾數(shù)字處理（如濾波、計算）、數(shù)波、計算）、數(shù)據(jù)保存、打印等據(jù)保存、打印等顯示器顯示字符、顯示器顯示字符、曲線、圖形、圖曲線、圖形、圖象等象等 由于構成數(shù)字代碼的每一位都有由于構成數(shù)字代碼的每一位都有一定的一定的“權重權重”，因此為了將數(shù)字量，因此為了將數(shù)字量轉換成模擬量，就必須將每一位代碼轉換成模擬量，就必須將每一位代碼按其按其“權重權重”轉換成相應的模擬量，轉換成相應的模擬量，然后再將代表各位的模擬量相加，即然后再將代表各位的模擬量相加，即可得到與該數(shù)字量成正比的模擬量?？傻玫脚c該數(shù)字量成正比的模擬量。D/A變換器

3、的基本思想變換器的基本思想23.1 D/A 轉換器轉換器DDDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+Avoif1682R2R+V2RRI4R4IREFI8II2R2RIRIII162223.1.1 倒倒T形電阻網(wǎng)絡形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器轉換器 1、電路結構、電路結構 由由R-2R倒倒T形電阻網(wǎng)絡、電子模擬開關形電阻網(wǎng)絡、電子模擬開關S0S3、運算放大器組成。運算放大器組成。 圖中模擬開關圖中模擬開關S0S3 ，由輸入數(shù)碼，由輸入數(shù)碼Di控制，當控制，當Di=1時，時，Si接運算放大器反相輸入端（虛地），電流接運算放大器反相輸入端（虛地），電流Ii流入求和電路；當流入求和電路；當Di

4、=0時，時，Si將電阻將電阻2R接地。所以，無論接地。所以，無論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”。DDDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+Avoif1682R2R+V2RRI4R4IREFI8II2R2RIRIII1622可算出，基準電流可算出，基準電流 I=VREF/R，輸出電壓：輸出電壓：則流過各開關支路（從右到左）的電流分別為則流過各開關支路（從右到左）的電流分別為 I/2、I/4、I/8、I/16。于是得總電流：于是得總電流：將輸入數(shù)字量擴展到將輸入數(shù)字量擴展到n位，則有：位，則有：可簡寫為：可簡寫為：vO=KNB 其中：

5、其中：)2222(13223140DDDDRViREF)2(2304iiiREFDRVfORiv)2(2304iiiREFfDVRR)2(210iniinREFfODVRRvnREFfVRR2K=表明表明: D/A電路輸出模擬電壓電路輸出模擬電壓UO與輸入的數(shù)字量與輸入的數(shù)字量D3D2D1D0成正比成正比為進一步提高為進一步提高D/A轉換器的轉換精度，可采用權電流型轉換器的轉換精度，可采用權電流型D/A轉換器。轉換器。 權電流型權電流型D/A轉換器轉換器iiiffffODRIDDDDRIDIDIDIDIRRiv22)2222(2)16842(3040011223340123DDD(LSB)(M

6、SB)SSSS00112233R+AvoifI24I8I16IVREFD采用具有電流負反饋的采用具有電流負反饋的BJT恒流源電路的權電流恒流源電路的權電流D/A轉換器：轉換器：DDDD(LSB)(MSB)SSSS33221100R+Avoif+A1216II216II4I8IIIIIIIREFE3E2E1E0ECBBV2R2RR2RR2RRR2REE偏置偏置電流I=IREF=REFVR1TTTTTTr3210c1RREFVVR+VR 由倒由倒T形電阻網(wǎng)絡分析可知，形電阻網(wǎng)絡分析可知，IE3=I/2，IE2=I/4，IE1=I/8，IE0=I/16，于是可得輸出電壓為于是可得輸出電壓為可推得可推

7、得n位倒位倒T形權電流形權電流D/A轉換器的輸出電壓：轉換器的輸出電壓：)2222(20011223314REFODDDDRVRRivff基準電流：基準電流：3E1REFREF2IRVIiniinfDRRVv22101REFO CC7520采用倒采用倒T形電阻網(wǎng)絡，模擬開關是形電阻網(wǎng)絡，模擬開關是CMOS型的，集型的，集成在芯片上，運算放大器是外接的。成在芯片上，運算放大器是外接的。CC7520共有共有16個引腳，各個引腳，各的引腳功能如下：的引腳功能如下： 413為十位數(shù)字量的輸入端；為十位數(shù)字量的輸入端； 1為模擬電流為模擬電流Io1輸出端，接到運算放大器的反相輸入端；輸出端，接到運算放大

