模擬量與數(shù)字量的轉(zhuǎn)換

1、1000112211)2(2222nniinnnnXXXXXXn位二進(jìn)制數(shù)位二進(jìn)制數(shù)X（Xn-1、Xn-2、X1、X0） 定義其定義其最低位最低位（LSBLSB）X X0 0和和最高位最高位（MSBMSB）X Xn-1n-1的權(quán)分別為的權(quán)分別為2 20 0和和2 2n-1n-1 , ,則有則有: :D/A轉(zhuǎn)換器的輸出應(yīng)是與輸入數(shù)字量成正比的轉(zhuǎn)換器的輸出應(yīng)是與輸入數(shù)字量成正比的模擬電流模擬電流模擬電壓模擬電壓100)2(nniivvXKXKu100)2(nniiiiXKXKi或3I2I0I1I3S2S1S0SrUFRR02R12R22R323X2X1X0X0U321032100123321032

2、1032222(2222)2rrrrrIIIIIUUUUXXXXRRRRUXXXXR121012101(2222)2nnrnnnUIXXXXR放大器總的輸入電流輸入電流為 n位的權(quán)電阻位的權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 121001210(2222)22nnrnnnURUIXXXX 若反饋電阻為若反饋電阻為2/RRF0rnU212 輸出電壓輸出電壓的變化范圍的變化范圍 04RA2dUU 開路電壓開路電壓04R2dU 04R2dU 04RA2dUU 開路電壓開路電壓13RA2dUU 開路電壓開路電壓22RA2dUU 開路電壓開路電壓31RA2dUU 開路電壓開路電壓13R2dU 2. .轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原

3、理04R13R22R31REA2222dUdUdUdUUU )2222(2001122334R ddddUEF3URRU 輸出電壓輸出電壓)2222(23001122334RF ddddRUR)222(23002211RFo dddRURUnnnnn)222(2002211Ro dddUUnnnnn)222(23002211RFo dddRURUnnnnn7.1.4 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2RABD+URS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0+-ARFd3d2d1d00RRRI3I1I0I01C110I2IRUC = UR / 2UB = UR /4UA = U

4、R /8UD = UR 即：即：2RABD+URS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0+-ARFd3d2d1d00RRRI3I1I0I01C110I2IRRUIRR/ 1021II 2121II 3221II RII213 2RABD+URS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0+-ARFd3d2d1d00RRRI3I1I0I01C110I2IR0R1R2R3R16842dRUdRUdRUdRU )24(8160123RddddRU 012301IIIII )24(8201234FROddddRRUU 2RABD+URS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0+-ARF

5、d3d2d1d00RRRI3I1I0I01C110I2IR DAC0832是八位的是八位的D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器, ,即在對其輸入即在對其輸入八位數(shù)字量后，通過外接的運(yùn)算放大器，可以獲八位數(shù)字量后，通過外接的運(yùn)算放大器，可以獲得相應(yīng)的模擬電壓值。得相應(yīng)的模擬電壓值。7.1.5 集成集成 D/A轉(zhuǎn)換器簡介轉(zhuǎn)換器簡介DAC 0832 簡化電路框圖簡化電路框圖DAC 0832 管腳分布圖管腳分布圖CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUREFRFDGNDILEXFERIout1Iout21234567891019181716151413121120片選信號，片選信號，低電平有效低

6、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茧妷狠斎攵溯斎攵薉AC 0832 管腳分布圖管腳分布圖CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUREFRFDGNDILEXFERIout1Iout21234567891019181716151413121120數(shù)字地端數(shù)字地端反饋電阻反饋電阻外接端外接端CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUREFRFDGNDILEXFERIout1Iout21234567891019181716151413121120DAC 0832 管腳分布圖管腳分布圖輸

7、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XFERCSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUREFRFDGNDILEXFERIout1Iout21234567891019181716151413121120DAC 0832 管腳分布圖管腳分布圖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1. .分辨率分辨率00101023112110. 模模數(shù)數(shù)(A/D)

