第十一章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器

1、第十一章第十一章 數(shù)數(shù)- -模模(D/A)(D/A)和模和模- -數(shù)數(shù)(A/D)(A/D)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換模模擬擬傳傳感感器器A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器器執(zhí)執(zhí)行行部部件件數(shù)字處理數(shù)字處理系統(tǒng)系統(tǒng)非電量非電量模擬電量模擬電量數(shù)字量數(shù)字量D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器器數(shù)字量數(shù)字量模擬電量模擬電量被被控控對(duì)對(duì)象象 Dn：n位二進(jìn)制代碼位二進(jìn)制代碼 vO：對(duì)應(yīng)的輸出電壓對(duì)應(yīng)的輸出電壓 Dn=dn-1dn-2d1d0 Dn：n位二進(jìn)制代碼的大小，即：位二進(jìn)制代碼的大小，即： Dn=dn-12n-1+dn-22n-2+d121+d020 vO=KDn K：比例系數(shù)：比例系數(shù) 上式表示上式表示DAC的輸出電壓與輸入二進(jìn)制代碼的大小成正比

2、的輸出電壓與輸入二進(jìn)制代碼的大小成正比一、一、D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理轉(zhuǎn)換器的基本原理 將輸入的每一位二進(jìn)制代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模將輸入的每一位二進(jìn)制代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將代表各位的模擬量相加，所得的總模擬量就與數(shù)擬量，然后將代表各位的模擬量相加，所得的總模擬量就與數(shù)字量成正比，這樣便實(shí)現(xiàn)了從字量成正比，這樣便實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。11.2 11.2 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器基本原理；典型電路；技術(shù)指標(biāo)基本原理；典型電路；技術(shù)指標(biāo)由四個(gè)部分組成：由四個(gè)部分組成：R-2R倒倒T型解碼網(wǎng)型解碼網(wǎng)絡(luò)絡(luò)；電子開關(guān)：電子開關(guān)：由晶體管由晶體管或場效應(yīng)管組成

3、；或場效應(yīng)管組成；求和放大器：求和放大器：由反向由反向加法運(yùn)算器和電阻組加法運(yùn)算器和電阻組成；成；基準(zhǔn)電源：基準(zhǔn)電源：由穩(wěn)定性由穩(wěn)定性較高的恒壓源組成。較高的恒壓源組成。-+Ad3d2d1d0S3S2S1S0I/2I/42R2R2R2R2RI/8I/16II/2I/4I/8I/16RRRvOVREFRiV-V+2. 2.工作原理工作原理-+Ad3d2d1d0S3S2S1S0I/2I/42R2R2R2R2RI/8I/16II/2I/4I/8I/16RRRvOVREFRiV-V+321024816IIIIidddd 由于反向求和端（由于反向求和端（V-）虛地，所以每個(gè)）虛地，所以每個(gè)2R電阻的上端

4、都相電阻的上端都相當(dāng)于接地，從電路的當(dāng)于接地，從電路的A、B、C點(diǎn)看進(jìn)去的點(diǎn)看進(jìn)去的等效電阻都是等效電阻都是2R。從。從VREF向左看過去的等效電阻是向左看過去的等效電阻是R，因此，因此 I=VREF/R。 每個(gè)每個(gè)2R支路支路上的上的電流依次電流依次為為I/2，I/4，I/8，I/16。電流是。電流是流入地還是流流入地還是流入運(yùn)算放大器，入運(yùn)算放大器，由輸入的數(shù)字由輸入的數(shù)字量量di控制數(shù)字控制數(shù)字開關(guān)開關(guān)Si來決定。令來決定。令di=0時(shí)開關(guān)時(shí)開關(guān)Si接地（接放大器的接地（接放大器的V+），），di=1時(shí)時(shí)Si接至放大器的輸入端接至放大器的輸入端V-，故流入運(yùn)算放大器的總電流為：，故流入運(yùn)

5、算放大器的總電流為：321032104(2222 )2REFOVvRidddd 推廣：對(duì)于推廣：對(duì)于n位輸入的倒位輸入的倒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nnREFOnnnREFnnVvddddVD12101210(2222 )22 3. 3. 倒倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)（1）解碼網(wǎng)絡(luò)僅由電阻）解碼網(wǎng)絡(luò)僅由電阻R和和2R組成，這對(duì)于集成工藝非常有利。組成，這對(duì)于集成工藝非常有利。（2）各支路電流直接加到運(yùn)算放大器的輸入端，它們之間不存）各支路電流直接加到運(yùn)算放大器的輸入端，它們之間不存在傳輸上的時(shí)間差，故該電路具有較高的工作速度。在傳輸上的時(shí)間差，故該電路