8、器的反相輸入端； 2為模擬電流為模擬電流Io2輸出端，一般接輸出端，一般接“地地”； 15為參考電壓電源接線端，為參考電壓電源接線端，UREF可為正值或負值；可為正值或負值； 16為芯片內部一個電阻為芯片內部一個電阻R的引出端，該電阻作為運算放大器的引出端，該電阻作為運算放大器的反饋電阻的反饋電阻RF，它的另一端在芯片內部接，它的另一端在芯片內部接Io1端。端。901022iiiREFoDUU 倒倒T形電阻網(wǎng)絡形電阻網(wǎng)絡 D/A轉換器應用舉例轉換器應用舉例A基準電流源倒T形電阻網(wǎng)絡模擬開關偏置電路TD7D03D1DD46D759126D25811D1042314151316VRVR+VEEVC

9、CCOMPGNDIO（LSB）（MSB） 權電流型權電流型D/A轉換器轉換器DAC0808的電路結構框圖的電路結構框圖IO是求和電流是求和電流的 輸 出 端 。的 輸 出 端 。VREF+和和VREF接基準電流發(fā)接基準電流發(fā)生電路中運算生電路中運算放大器的反相放大器的反相輸入端和同相輸入端和同相輸 入 端 。輸 入 端 。COMP供外接供外接補償電容之用補償電容之用。VCC和和VEE為正負電源輸為正負電源輸入端。入端。 權電流權電流D/A轉換器應用舉例轉換器應用舉例DAC0808是是8位權電流型位權電流型D/A轉換器，其中轉換器，其中D0D7是數(shù)字量輸入端。是數(shù)字量輸入端。用用這類器件構成的這

10、類器件構成的D/A轉換器時，需要外接運算放大器和產生基準電流轉換器時，需要外接運算放大器和產生基準電流用的電阻用的電阻R1。當當VREF=10V、R1=5k、Rf=5k時，時，輸出電壓為：輸出電壓為：56789101112DDDDDDDD01234567vO+5k5k5kREFV0.01F13CCV=+5VEEV=-15VA數(shù)字量輸入模擬量輸出DAC0808（LSB）（MSB）141524163Rf1R7087018221022iiiiiiREFfODDRVRvDAC0808 D/A轉換器輸出與輸入的關系轉換器輸出與輸入的關系（ 設設VREF=10V） 1. 1.轉換精度轉換精度 （1 1）分

11、辨率（理論精度）分辨率（理論精度）00101023112110. D/A轉換器的絕對誤差（或絕對精度）是指輸入端加入最大轉換器的絕對誤差（或絕對精度）是指輸入端加入最大數(shù)字量（全數(shù)字量（全1）時，）時，D/A轉換器的理論值與實際值之差。該誤差用轉換器的理論值與實際值之差。該誤差用值應低于值應低于LSB/2。（1）建立時間（）建立時間（tset）當輸入的數(shù)字量發(fā)生變化當輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時，輸出電壓變化到相應穩(wěn)定電壓值所需時間。最時，輸出電壓變化到相應穩(wěn)定電壓值所需時間。最短可達短可達0.1S，通常不大于，通常不大于1 S。 DAC0832是八位的是八位的D/A轉換器轉換器, ,即在對其輸入即

12、在對其輸入八位數(shù)字量后，通過外接的運算放大器，可以獲八位數(shù)字量后，通過外接的運算放大器，可以獲得相應的模擬電壓值。得相應的模擬電壓值。23.1.3 DAC0832 D/A轉換器。轉換器。DAC 0832 簡化電路框圖簡化電路框圖八位八位寄存器寄存器輸入輸入八位八位寄存器寄存器DACDAC八位八位轉換器轉換器UREFRFIout1Iout2AGNDUCCDGND&ILECSWR1WR2XFERD/AD/AD7D0.11CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUREFRFDGNDILEXFERIout1Iout21234567891019181716151413121

13、120片選信號，片選信號，低電平有效低電平有效寫入控制，寫入控制，低電平有效低電平有效模擬地端模擬地端D0 D7數(shù)字量輸入數(shù)字量輸入?yún)⒖茧妷簠⒖茧妷狠斎攵溯斎攵藬?shù)字地端數(shù)字地端反饋電阻反饋電阻外接端外接端輸入鎖存允許信輸入鎖存允許信號，高電平有效號，高電平有效芯片工作電壓芯片工作電壓 輸入端輸入端 寫入控制端寫入控制端低電平有效，與低電平有效，與 配合使用配合使用XFER電流輸出端電流輸出端單極性輸出時。單極性輸出時。Iout2接模擬地接模擬地 傳送控制端傳送控制端低電平有效，與低電平有效，與WR2配合使用配合使用一、一、A/DA/D轉換的一般步驟和取樣定理轉換的一般步驟和取樣定理 由于由于輸