8、轉(zhuǎn)換器的任務(wù)是將模擬量轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換器的任務(wù)是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量數(shù)字量, ,它是模擬信號和數(shù)字儀器的接口。根據(jù)其它是模擬信號和數(shù)字儀器的接口。根據(jù)其性能不同，類型也比較多。性能不同，類型也比較多。直接型直接型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器間接型間接型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器逐次逼近型逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 雙積分型雙積分型ADC7.2.1 A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理轉(zhuǎn)換器的基本原理1 A /D 轉(zhuǎn) 換 器 的 基 本 原 理取樣取樣時間上離散的信號時間上離散的信號保持、量化保持、量化量值上也離散的信號量值上也離散的信號編碼編碼模擬信號模擬信號數(shù)字信號數(shù)字信號時間上和量值上

9、都連續(xù)時間上和量值上都連續(xù)時間上和量值上都離散時間上和量值上都離散模數(shù)轉(zhuǎn)換一般分為取樣、保持和量化、編碼兩步進(jìn)行。模數(shù)轉(zhuǎn)換一般分為取樣、保持和量化、編碼兩步進(jìn)行。取樣、保持vIvSS (t)(a) 取樣電路取樣電路示意圖示意圖vItO t1t2t3t4t5(b) 輸入模擬輸入模擬信號信號S(t)tt1t2t3t4t5tW(c) 取樣脈沖取樣脈沖tt1t2t3t4t5(d) 取樣信號取樣信號vSTStt1t2t3t4t5(e) 取樣保持取樣保持信號信號vOOOO取樣取樣時間時間(tW)保持時間保持時間(TStW)（）取樣、保持（）取樣、保持取樣就是對模擬信號取樣就是對模擬信號周期性地抽取樣值，使

10、模周期性地抽取樣值，使模擬信號變成時間上離散的擬信號變成時間上離散的脈沖串，取樣值取決于取脈沖串，取樣值取決于取樣時間內(nèi)輸入模擬信號的樣時間內(nèi)輸入模擬信號的大小。大小。采樣定理采樣定理:根據(jù)取樣定理，取樣頻率根據(jù)取樣定理，取樣頻率的選取一般為：的選取一般為：max2siffmax2.5 3siff取樣保持電路vIS(t)vOAC(a)要對模擬信號的取樣值進(jìn)行量化和編碼，必須使取樣值保要對模擬信號的取樣值進(jìn)行量化和編碼，必須使取樣值保持一定的時間。持一定的時間。取樣和保持是由取樣保持電路完成的。取樣和保持是由取樣保持電路完成的。7SA1LvIS(t)A2vOCk30300RPVB6541238（

11、外接）（外接）調(diào)零調(diào)零（外接）（外接）(b)VV模擬電壓模擬電壓 vI/V量化值量化值二進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制數(shù)輸出輸出765432107.56.55.54.53.52.51.50.57 =7 V1116 =6 V1105 =5 V1014 =4 V1003 =3 V0112 =2 V0101 =1 V0010 =0 V000 量化方法之一 有舍有五入法 （）量化、編碼（）量化、編碼用數(shù)字量表示取樣電壓值時，要將取樣電壓化為某個最小用數(shù)字量表示取樣電壓值時，要將取樣電壓化為某個最小數(shù)量單位數(shù)量單位(1 LSB) 的整數(shù)倍，這一轉(zhuǎn)換過程稱為量化，所取的最的整數(shù)倍，這一轉(zhuǎn)換過程稱為量化，所取的最小單位稱為量

12、化單位，用小單位稱為量化單位，用表示，表示，= 1 LSB。將量化的結(jié)果轉(zhuǎn)。將量化的結(jié)果轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的代碼，稱為編碼?；癁閷?yīng)的代碼，稱為編碼。實(shí)際輸入電壓值與量化值實(shí)際輸入電壓值與量化值之間的偏差稱為量化誤差。之間的偏差稱為量化誤差。四舍五入量化法：四舍五入量化法：采用四舍五入的方法量化采用四舍五入的方法量化取整。最大量化誤差為取整。最大量化誤差為/2。模擬電壓模擬電壓 vI/V量化值量化值二進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制數(shù)輸出輸出876543217=7 V1116=6 V1105=5 V1014=4 V1003=3 V0112=2 V0101=1 V0010=0 V000 量化方法之二 只舍不入法 0舍去小數(shù)

