電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器

1、第13章數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化工程系 雷永鋒20139/6/2022第13章 數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器 13.1 數(shù)/模（ D/A）轉(zhuǎn)換器 13.2 模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器9/6/2022引言模擬信號(hào) 數(shù)字信號(hào)： A/D轉(zhuǎn)換器 (ADCAnalog To Digital Converter)數(shù)字信號(hào) 模擬信號(hào)： D/A轉(zhuǎn)換器 (DAC Digital To Analog Converter)圖13-1 A/D和D/A轉(zhuǎn)換器應(yīng)用示意圖 9/6/2022A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用放大器傳感器(溫度、壓力、流量、應(yīng)力等）采樣/保持器A/D計(jì)算機(jī)顯示器D/A示波器打印機(jī)計(jì)

2、算機(jī)進(jìn)行各種數(shù)字處理（如濾波、計(jì)算）、數(shù)據(jù)保存、打印等顯示器顯示字符、曲線、圖形、圖象等9/6/202213.1數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器常用在電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器和T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器 13.1.1權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、電子開(kāi)關(guān)、基準(zhǔn)電壓源和運(yùn)算放大器等部分組成。圖13-2 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器 9/6/20221. 電子開(kāi)關(guān)的作用及其組成雙向電子開(kāi)關(guān) 分別受輸入二進(jìn)制數(shù)碼 的控制 圖13-3 5位二進(jìn)制數(shù)11010D/A轉(zhuǎn)換示意圖 9/6/2022電子開(kāi)關(guān)由晶體管或場(chǎng)效應(yīng)晶體管構(gòu)成 圖13-4 晶體管雙向電子開(kāi)關(guān)2. 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)的電阻取值也符合二進(jìn)制規(guī)律。由于電阻

3、阻值和每一位的“權(quán)”相對(duì)應(yīng)，所以稱(chēng)為權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò) 9/6/2022運(yùn)算放大器輸入端的權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成反相加法運(yùn)算電路。這樣，就可以將權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)所轉(zhuǎn)換得的各位模擬量相加，最后獲得D/A轉(zhuǎn)換。 3. 運(yùn)算放大器9/6/2022 D/A的組成輸入4位二進(jìn)制數(shù)輸出模擬電壓S0S3:模擬電子開(kāi)關(guān)D=0, S倒向地D=1, S倒向VREF電阻網(wǎng)絡(luò)求和運(yùn)算放大器VREF2R2R2R2R2RRRR2RS0S1S2S3精密參考電壓D0D1D2D3+-3R3R/2UO9/6/2022VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R+-3R3R/2UO當(dāng)D3D2D1D0=0000時(shí),S3S2S1S

4、0都倒向地UO=0V D/A轉(zhuǎn)換原理當(dāng)D3D2D1D0=0000時(shí)UO3R2R+-3R/2R等效電路3R0000AV= -19/6/2022VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R+-3R3R/2UO D/A轉(zhuǎn)換原理(續(xù))當(dāng)D3D2D1D0=1000時(shí),S2S1S0都倒向地，S3倒向VREFUO3R+-3R/2等效電路2R2RVREF2RRVREF/2UO=-VREF/2當(dāng)D3D2D1D0=1000時(shí)0001AV= -13R9/6/2022VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R+-3R3R/2UO D/A轉(zhuǎn)換原理(續(xù))當(dāng)D3D2D1

5、D0=0100時(shí),S3S1S0都倒向地S2倒向VREF當(dāng)D3D2D1D0=0100時(shí)UO=-VREF/4UO3R+-3R/2等效電路2RRVREF2R2R2R3RVREF/40010AV= -19/6/2022D/A轉(zhuǎn)換原理(續(xù))VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R+-3R3R/2UO同理可推導(dǎo)，當(dāng)D3D2D1D0=0010時(shí)， UO= VREF/8 當(dāng)D3D2D1D0=0001時(shí)， UO= VREF/169/6/2022 D/A轉(zhuǎn)換原理(續(xù))D3D2D1D0=1000時(shí)，UO= VREF/2= D3VREF/21D3D2D1D0=0100時(shí)，UO= VREF

