數(shù)電第8數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器

1、概述第 8 章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 本章小結(jié)A/D 轉(zhuǎn)換器D/A 轉(zhuǎn)換器 8.1 概述 主要要求： 理解數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的概念和作用。 一、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換的概念和作用 數(shù)模轉(zhuǎn)換即將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬電量(電壓或電流)，使輸出的模擬電量與輸入的數(shù)字量成正比。 實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路稱數(shù)模轉(zhuǎn)換器 Digital - Analog Converter，簡(jiǎn)稱 D/A 轉(zhuǎn)換器或 DAC。 模數(shù)轉(zhuǎn)換即將模擬電量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，使輸出的數(shù)字量與輸入的模擬電量成正比。 實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路稱模數(shù)轉(zhuǎn)換器 Analog - Digital Converter，簡(jiǎn)稱 A/D 轉(zhuǎn)換器或 ADC。 模擬量數(shù)字量 模擬量數(shù)字量傳感器

2、被控對(duì)象 自然界物理量為何要進(jìn)行數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換？ 二、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例數(shù)字信號(hào)物理量模擬信號(hào)壓力傳感器溫度傳感器流量傳感器四路模擬開(kāi)關(guān)數(shù)字控制計(jì)算機(jī)DAC模擬控制器模擬控制器液位傳感器DACDAC模擬控制器模擬控制器生 產(chǎn) 控 制 對(duì) 象 DACADC二、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例 主要要求： 了解數(shù)模轉(zhuǎn)換的基本原理。 了解常用 D/A 轉(zhuǎn)換器的類型和主要參數(shù)。 了解 R - 2R 倒 T 形電阻網(wǎng)絡(luò) D/A 轉(zhuǎn)換器的電路與工作原理。 8.2 D/A 轉(zhuǎn)換器 一、數(shù)模轉(zhuǎn)換的基本原理 輸出模擬電壓 uO = D = (Dn-1 2n-1 + Dn-2 2n-2 + + D1 21 + D0

3、 20 ) 可見(jiàn)，uO D，uO 的大小反映了數(shù)字量 D 的大小。DACD0D1Dn-2Dn-1uOn 位二進(jìn)制數(shù)輸入模擬電壓輸出一、數(shù)模轉(zhuǎn)換的基本原理 LSB Least Significant Bit 輸入數(shù)字量 D = (Dn-1 Dn-2 D1 D0 ) 2 = Dn-1 2n-1 + Dn-2 2n-2 + + D1 21 + D0 20 是 DAC 能輸出的最小電壓值，稱為 DAC 的單位量化電壓，它等于 D 最低位(LSB)為 1、其余各位均為 0 時(shí)的模擬輸出電壓(用 ULSB 表示)。組成：1）求和運(yùn)算放大器：2）模擬開(kāi)關(guān)：3）譯碼網(wǎng)絡(luò)：4）基準(zhǔn)電源：實(shí)現(xiàn)求和。通常接成反相比

4、例求和。控制d=0或d=1時(shí)，求和電路的項(xiàng)數(shù)。用來(lái)實(shí)現(xiàn)2 n-1.20。保證系數(shù)的一致性，要求精度高。S0+-uOS1S2S3D3D2D1D0iRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI301111000RRR (一) 電路組成與轉(zhuǎn)換原理 二、R - 2R 倒 T 形電阻網(wǎng)絡(luò) DAC 由倒 T 型電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開(kāi)關(guān)和一個(gè)電流電壓轉(zhuǎn)換電路(簡(jiǎn)稱 I/U 轉(zhuǎn)換電路)組成。模擬開(kāi)關(guān) Si 打向“1”側(cè)時(shí)，相應(yīng) 2R 支路接虛地；打向“0”側(cè)時(shí)，相應(yīng) 2R 支路接地。故無(wú)論開(kāi)關(guān)打向哪一側(cè)，倒 T 型電阻網(wǎng)絡(luò)均可等效為下圖：II3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22R

