吉大 通信數(shù)電課件 第9章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換

1、第第9章章 數(shù)數(shù)/模和模模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換 9.1 概述概述 9.2 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 9.3 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器(ADC) 9.1 概概 述述 由于數(shù)字計算機(jī)只能處理數(shù)字信號,因此需要將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后才能送給數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行處理。同時,往往還需要把處理后得到的數(shù)字信號再轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬信號,作為最后的輸出。 將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的電路或器件稱為模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器,又稱A/D轉(zhuǎn)換器或稱ADC。 數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的電路或器件稱為數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器,又稱D/A轉(zhuǎn)換器或稱DAC； 為了保證數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性,D/A轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器必須有足夠的精度,同時,為了適應(yīng)快速過程的控制和檢測的需

2、要,D/A轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器還必須有足夠快的轉(zhuǎn)換速度。 轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度乃是衡量D/A轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器性能優(yōu)劣的主要標(biāo)志。9.2 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器(DAC) 9.2.1 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器 1.電路組成 圖81所示為四位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖。它由權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)20R、21R、22R、23R,電子模擬開關(guān)S0、S1、S2、S3,基準(zhǔn)電壓UREF及求和運算放大器組成。D/A轉(zhuǎn)換器DDD01n-1.vo輸入輸出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 D/A轉(zhuǎn)換器的輸入信號為數(shù)字信號，輸出信號為模轉(zhuǎn)換器的輸入信號為數(shù)字信號，輸出信號為模擬量。其基本工

3、作原理是：先將每位代碼按其權(quán)的大擬量。其基本工作原理是：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，即可得到與數(shù)字小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后相加，即可得到與數(shù)字量成正比的總模擬量。量成正比的總模擬量。當(dāng)當(dāng)Dn- -1D1 D0=輸入大小輸入大小不同數(shù)字量時不同數(shù)字量時:vo=輸出大小不同的電壓值輸出大小不同的電壓值n位位二二進(jìn)進(jìn)制制數(shù)數(shù)D/A轉(zhuǎn)換器的分類：轉(zhuǎn)換器的分類：倒倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器、權(quán)電轉(zhuǎn)換器、權(quán)電流型流型D/A轉(zhuǎn)換器等。轉(zhuǎn)換器等。oFvR i F3210RIIII REF33VIDRREF22VIDRREF11VIDRREF00VIDR權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換

4、器 取RF=R/2， 權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬電壓和輸入數(shù)字信號之間的關(guān)系。3210REFo3210422222VvDDDD 對于N位的權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，當(dāng)反饋電阻RF=R/2時， 1110REFo121022222nnnnnVvDDDD 【例9.1】 在圖94所示權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器 中,設(shè)VREF=-8V,RF=R/2,試求: (1)當(dāng)輸入數(shù)字量d3d2d1d0=0001時,輸出電壓值。 (2)當(dāng)輸入數(shù)字量d3d2d1d0 =0101時,輸出電壓值。 (3)當(dāng)輸入最大數(shù)字量時,輸出電壓值。 解:(1) 可求得輸入數(shù)字量d3d2d1d0 =0001時的輸出電壓為 (2)根據(jù)式(8

5、.2.2),可求得輸入數(shù)字量d3d2d1d0 =0101時的輸出電壓為3210032104(2222 )2.52 REFUuddddV (3)根據(jù)式(8.2.2),可求得輸入最大數(shù)字量d3d2d1d0 =1111時的輸出電壓為3210032104(2222 )7.52 REFUuddddV 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點是電路結(jié)構(gòu)比較簡單,所用的電阻元件數(shù)較少。它的缺點是各個電阻的阻值相差比較大,尤其是在輸入信號的位數(shù)較多時,這個問題更突出。例如當(dāng)輸入信號增加到八位時,如果取權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)中最小的電阻為R=10k，那么最大的電阻阻值將達(dá)到27R(=1.28M),兩者相差128倍之多。要想在極為寬廣的

6、阻值范圍內(nèi)保證每個電阻都有很高的精度是十分困難的,尤其對制作集成電路更加不利。為了克服權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器中電阻阻值相差太大的缺點,常采用倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器。 9.2.2 倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器（略） 1.電路組成 圖82所示為四位R2R倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖。和權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器相比,除電阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)呈倒T型外,電阻網(wǎng)絡(luò)中只有R,2R兩種阻值的電阻,這就給集成電路的設(shè)計和制作帶來了很大的方便。圖95 倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器 2.工作原理 電子模擬開關(guān)0S3受輸入數(shù)字信號d0d3控制。如果第i位數(shù)字信號di=1,Si接求和運算放大器的虛地端；當(dāng)di=0時,Si接

