第7章 數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換

1、 D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 7.1A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 7.2 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術指轉(zhuǎn)換器的主要技術指標標 D/A轉(zhuǎn)換器是將輸入的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器是將輸入的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成與其成正比的模擬信號成與其成正比的模擬信號(電壓或電流電壓或電流)，輸入的數(shù)字信號是二進制編碼，按二進制輸入的數(shù)字信號是二進制編碼，按二進制編碼每位權的大小轉(zhuǎn)換成相應的模擬量，編碼每位權的大小轉(zhuǎn)換成相應的模擬量，然后將這些模擬量相加，所得的和就是與然后將這些模擬量相加，所得的和就是與輸入的數(shù)字量成正比的模擬量。輸入的數(shù)字量成正比的模擬量。 圖圖7-1為為N位位D/A轉(zhuǎn)換器的組成原理框轉(zhuǎn)換器的組成原理框圖，它是由數(shù)碼寄

2、存器、模擬電子開關、圖，它是由數(shù)碼寄存器、模擬電子開關、解碼網(wǎng)絡、求和運算放大電路及基準電壓解碼網(wǎng)絡、求和運算放大電路及基準電壓源等部件組成。源等部件組成。 圖圖7-2為簡單的為簡單的4位權電阻網(wǎng)絡位權電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器，它由基準電壓、模擬電子開關、權電器，它由基準電壓、模擬電子開關、權電阻隔網(wǎng)絡、求和運算放大器阻隔網(wǎng)絡、求和運算放大器4部分組成。部分組成。 圖圖7-3是是4位倒位倒T形電阻網(wǎng)絡形電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器的原理圖，它由的原理圖，它由R-2R構成的倒構成的倒T形電阻網(wǎng)形電阻網(wǎng)絡、模擬開關、求和放大器絡、模擬開關、求和放大器A及基準電源及基準電源組成。組成。 4 4位倒位倒

3、T T形形D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 可以采用恒流源來取代倒可以采用恒流源來取代倒T形電阻網(wǎng)形電阻網(wǎng)絡，構成如圖絡，構成如圖7-4所示的權電流型所示的權電流型D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器，每個恒流源電流的大小依次為前一個器，每個恒流源電流的大小依次為前一個的一半，剛好和二進制輸入代碼對應的位的一半，剛好和二進制輸入代碼對應的位權成正比。權成正比。 權電流權電流D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 由于采用了恒流源，各支路電流大小由于采用了恒流源，各支路電流大小將不再受開關內(nèi)阻和導通壓降的影響，從將不再受開關內(nèi)阻和導通壓降的影響，從而降低了對開關電路對精度的影響。而降低了對開關電路對精度的影響。恒流源的電路結構經(jīng)常使用如

4、圖恒流源的電路結構經(jīng)常使用如圖7-5所示的所示的基本形式基本形式 。 權電路權電路D/AD/A轉(zhuǎn)換器中的恒流源轉(zhuǎn)換器中的恒流源 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術指標是轉(zhuǎn)換精轉(zhuǎn)換器的主要技術指標是轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度。度和轉(zhuǎn)換速度。D/A轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換精度常用分辨率和轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換精度常用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差相結合來進行描述。轉(zhuǎn)換誤差相結合來進行描述。(1)分辨率分辨率(2)轉(zhuǎn)換誤差轉(zhuǎn)換誤差D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度通常用建立時轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度通常用建立時間和轉(zhuǎn)換速率兩個參數(shù)來描述。間和轉(zhuǎn)換速率兩個參數(shù)來描述。(1)建立時間建立時間(2)轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率(SR)是指對是指對D/A轉(zhuǎn)換器的輸入端施加使輸轉(zhuǎn)換器的輸入端施加

5、使輸出電壓自最小值到最大值變化的步進輸入出電壓自最小值到最大值變化的步進輸入時，其最大時間變換率。時，其最大時間變換率。 轉(zhuǎn)換器的主要技術指標轉(zhuǎn)換器的主要技術指標 A/D轉(zhuǎn)換器是把時間上連續(xù)變換的模轉(zhuǎn)換器是把時間上連續(xù)變換的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件。擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件。一般一般A/D轉(zhuǎn)換過程經(jīng)過采樣、保持、轉(zhuǎn)換過程經(jīng)過采樣、保持、量化和編碼四個步驟完成，在實際的電路量化和編碼四個步驟完成，在實際的電路中，這些過程可以合并進行。中，這些過程可以合并進行。 采樣是將時間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)采樣是將時間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為時間上離散的、數(shù)值上連續(xù)的模擬量，換為時間上離散的、數(shù)值上連續(xù)的模擬量

6、，即把一個時間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為即把一個時間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為一個脈沖串，脈沖的幅度取決于模擬量的一個脈沖串，脈沖的幅度取決于模擬量的幅值。幅值。 采樣采樣-保持電路一股由保持電容器、輸保持電路一股由保持電容器、輸入輸出緩沖放大器、模擬開關及驅(qū)動電路入輸出緩沖放大器、模擬開關及驅(qū)動電路組成，采樣組成，采樣-保持電路過程如圖保持電路過程如圖7-6所示，所示，顯示了正弦模擬信號經(jīng)采樣、保持后得出顯示了正弦模擬信號經(jīng)采樣、保持后得出的波形。的波形。實用的采樣實用的采樣-保持電路如圖保持電路如圖7-7所示。所示。 采樣采樣- -保持過程保持過程 實際采樣實際采樣- -保持電路保持電路 量化