5、I3RRRABC從 A、B、C 節(jié)點(diǎn)向左看去，各節(jié)點(diǎn)對(duì)地的等效電阻均為 2R。因此，I =VREFRI3 =I2= 23 ( )，I24I2 =I32= 22 ( )，I24=I4I1 =I22= 21 ( )，I24=I8I0 =I12= 20 ( )I24=I16可見(jiàn)，支路電流值 Ii 正好代表了二進(jìn)制數(shù)位 Di 的權(quán)值 2i 。即 I3 = 23 I0， I2 = 22 I0， I1 = 21 I0， I0 = 20 I0 模擬開(kāi)關(guān) Si 受相應(yīng)數(shù)字位 Di 控制。當(dāng) Di = 1 時(shí)，開(kāi)關(guān)合向“1”側(cè)，相應(yīng)支路電流 Ii 輸出；Di = 0 時(shí)，開(kāi)關(guān)合向“0”側(cè)， Ii 流入地而不能輸

6、出。S0+-uOS1S2S3D3D2D1D0iRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI301111000RRRu0 = - i RF = - D I0 RF = - D i = D3 I3 + D2 I2 + D1 I1 + D0 I0 = ( D3 23 + D2 22 + D1 21 + D0 20 ) I0 = D I0對(duì) n 位 DAC， uO= - D 若取 RF = R， 則uO= - D n 位 DAC 將參考電壓 VREF 分成 2n 份，uO 是每份的 D 倍。調(diào)節(jié) VREF 可調(diào)節(jié) DAC 的輸出電壓。uO= - D 三、常用 DAC 的類型和主要參

7、數(shù) (一) 常用 DAC 的類型 常用 DAC 主要有權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò) DAC、 R - 2R T 形電阻網(wǎng)絡(luò) DAC、R - 2R 倒 T 形電阻網(wǎng)絡(luò) DAC和權(quán)電流網(wǎng)絡(luò) DAC。其中，后兩者轉(zhuǎn)換速度快，性能好，因而被廣泛采用，權(quán)電流網(wǎng)絡(luò) DAC 轉(zhuǎn)換精度高，性能最佳。 (二) 主要參數(shù) 1. 分辨率 DAC 的最小輸出電壓變化量，也即 DAC 的最小輸出電壓值 表示滿度輸出電壓值，F(xiàn)SR 即 Full Scale Range指 D/A 轉(zhuǎn)換器模擬輸出所能產(chǎn)生的最小電壓變化量與滿刻度輸出電壓之比。 UFSR = uO|D = 11 1 = ( 2n 1 ) ULSBn 位均為 1例如，一個(gè) 10

8、位的 DAC，分辨率為 0.000 978。DAC 的位數(shù)越多，分辨率值就越小，能分辨的最小輸出電壓值也越小。要獲得較高精度的 D/A 轉(zhuǎn)換結(jié)果，除了正確選用 DAC 的位數(shù)外，還要選用低漂移高精度的求和運(yùn)算放大器。 3. 轉(zhuǎn)換時(shí)間指 DAC 在輸入數(shù)字信號(hào)開(kāi)始轉(zhuǎn)換，到輸出的模擬信號(hào)達(dá)到穩(wěn)定值所需的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間越小，轉(zhuǎn)換速度就越高。2. 轉(zhuǎn)換精度 指 DAC 實(shí)際輸出模擬電壓與理想輸出模擬電壓間的最大誤差。它是一個(gè)綜合指標(biāo)，不僅與 DAC 中元件參數(shù)的精度有關(guān)，而且與環(huán)境溫度、求和運(yùn)算放大器的溫度漂移以及轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有關(guān)。 通常要求 DAC的誤差小于 ULSB / 2。四、模擬電子開(kāi)關(guān)1 、

9、要求: 在D/A轉(zhuǎn)換器中使用的模擬電子開(kāi)關(guān)是受輸入數(shù)字信號(hào)的狀態(tài)控制的，因?yàn)閭鬏數(shù)氖悄M信號(hào)，所以要求模擬開(kāi)關(guān)應(yīng)接近于理想開(kāi)關(guān)，其接通和 斷開(kāi)應(yīng)不影響被傳送模擬信號(hào)的數(shù)值。2、 分類CMOS電子開(kāi)關(guān)雙極型電子開(kāi)關(guān)3、 CMOS模擬電子開(kāi)關(guān)前面第二章講雙向模擬開(kāi)關(guān)，但它能夠傳輸?shù)氖请妷盒盘?hào)，而我們現(xiàn)在需要傳送的是電流信號(hào)。若d1=1，則VN1 截止，VN2導(dǎo)通，流過(guò)2R的電阻流入反饋電阻。若d1=0，則 VN2 截止，VN1導(dǎo)通，流過(guò)2R的電阻流入地。四、集成 DAC應(yīng)用舉例五、集成 DAC 應(yīng)用舉例1. 集成 DAC 簡(jiǎn)介 常用集成 DAC 有兩類：一類內(nèi)部?jī)H含有電阻網(wǎng)絡(luò)和電子模擬開(kāi)關(guān)兩部分，