14、入的模擬信號在時間上是連續(xù)量，所以一般輸入的模擬信號在時間上是連續(xù)量，所以一般的的A/D轉換過程為：轉換過程為：取樣、保持、量化和編碼。取樣、保持、量化和編碼。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數(shù)字量輸出（n位） 量化量化:采保輸出電壓按某種近似方式歸化到相應的離散電壓采保輸出電壓按某種近似方式歸化到相應的離散電壓編碼編碼:用一定字長的二進制碼表示的過程用一定字長的二進制碼表示的過程.23.2 A/D 轉換器轉換器 取樣定理：取樣定理： 因為每次把取樣電壓轉換為相應的數(shù)字量都需要一定的時因為每次把取樣電壓轉換為相應的數(shù)字

15、量都需要一定的時間，所以在每次取樣以后，必須把取樣電壓保持一段時間?？砷g，所以在每次取樣以后，必須把取樣電壓保持一段時間?？梢姡M行見，進行A/D轉換時所用的輸入電壓，實際上是每次取樣結束轉換時所用的輸入電壓，實際上是每次取樣結束時的時的vI值。值。式中式中fS為取樣頻率，為取樣頻率，fimax為輸入信號為輸入信號vI的最高頻率分量的頻率。的最高頻率分量的頻率。max2iSff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）: 當控制信號當控制信號vL為高電平時，為高電平時，T導通，導通，vI經電阻經電阻Ri和和T向電容向電容Ch充電。則充電結束后充電

16、。則充電結束后 vO=vI=vC。N溝道溝道MOS管管T作為開關用。作為開關用。 當控制信號返回低電平后，當控制信號返回低電平后，T截止。截止。Ch無放電回路，所以無放電回路，所以vO的數(shù)值可被保存下來。的數(shù)值可被保存下來。RRifIvLvTAChvo三、三、A/D轉換器分類轉換器分類 并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型 特點特點: 轉換速度快轉換速度快,轉換時間轉換時間 10ns 1 s 逐次逼近型逐次逼近型 特點特點: 轉換速度中轉換速度中,轉換時間轉換時間 幾幾 s 100 s 雙積分型雙積分型 特點特點: 轉換速度慢轉換速度慢,轉換時間轉換時間 幾百幾百 s 幾幾ms根據(jù)內部電路不同根據(jù)內部電路不同

17、,分為以下三類分為以下三類:8 g + 4 g8 g + 4 g + 2 g8 g + 4 g + 1 g 8 g8g 13g ，12g 13g，13g 13g，13g暫時結果暫時結果砝砝 碼碼 重重比比 較較 判判 斷斷順順 序序QF3SRRF2SQRF1SQRF0SQ&d3&d2&d1&d0讀出讀出“與門與門”&111d3d0E讀出控制端讀出控制端U1UA電壓電壓比較器比較器逐次逼近逐次逼近寄存器寄存器控制邏輯門控制邏輯門時鐘脈沖時鐘脈沖五位順序脈沖發(fā)生器五位順序脈沖發(fā)生器四位逐次逼近型模四位逐次逼近型模- -數(shù)轉換器的原理電路數(shù)轉換器的原理電路四位

18、四位D/A轉換器轉換器CQ4Q3Q2Q1Q0d2d1u0時鐘時鐘1 0 0 06V 5. 5V4V5V1 1 0 01 0 1 01 0 1 1 )2222(28001122334A ddddUD/A轉換器輸出轉換器輸出UA為正值為正值 )222(280066778 dddUABDDDD)10110001()177)64.176()3252. 5()52. 5(25686VU /A3D2D1D0Dt0t1t310001100101010001011t2RUD21,13對對應應于于時時 RUD41,12對對應應于于時時 RUD81,11對應于對應于時時 RUD161,10對對應應于于時時 V,8R U設設參參考考電電壓壓543210。輸輸入入電電壓壓V52. 5I U輸輸出出數(shù)數(shù)字字量量轉轉換換完完畢畢 ,10110123 ddddV5 . 5 U對應模擬電壓對應模擬電壓 （1）分辨率）分辨率說明說明A/D轉換器對輸入信號的分辨能力。