7、是將時間上離散、幅值上連續(xù)的量化是將時間上離散、幅值上連續(xù)的模擬信號用幅值上也是離散的數(shù)字量表示。模擬信號用幅值上也是離散的數(shù)字量表示。用數(shù)字量表示輸入模擬電壓的大小時，首用數(shù)字量表示輸入模擬電壓的大小時，首先應確定一個單位電壓值。先應確定一個單位電壓值。量化規(guī)定的最小數(shù)量的單位稱為量化量化規(guī)定的最小數(shù)量的單位稱為量化單位，用表示。單位，用表示。 量化的方法有兩種：一種是量化的方法有兩種：一種是“舍尾取舍尾取整整”，另一種是，另一種是“四舍五入四舍五入”。用二進制數(shù)碼表示各個量化電平的過用二進制數(shù)碼表示各個量化電平的過程稱為編碼。以程稱為編碼。以3位位A/D轉(zhuǎn)換器為例，說明轉(zhuǎn)換器為例，說明四舍

8、五入和舍尾取整兩種不同的量化編碼四舍五入和舍尾取整兩種不同的量化編碼的方法，如圖的方法，如圖7-8所示。所示。 兩種量化編碼方法的比較示意圖兩種量化編碼方法的比較示意圖 并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器是直接轉(zhuǎn)換型轉(zhuǎn)換器是直接轉(zhuǎn)換型A/D轉(zhuǎn)換器，圖轉(zhuǎn)換器，圖7-9所示為一個所示為一個3位并聯(lián)比較位并聯(lián)比較型型A/D轉(zhuǎn)換器的原理框圖。轉(zhuǎn)換器的原理框圖。它由基準電壓、分壓器、電壓比較器它由基準電壓、分壓器、電壓比較器和優(yōu)先編碼電路組成。和優(yōu)先編碼電路組成。圖中的八個電阻將基準電壓分成八個圖中的八個電阻將基準電壓分成八個等級。等級。 并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 (1)逐次逼近型逐次

9、逼近型A/D轉(zhuǎn)換器原理轉(zhuǎn)換器原理N位位A/D轉(zhuǎn)換器的原理框圖如圖轉(zhuǎn)換器的原理框圖如圖7-10所所示，它由控制邏輯電路、數(shù)據(jù)寄存器、移示，它由控制邏輯電路、數(shù)據(jù)寄存器、移位寄存器位寄存器(順序脈沖發(fā)生器順序脈沖發(fā)生器)、D/A轉(zhuǎn)換器及轉(zhuǎn)換器及電壓比較器組成。電壓比較器組成。 逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D轉(zhuǎn)換器原理框圖轉(zhuǎn)換器原理框圖 (2)逐次逼近型逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器電路轉(zhuǎn)換器電路 圖圖7-11為一個為一個3位逐次逼近型位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器電路。器電路。 比較方法。比較方法。 比較過程。比較過程。 3 3位逐次逼近型位逐次逼近型A/DA/D轉(zhuǎn)換器電路轉(zhuǎn)換器電路 (3)工作過程工作過

10、程初始狀態(tài)。初始狀態(tài)。第第1個個CP脈沖。脈沖。第第2個個CP脈沖。脈沖。第第3個個CP脈沖。脈沖。第第4個個CP脈沖。脈沖。第第5個個CP脈沖。脈沖。 雙積分型雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器是一種電壓轉(zhuǎn)換器是一種電壓/時間變時間變換換(V/T變換變換)型轉(zhuǎn)換器。型轉(zhuǎn)換器。 它首先把輸入的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成與它首先把輸入的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成與之成正比的時間寬度信號，然后在這個時之成正比的時間寬度信號，然后在這個時間寬度內(nèi)對固定頻率的時鐘脈沖計數(shù)，計間寬度內(nèi)對固定頻率的時鐘脈沖計數(shù)，計數(shù)的結果正比于輸入模擬電壓的數(shù)字信號。數(shù)的結果正比于輸入模擬電壓的數(shù)字信號。雙積分型雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點是抗干擾轉(zhuǎn)換

11、器的優(yōu)點是抗干擾能力強，工作性能穩(wěn)定。雙積分型能力強，工作性能穩(wěn)定。雙積分型A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器的缺點是轉(zhuǎn)換速度較慢，一般用在轉(zhuǎn)換器的缺點是轉(zhuǎn)換速度較慢，一般用在轉(zhuǎn)換速度要求不高的場合，加數(shù)字式直流電換速度要求不高的場合，加數(shù)字式直流電壓表、數(shù)字式溫度計等。壓表、數(shù)字式溫度計等。雙積分型雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器電路結構如圖轉(zhuǎn)換器電路結構如圖7-12所示。所示。 雙積分型雙積分型A/DA/D轉(zhuǎn)換器原理轉(zhuǎn)換器原理 （1）轉(zhuǎn)換精度）轉(zhuǎn)換精度單片集成單片集成A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度通常轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度通常用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述。用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述。分辨率是指分辨率是指A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的最低位變化一個數(shù)碼時，對應輸入模擬電最低位變化一個數(shù)碼時，對應輸入模擬電壓的變化量。壓的變化量。 （2）轉(zhuǎn)換速度）轉(zhuǎn)換速度A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換