10、常用于一般的電子電路。另一類內(nèi)部除含有電阻網(wǎng)絡(luò)和電子模擬開(kāi)關(guān)外，還帶有數(shù)據(jù)鎖存器，并具有片選控制和數(shù)據(jù)輸入控制端，便于和微處理器進(jìn)行連接，多用于微機(jī)控制系統(tǒng)中。 2. 8 位 CMOS 集成 D/A 轉(zhuǎn)換器 CDA7524 簡(jiǎn)介數(shù)據(jù)鎖存器20 k20 k20 k20 k20 k10 k10 k10 k10 kVDDVREF151213CSWR45611D7(MSB)D6D5D0(LSB)S0S1S2S7OUT112316iRFBOUT2GND基準(zhǔn)電壓輸入端 VREF 可正可負(fù) 片選控制端 電源電壓范圍 + 5 V + 15 V 8 位數(shù)據(jù)輸入端，其電平與 TTL 電平兼容。MSB 表示最高位，

11、LSB 表示最低位。接地端 內(nèi)部反饋電阻 RF 的引出端 兩個(gè)輸出端，一般將 OUT2 接地，OUT1 接運(yùn)放反向端。 寫(xiě)信號(hào)控制端 例右圖為 CDA7524 的單極性輸出應(yīng)用電路。圖中電位器 R1 用于調(diào)整運(yùn)放增益，電容 C 用以消除運(yùn)放的自激。已知 ULSB = VREF / 256，試求滿度輸出電壓及滿度輸出時(shí)所需的輸入信號(hào)。 CDA752445789106111213D7D6D4D3D2D1D5D0CS314VDD151612VREF = 10V+-OUT1OUT2uOC2 kR2R11 k15 pFWR解： 當(dāng) D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 = 11111111 時(shí)

12、，輸出為滿度值。uO = - UFSR - 9.961 V。8位的D/A轉(zhuǎn)換器常用的有DAC0832、DAC0808，都屬于R2RT型電阻網(wǎng)絡(luò)型。剛才所介紹的AD7520為AD公司的產(chǎn)品。主要要求：了解模數(shù)轉(zhuǎn)換的基本原理。了解 A/D 轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)。 了解常用 A/D 轉(zhuǎn)換器。8.3 A/D 轉(zhuǎn)換器 一、A /D 轉(zhuǎn)換的基本原理和一般步驟 “ ”表示取整。 基本原理ADCD0D1Dn-2Dn-1uI模擬輸入信號(hào)n 位二進(jìn)制數(shù)輸出D = Dn-1 Dn-2 D1 D0 可見(jiàn)，輸出數(shù)字量 D 正比于輸入模擬量 uI 。 稱為 ADC 的單位量化電壓或量化單位，它是 ADC 的最小分辨電壓。采樣

13、：把時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)變換為時(shí)間離散的信號(hào)。保持：保持采樣信號(hào)，使有充分時(shí)間轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。量化：把采樣保持電路的輸出信號(hào)用單位量化電壓的 整數(shù)倍表示。編碼：把量化的結(jié)果用二進(jìn)制代碼表示。A /D 轉(zhuǎn)換的一般步驟 uI(t)C量化編碼電路Dn-1D1D0uI(t)S采樣保持電路輸入模擬量輸出數(shù)字量ChULUIA1A2步驟：（1）采樣時(shí)，使UL為高電平，S閉合，UO=UI，此時(shí)，UCH=UI。（2）采樣結(jié)束時(shí)，S斷開(kāi)，由于A2的輸入阻抗很高，Ch上的電壓基本保持不變。（3）當(dāng)下一個(gè)采樣控制信號(hào)到來(lái)后，S又閉合，電容Ch上的電壓又跟隨此時(shí)的輸入信號(hào)UI而變化。采樣信號(hào)是否會(huì)丟失原信號(hào)的信息呢？對(duì)信