13、量化法：舍去小數(shù)量化法：舍去小數(shù)直接取整，最大舍去小數(shù)直接取整，最大量化誤差為量化誤差為。完成量化編碼工作的電路完成量化編碼工作的電路是是ADC。按工作原理不同，可。按工作原理不同，可分為直接分為直接ADC和間接和間接ADC。直接直接ADC 是將輸入模擬電壓直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，如并聯(lián)比是將輸入模擬電壓直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，如并聯(lián)比較型較型ADC和逐次比較型和逐次比較型ADC。間接間接ADC 是先將輸入模擬電壓轉(zhuǎn)換成時間或頻率，然后是先將輸入模擬電壓轉(zhuǎn)換成時間或頻率，然后再把這些中間量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，如雙積分型再把這些中間量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，如雙積分型ADC。 A/DA/D轉(zhuǎn)換器有轉(zhuǎn)換器有直接轉(zhuǎn)換法直接轉(zhuǎn)換

14、法和和間接轉(zhuǎn)換法間接轉(zhuǎn)換法兩大類。兩大類。 直接法是通過一套基準(zhǔn)電壓與取樣保持電壓進(jìn)行直接法是通過一套基準(zhǔn)電壓與取樣保持電壓進(jìn)行比較比較，從，從而而直接直接將模擬量將模擬量轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。其特點(diǎn)是成數(shù)字量。其特點(diǎn)是工作速度高工作速度高，轉(zhuǎn)換精，轉(zhuǎn)換精度容易保證，調(diào)準(zhǔn)也比較方便。度容易保證，調(diào)準(zhǔn)也比較方便。直接直接A/DA/D轉(zhuǎn)換器有計數(shù)型、逐次轉(zhuǎn)換器有計數(shù)型、逐次比較型、并行比較型比較型、并行比較型等。等。 間接法是將取樣后的模擬信號先轉(zhuǎn)換成間接法是將取樣后的模擬信號先轉(zhuǎn)換成中間變量中間變量時間時間t t或頻或頻率率f f, , 然后再將然后再將t t或或f f轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換成數(shù)

15、字量。其特點(diǎn)是工作速度較低工作速度較低，但，但轉(zhuǎn)換精度可以做得較高轉(zhuǎn)換精度可以做得較高，且抗干擾性強(qiáng)。，且抗干擾性強(qiáng)。間接間接A/DA/D轉(zhuǎn)換器有單次轉(zhuǎn)換器有單次積分型、雙積分型積分型、雙積分型等。等。7.2.2 A/D7.2.2 A/D轉(zhuǎn)換器的主要電路形式轉(zhuǎn)換器的主要電路形式1、并聯(lián)比較型、并聯(lián)比較型-+-+-+-+-+-+-+uiUsRRRRRRRRD2D1D0數(shù)字輸出數(shù)字輸出AGFECDB編編碼碼器器7Us /86Us /85Us /84Us /83Us /82Us /8Us /8優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快，優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快，缺點(diǎn)缺點(diǎn) 是所需比較是所需比較器數(shù)目多，位數(shù)越器數(shù)目多，位數(shù)越多矛盾越突

16、出。多矛盾越突出。7.2.2 A/D7.2.2 A/D轉(zhuǎn)換器的主要電路形式轉(zhuǎn)換器的主要電路形式量化電平依據(jù)有舍有量化電平依據(jù)有舍有入劃分為入劃分為7 7個電平。個電平。量化單位為量化單位為 =(1/8)U=(1/8)UREFREF量化誤差為量化誤差為|maxmax|= (1/8)U|= (1/8)UREFREF三位并聯(lián)比較由以下三位并聯(lián)比較由以下3部分組成：部分組成：比較器：比較器：由個電壓比較器組成，由個電壓比較器組成，“”輸入端輸入端接輸入電壓接輸入電壓ui，“”輸入端接一定值的比較電壓輸入端接一定值的比較電壓uR，若若 ui uR ，比較器輸出為，比較器輸出為1，反之輸出為，反之輸出為0