6、具有較高的工作速度。 因此這種形式的因此這種形式的DAC被廣泛使用。被廣泛使用。LSBmVV分分辨辨率率 VLSBK0001 VmK1111OREFvddddV3210321041(2222 )2 3. 3. 轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度通常用建立時(shí)間通常用建立時(shí)間 tset 來定量描述來定量描述D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。 建立時(shí)間：從輸入的數(shù)字量建立時(shí)間：從輸入的數(shù)字量發(fā)生突變開始，到輸出電壓進(jìn)發(fā)生突變開始，到輸出電壓進(jìn)入與穩(wěn)態(tài)值相差入與穩(wěn)態(tài)值相差 1/2LSB 范范圍以內(nèi)的這段時(shí)間。圍以內(nèi)的這段時(shí)間。 為了獲得較快的轉(zhuǎn)換速度，為了獲得較快的轉(zhuǎn)換速度，應(yīng)該選用轉(zhuǎn)換速率較快的運(yùn)算應(yīng)該選用轉(zhuǎn)

7、換速率較快的運(yùn)算放大器，以縮短運(yùn)算放大器的放大器，以縮短運(yùn)算放大器的建立時(shí)間。建立時(shí)間。 A/D A/D轉(zhuǎn)換是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，轉(zhuǎn)換過程通過轉(zhuǎn)換是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，轉(zhuǎn)換過程通過取樣、保持、量化取樣、保持、量化和和編碼編碼四個(gè)步驟完成。四個(gè)步驟完成。 11.3 11.3 模模- -數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)一、一、A/D轉(zhuǎn)換器的基本工作原理轉(zhuǎn)換器的基本工作原理取樣取樣保持保持量化量化編碼編碼vIDn模擬量輸入模擬量輸入數(shù)字量輸出數(shù)字量輸出ADCvISCvIDn取樣過程：取樣過程：t0：合上開關(guān)：合上開關(guān)S，對(duì)，對(duì)C充電，充電，vI充充 到到vI后，后，vI跟蹤跟蹤vIt0+t：S

8、打開，打開，C放電（很放電（很難），在一段時(shí)間內(nèi)保持。難），在一段時(shí)間內(nèi)保持。t0vIt0 t1 t2 t3 t4t0+t t2 + t t4+ t t1 +t t3 +t TSvI t0vIt0 t1 t2 t3 t4t0+t t2 + t t4+ t t1 +t t3 +t TSvI Shannon采樣定理：采樣頻率采樣定理：采樣頻率fs=1/Ts滿足：滿足：fs2fmax(fmaxvI的最高頻率分量的最高頻率分量)，樣品值中就包含了，樣品值中就包含了vI的全部信息。的全部信息。一般取一般取 fs=(35 ) fmax 。量化的方法一般有兩種：量化的方法一般有兩種：有舍有入法有舍有入法和和

9、只舍不入法只舍不入法。13/15 VR11/15 VR9/15 VR7/15 VR5/15 VR3/15 VR1/15 VR0111 7110 6 101 5 100 4 011 3 010 2 001 1 000 0 vIVRnD 量量化化電電平平13/15 VR11/15 VR9/15 VR7/15 VR5/15 VR3/15 VR1/15 VR0111 7110 6 101 5 100 4 011 3 010 2 001 1 000 0 vIVR復(fù) 習(xí)1、D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理（倒轉(zhuǎn)換器的工作原理（倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)）以型電阻網(wǎng)絡(luò)）以 及技術(shù)指標(biāo)及技術(shù)指標(biāo)2、A/D轉(zhuǎn)換的基本原理轉(zhuǎn)換的基本原

10、理取樣取樣保持保持量化量化編碼編碼vIDnvODn二、二、A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器ADC直接直接ADC間接間接ADC并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型ADC反饋比較型反饋比較型ADC計(jì)數(shù)型計(jì)數(shù)型ADC逐次漸近型逐次漸近型ADCV-T型型ADCV-F型型ADC1. “1. “逐次漸近逐次漸近”比較方法比較方法 n=3時(shí)如圖所示，經(jīng)過三次比較便能確定時(shí)如圖所示，經(jīng)過三次比較便能確定vI落在何量化層內(nèi)。落在何量化層內(nèi)。7/15 VR第第8層層 (111)第第7層層 (110)第第6層層 (101)第第5層層 (100)第第4層層 (011)第第3層層 (010)第第2層層 (001)第第1層層 (000)vOvIvI，說明數(shù)字過大了，應(yīng)將最高位的，說明數(shù)字過大了，應(yīng)將最高位的1清除；清除；若若vOC1 1DC1 1DC1 1DC1 1DC11S 1RC1 FFA1S 1RC1 FFB1S 1RC1 FFCD A C- +FF1 FF2 FF3 FF4 FF5Q1 Q2 Q3 Q4 Q5G1 G2 G3G4G5QA