14、號(hào)進(jìn)行量化會(huì)引起誤差嗎？量化誤差大小與 ADC 的位數(shù)、基準(zhǔn)電壓 VREF 和量化方法有關(guān)。 采樣定理：當(dāng)采樣頻率不小于輸入模擬信號(hào)頻譜 中最高頻率的兩倍時(shí)，采樣信號(hào)可以 不失真地恢復(fù)為原模擬信號(hào)。 量化誤差：因模擬電壓不一定能被 ULSB 整除， 量化時(shí)舍去余數(shù)而引起的誤差。 劃分量化電平的兩種方法最大量化誤差 = = (1/8)V最大量化誤差 = /2 = (1/15)V1 = 1/8V4 = 4/8V0(6/8)V(7/8)V000001010011100101110111模擬電平二進(jìn)制代碼代表的模擬電平0 = 0V2 = 2/8V3 = 3/8V5 = 5/8V6 = 6/8V7 =

15、7/8V(5/8)V(4/8)V(3/8)V(2/8)V(1/8)V(8/8)V模擬電平二進(jìn)制代碼代表的模擬電平0 = 0V1 = 2/15V2 = 4/15V3 = 6/15V4 = 8/15V5 = 10/15V6 = 12/15V7 =14/15V(13/15)V0000001010011100101110111(11/15)V(15/15)V(9/15)V(3/15)V(7/15)V(1/15)V(5/15)V只舍不入VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型 ADC 0000000000u

16、I電阻構(gòu)成分壓器 VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型 ADC 0000001001uIVREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型 ADC 0000011010uIVREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型 ADC 0000111011uIVREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1

17、D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型 ADC 0001111100uIVREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型 ADC 0011111101uIVREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型 ADC 0111111110uIVREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型 ADC 1

18、111111111uI三、常用 ADC 的類型和主要參數(shù) (一)常用 ADC 的類型 常用 ADC 主要有并聯(lián)比較型、雙積分型和逐次逼近型。其中，并聯(lián)比較型 ADC 轉(zhuǎn)換速度最快，但價(jià)格貴；雙積分型 ADC 精度高、抗干擾能力強(qiáng)，但速度慢；逐次逼近型速度較快、精度較高、價(jià)格適中，因而被廣泛采用。 A/D轉(zhuǎn)換器直接型間接型并聯(lián)比較型反饋比較型計(jì)數(shù)型逐次漸進(jìn)型電壓時(shí)間變換型積分型(U-T)電壓頻率變換型(U-F)指 ADC 實(shí)際輸出數(shù)字量與理想輸出數(shù)字量之間的最大差值。通常用最低有效位 LSB 的倍數(shù)來(lái)表示。 (二) 主要參數(shù) 2. 相對(duì)精度(又稱轉(zhuǎn)換誤差) 指 ADC 輸出數(shù)字量的最低位變化一個(gè)

19、數(shù)碼時(shí)，對(duì)應(yīng)輸入模擬量的變化量。 1. 分辨率 例如 最大輸出電壓為 5V 的 8 位 ADC 的分辨率為： 5V / 28 = 19.6 mA 分辨率也可用 ADC 的位數(shù)表示。位數(shù)越多，能分辨的最小模擬電壓值就越小。 例如 轉(zhuǎn)換誤差不大于 1/2 LSB，即說(shuō)明 實(shí)際輸出數(shù)字量與理想輸出數(shù)字量 之間的最大誤差不超過(guò) 1/2 LSB。 3. 轉(zhuǎn)換時(shí)間 轉(zhuǎn)換速度比較：并聯(lián)比較型 逐次逼近型 雙積分型 數(shù)十 ns 數(shù)十 s 數(shù)十 ms 指 ADC 完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間，即從轉(zhuǎn)換開(kāi)始到輸出端出現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所需要的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間越小，轉(zhuǎn)換速度越高。四、逐次漸進(jìn)型A/D轉(zhuǎn)換器學(xué)習(xí)目的：逐次漸進(jìn)