17、。分壓電阻鏈：分壓電阻鏈：由個電阻組成，將基準(zhǔn)電壓進(jìn)行由個電阻組成，將基準(zhǔn)電壓進(jìn)行分壓，獲得個比較器的比較電壓分壓，獲得個比較器的比較電壓uR。線線優(yōu)先編碼器：線線優(yōu)先編碼器：輸入、輸出均為高電平輸入、輸出均為高電平有效（具有優(yōu)先級）。有效（具有優(yōu)先級）。比較器輸入比較器輸入7Us / 8 ui Us6Us / 8 ui 7Us / 8 5Us / 8 ui 6Us / 8 4Us / 8 ui 5Us / 8 3Us / 8 ui 4Us / 8 2Us / 8 ui 3Us / 8 1Us / 8 ui 2Us / 8 0 ui 1Us / 8 A B C D E F G D2D0D1編碼

18、器輸出編碼器輸出輸入電壓輸入電壓ui1 1 1 1 1 1 11111 1 1 1 1 1 0000111110 0 0 0 0 0 00000000 0 0 0 0 0000 0 00000 0 000 01111111111111111111000邏輯狀態(tài)關(guān)系表邏輯狀態(tài)關(guān)系表 R + C5 + C6 + C4 + C3 + C2 + C1 + C0 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 & & & & & & UREF ui d2 d1 d0 R/2 R R R R R R CP 電電 壓壓 比比 較較 器器 FF7 FF6 FF5 FF4 F

19、F3 FF2 FF1 寄寄 存存 器器 編編 碼碼 器器 15U13REF 15U11REF 15U9REF 15U7REF 15U5REF 15U3REF 15U1REF 1. 并行比較型并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 量化電平依據(jù)有舍有量化電平依據(jù)有舍有入劃分為入劃分為7 7個電平。個電平。量化單位為量化單位為 =(2/15)U=(2/15)UREFREF量化誤差為量化誤差為|maxmax|= (1/15)U|= (1/15)UREFREF電壓比較器電壓比較器 U U+ +UU- -時，時，C Ci i1 1； U U+ +U U- -時，時，C Ci i0 0。 并行比較型并行比較型A/D

20、A/D轉(zhuǎn)換器真值表轉(zhuǎn)換器真值表1輸入模擬電壓寄存器狀態(tài)數(shù)字量輸出（編碼器輸入）（編碼器輸出）QQQQQQQ6543210ddd210uI15()15)(1515)(1515)(1515)(1515)(1515)(1515)(1033557799111113131UREFUREFUREFUREFUREFUREFUREFUREF00000011111111111110111001100110110111000100100000000100000001010011100101110111例如：例如：u uI I4.2V4.2V，U UREFREF6V6V。3.6V3.6V4.4V4.4V則數(shù)字量輸出

21、則數(shù)字量輸出d d2 2d d1 1d d0 0101101。優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度很快，故又稱優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度很快，故又稱高速高速A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器。含有寄存器。含有寄存器的的A/DA/D轉(zhuǎn)換器兼有取樣保持功能，所以它可以轉(zhuǎn)換器兼有取樣保持功能，所以它可以不用附加取樣保不用附加取樣保持電路持電路。缺點(diǎn)：電路復(fù)雜，對于一個缺點(diǎn)：電路復(fù)雜，對于一個n n位二進(jìn)制輸出的并行比較型位二進(jìn)制輸出的并行比較型A/DA/D轉(zhuǎn)換器，需轉(zhuǎn)換器，需n n -1-1個電壓比較器和個電壓比較器和2 2n n -1-1個觸發(fā)器，編碼電路也個觸發(fā)器，編碼電路也隨隨n n的增大變得相當(dāng)復(fù)雜。且轉(zhuǎn)換精度還受分壓網(wǎng)絡(luò)和電壓比的增