7、地?？梢?無論輸入數(shù)字信號為0還是為1,即無論各電子模擬開關(guān)接“0”端還是接“1”端,各支路的電流都直接流入地或流入求和運算放大器的虛地端,所以對于倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)來說,各2R電阻的上端相當(dāng)于接地。由圖82看出,基準(zhǔn)電壓UREF對地電阻為R,其流出的電流i=UREF/R是固定不變的,而每個支路的電流依次為I/2、I/4、I/8、I/16,因此， 321024816IIIIIdddd(8.2.4) 在求和放大器的反饋電阻阻值等于R的條件下輸出電壓為3210032104(2222 )2REFVvRidddd (9-3) 對于n位輸入的倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器,在求和放大器的反饋電阻阻值為R的條件下

8、,輸出的模擬電壓的計算公式為12210012210(22222 )2nnREFnnnVvddddd (9-4) 由上式可看出,輸出電壓和輸入數(shù)字量成正比。由于不論電子模擬開關(guān)接“0”端還是接“1”端,電阻2R的上端總是接地或接求和運算放大器的虛地端,因此流經(jīng)2R支路上的電流不會隨開關(guān)狀態(tài)的變化而改變,它不需要建立時間,所以電路的轉(zhuǎn)換速度提高了。倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的電阻數(shù)量雖比權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)多,但它只有R和2R兩種阻值,因而克服了權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)電阻阻值多,差別大的缺點,便于集成化。因此，R-2R倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器得到了廣泛的應(yīng)用。 但無論是權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器還是倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)

9、換器,在分析的過程中,都把電子模擬開關(guān)當(dāng)作理想開關(guān)處理,沒有考慮它們的導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通電壓降。而實際上這些開關(guān)總有一定的導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通電壓降,而且每個開關(guān)的情況不完全相同。它們的存在無疑將引起轉(zhuǎn)換誤差,影響轉(zhuǎn)換精度。為了克服這一問題,常采用權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器。9.3 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器(ADC) 9.3.1 A/D轉(zhuǎn)換的基本概念9.3 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.3.1A/D轉(zhuǎn)換器的基本概念轉(zhuǎn)換器的基本概念 A/D轉(zhuǎn)換過程為：轉(zhuǎn)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

10、量輸出（n位） 1.取樣與保持 取樣是將時間上連續(xù)變化的信號轉(zhuǎn)換為時間上離散的信號,即將時間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為一系列等間隔的脈沖,脈沖的幅度取決于輸入模擬量。取樣過程 oovtIvtvIovL=1開關(guān)通開關(guān)通vL=0開關(guān)斷開關(guān)斷采樣采樣保持保持oSvt取樣頻率fs必須大于等于輸入模擬信號包含的最高頻率fmax的兩倍,即取樣頻率必須滿足: fs2fmax(2)工作原理工作原理由圖看出：由圖看出： vO=vC 當(dāng)當(dāng)vL=1時時:開關(guān)接通。開關(guān)接通。vO=vC =vI 當(dāng)當(dāng)vL=0時時: 開關(guān)斷開。開關(guān)斷開。C無放電無放電回路回路, vC保持不變。保持不變。取樣保持電路的基本形式 2.量化與編

11、碼 正如前面所講,數(shù)字信號不僅在時間上是不連續(xù)的,而且在幅度上的變化也是不連續(xù)的。因此，任何一個數(shù)字量的大小都可用某個最小量單位的整數(shù)倍來表示。 這種取整并歸的方式和過程稱為數(shù)值量化,簡稱量化。所取的最小數(shù)量單位叫做量化單位,用表示。圖9-18 劃分量化的兩種方法及其編碼 1111101011000110100010001 V7/8 V6/8 V5/8 V4/8 V3/8 V2/8 V1/8 V0 V77/8 V1V13/15 V11/15 V9/15 V7/15 V5/15 V3/15 V1/15 V0 V111110101100011010001000輸入信號二進(jìn)制代碼代表的模擬電壓66/

12、8 V55/8 V44/8 V33/8 V22/8 V11/8 V00/8 V輸入信號二進(jìn)制代碼代表的模擬電壓714/15 V612/15 V510/15 V48/15 V36/15 V24/15 V12/15 V00 V(a)(b)9.3.2并行比較型并行比較型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 3176253

13、1234567IIIIIII76543212、工作原理、工作原理(真值表）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)字輸出數(shù)字輸出D2 D1 D0Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1(01/15)VREF(1/153/15)VREF(3/155/15)VREF(5/157/15)VREF(7/159/15)VREF(9/1511/15)VREF(11/1513/15)VREF(13/151)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