20、型A/D轉(zhuǎn)換器屬直接型A/D，通過(guò)這部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)，同學(xué)們一要掌握A/D轉(zhuǎn)換器的原理，二要掌握數(shù)字時(shí)序邏輯電路的的分析方法，為今后分析和設(shè)計(jì)更復(fù)雜的電路打基礎(chǔ)。1、工作原理：類似天平稱物體的原理。天平的一端放被稱的物體，另一端加砝碼，各砝碼的重量按二進(jìn)制關(guān)系設(shè)置，一個(gè) 比一個(gè)小一半。稱重時(shí)，將各種重量的砝碼從大到小逐一放在天平上加以試探，經(jīng)天平比較加以取舍，一直到天平基本平衡為止。這樣就以一系列二進(jìn)制碼的重量之和表示了被稱物體的重量。組成：順序脈沖發(fā)生器:依次產(chǎn)生各種重量的砝碼。 控制電路：決定本次所放砝碼的取舍。 寄存器：把順序脈沖發(fā)生器和控制電 路處理后的二進(jìn)制數(shù)暫時(shí)存放起來(lái)。 D/A轉(zhuǎn)換

21、器：寄存器輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量。 電壓比較器：將D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓與被轉(zhuǎn)換 的電壓進(jìn)行比較，輸出用來(lái)控制控制電路。 結(jié)論：3位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換完成用了5個(gè)CP脈沖，n位A/D轉(zhuǎn)換器用n+2個(gè)脈沖。優(yōu)點(diǎn)：精度高，轉(zhuǎn)換速度快，轉(zhuǎn)換時(shí)間固定，簡(jiǎn)化了與計(jì)算機(jī)同步，所以常常用作微機(jī)接口。2、常用的A/D轉(zhuǎn)換器芯片有ADC0809、ADC0804、AD574A。僅介紹ADC0890。CMOS器件，除了有8位A/D轉(zhuǎn)換器外，還有8路模擬開(kāi)關(guān)以及地址鎖存與譯碼，有三條地址輸入線ADDA、ADDB、ADDC，可決定選通一路，該芯片內(nèi)還有便于與微機(jī)數(shù)據(jù)總線連接的三態(tài)輸出鎖存器。UI3UI4UI5UI6UI

22、7STARTEOCD3OECLKVCC+VREFGNDD1UI2UI1UI0ADDAADDBADDCALED7D6D5D4D0-VREFD212345678910111213142827262524232221201918171615五 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器它屬于間接型?；驹硎牵和ㄟ^(guò)兩次積分，先把模擬電壓UI轉(zhuǎn)換成與之大小相對(duì)應(yīng)的時(shí)間T，再在時(shí)間間隔T內(nèi)用計(jì)數(shù)頻率不變的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)字量就正比于輸入模擬電壓。2、工作原理1）初始化：令US=0。則Fn-1F n-1.F1F0FC=00000；D1=1，計(jì)數(shù)器不工作；D2=1，開(kāi)關(guān)S0閉合使積分電容充分放電；由于QC=0，使開(kāi)關(guān)S

23、1接至ui一側(cè)。2）第一次積分階段采樣階段。也叫定時(shí)積分。 令US=1，則D2=0開(kāi)關(guān)S0斷開(kāi)；D1=/cp。 積分器在固定時(shí)間T1內(nèi)進(jìn)行積分，T1=2nTc3）第二次積分。開(kāi)關(guān)S1接至-UR，積分器開(kāi)始反向積分，計(jì)數(shù)器又從零開(kāi)始計(jì)數(shù)，經(jīng)過(guò)時(shí)間T2后積分電壓回升到0，比較器輸出uc為低電平，將門(mén)D1封鎖，停止計(jì)數(shù)，轉(zhuǎn)換結(jié)束。優(yōu)點(diǎn)：具有較強(qiáng)的抗干擾能力，體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。1、采用了測(cè)量輸入電壓在采樣時(shí)間T1內(nèi)平均值的原理，因此對(duì)于周期等于T1或T1/n的對(duì)稱干擾，從理論上講具有無(wú)窮大的抑制能力。在工業(yè)系統(tǒng)中，當(dāng)選擇T1為20ms的整數(shù)倍時(shí)，如T1=40 ms，因?yàn)?0HZ工頻干擾信號(hào)的周期為20ms，滿足T1/n的要求，可很好地抑制工頻干擾。2