22、大變得相當(dāng)復(fù)雜。且轉(zhuǎn)換精度還受分壓網(wǎng)絡(luò)和電壓比較器靈敏度的限制。較器靈敏度的限制。 因此，這種轉(zhuǎn)換器適用于因此，這種轉(zhuǎn)換器適用于高速，高速， 精度較低精度較低的場合。的場合。 并行比較型并行比較型A/DA/D轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)：轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)： 下面介紹逐次逼近式下面介紹逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換電路的原理和一轉(zhuǎn)換電路的原理和一種常用的集成電路組件。最后舉例說明其應(yīng)用。種常用的集成電路組件。最后舉例說明其應(yīng)用。順序脈沖順序脈沖發(fā)生器發(fā)生器逐次逼近逐次逼近 寄存器寄存器DAC電壓電壓比較器比較器輸出數(shù)字量輸出數(shù)字量輸入電壓輸入電壓 UiUA逐次逼近型模逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器原理框圖數(shù)轉(zhuǎn)換器原理框圖8 g + 4

23、 g8 g + 4 g + 2 g8 g + 4 g + 1 g 8 g8g 13g ，12g 13g，13g 13g，13g暫時結(jié)果暫時結(jié)果砝砝 碼碼 重重比比 較較 判判 斷斷順順 序序 uO時鐘時鐘2. 逐次逼近型逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 取樣保持 n位DAC 控制邏輯 + - + C 時鐘源 Qn-1Qn-2Qn-3 Q2Q1Q0 逐位逼近寄存器 （SAR） 輸出寄存器 轉(zhuǎn)換控 制信號 模擬輸入 u1 u1 偏移電壓 u0 u0 /2 UREF 比較器 UC CP US dn-1(MSB) dn-2 n位并行 d2 數(shù)字輸出 d1 d0 (LSB) 逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D

24、轉(zhuǎn)換器原理圖轉(zhuǎn)換器原理圖 QARASAQBRBSBQCRCSC&3位數(shù)模轉(zhuǎn)換器位數(shù)模轉(zhuǎn)換器 &Q1Q2Q3Q4Q5B2(22)B1(21)B0(20)CPuiuo順順 序序 脈脈 沖沖 發(fā)發(fā) 生生 器器0000000000000000CP10000010000100001CP0100010000100000CP120100000100010001CP10110000100010000CP1230110000001001001CP1241111000010000101CP1230110000000000100CP123450110000000000011110CP1234000000000000

25、0000CP12345 51111000001001000CP1231 0 0 06V 5. 5V4V5V1 1 0 01 0 1 01 0 1 1 )2222(28001122334A ddddUD/A轉(zhuǎn)換器輸出轉(zhuǎn)換器輸出UA為正值為正值 )222(280066778A dddU6VU /A3D2D1D0Dt0t1t310001100101010001011t2R3211U,D對對應(yīng)應(yīng)于于時時 R2411U,D對對應(yīng)應(yīng)于于時時 R1811U,D對對應(yīng)應(yīng)于于時時 R01611U,D對對應(yīng)應(yīng)于于時時 V,8R U設(shè)設(shè)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

26、量量轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換完完畢畢 ,10110123 ddddV5 . 5 U對應(yīng)模擬電壓對應(yīng)模擬電壓 雙積分型雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器屬于電壓時間變換的間接轉(zhuǎn)換器屬于電壓時間變換的間接A/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。 基本原理是將一段時間內(nèi)的輸入模擬電壓基本原理是將一段時間內(nèi)的輸入模擬電壓 Ui 和和參考電壓參考電壓UR 通過兩次積分，變換成與輸入電壓平均通過兩次積分，變換成與輸入電壓平均值成正比的時間間隔值成正比的時間間隔, ,再變換成正比于輸入模擬信號再變換成正比于輸入模擬信號的數(shù)字量。的數(shù)字量。雙積分型雙積分型S1RS2CuA積分器積分器CP_+n n位二進(jìn)制位二進(jìn)制計數(shù)器計數(shù)器&+AC _+ Q0Q1Qn-1邏輯邏輯控制控制電路電路1K1JRDFFSRD-URuS1uCGd0d1dn-1uL+uiQ雙積分型雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的電路圖轉(zhuǎn)換器的電路圖A/D轉(zhuǎn)換器的工作波形圖轉(zhuǎn)換器的工作波形圖uAtttOOT1T2OtOuS1u1-URuCCP2n個個N個個定時定時定壓定壓ui小小ui大大 (1) 轉(zhuǎn)換開始前轉(zhuǎn)換開始前 轉(zhuǎn)換信號