6、/4= D2VREF/22D3D2D1D0=0010時(shí)，UO= VREF/8= D1VREF/23D3D2D1D0=0001時(shí)，UO= VREF/16= D0VREF/24根據(jù)疊加原理: UO= (D3VREF/21+ D2VREF/22 + D1VREF/23 + D0VREF/24 ) = (D3/21+ D2/22 + D1/23 + D0/24 ) VREF = (VREF /24) (23 D3 + 22 D2+ 21 D1 + 20 D0)9/6/2022UO = (VREF /24) (23 D3 + 22 D2+ 21 D1 + 20 D0)D/A轉(zhuǎn)換原理(續(xù))此式表明: D/

7、A電路輸出模擬電壓UO與輸入的 數(shù)字量D3D2D1D0成正比9/6/2022 例13-1 設(shè)，試分別求出二進(jìn)制數(shù)1010和1111相對(duì)應(yīng)的模擬輸出量。 解： （1）當(dāng)數(shù)字量為1010時(shí) （2）當(dāng)數(shù)字量為1111時(shí)顯然，輸出模擬量與輸入數(shù)字量成正比 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可適用于各種有權(quán)碼 ；缺點(diǎn)：阻值有一定的誤差，且易受溫度變化的影響，位數(shù)較多時(shí)，阻值分散性也很大 9/6/202213.1.2 T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器只采用了R、2R兩種阻值的電阻，克服了權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的不足在集成D/A轉(zhuǎn)換芯片中得到更廣泛的應(yīng)用 圖13-5 T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/

8、A轉(zhuǎn)換器 9/6/2022基準(zhǔn)電壓源UR輸出的總電流是固定的，其大小為： 輸出電流和各支路電流的關(guān)系為： 因?yàn)?輸出模擬電壓Uo： T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的輸出模擬電壓Uo與輸入的數(shù)字量成正比 （13-4） 9/6/2022一般取RF = R，則式（13-4）可寫(xiě)成如下形式（135）T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)：電子開(kāi)關(guān)Sk不管是接地還是接虛地，流過(guò)各支路2R電阻中的電流總是近似恒定值，在集成芯片中應(yīng)用得最廣泛 9/6/202213.1.3 D/A轉(zhuǎn)換器主要技術(shù)指標(biāo)1. 分辨率 DAC電路所能分辨的最小輸出電壓增量ULSB與最大輸出電壓Um之比稱(chēng)為分辨率，它是轉(zhuǎn)換器的一個(gè)重要參數(shù)，其表示式

9、為 ：2. 線性度通常用非線性誤差的大小來(lái)表示D/A轉(zhuǎn)換器的線性度，并且把偏離理想的輸入輸出特性的偏差與滿(mǎn)刻度輸出之比的百分?jǐn)?shù)定義為非線性誤差。 9/6/20223.絕對(duì)精度在D/A轉(zhuǎn)換器中，任何輸入數(shù)碼所對(duì)應(yīng)的實(shí)際模擬電壓值與其理想電壓值之差的最大值定義為絕對(duì)精度，它描述了在整個(gè)工作區(qū)內(nèi)實(shí)際的輸出電壓與理想的輸出電壓之間的最大偏差 4. 建立時(shí)間實(shí)際上D/A轉(zhuǎn)換器內(nèi)的電容、電感和開(kāi)關(guān)電路均存在時(shí)間延遲，即經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能使新的模擬量穩(wěn)定下來(lái)，這段時(shí)間就是D/A轉(zhuǎn)換器的建立時(shí)間，它反映了D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。 9/6/202213.1.4 集成D/A轉(zhuǎn)換器舉例集成D/A轉(zhuǎn)換器芯片的型號(hào)繁多，

10、按照輸入二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)分類(lèi)有8位、10位、12位和16位等多種。8位的如DAC0832、DAC0808，10位的如DA7533、DA7520，12位的如DA7543等。 CC7520集成D/A轉(zhuǎn)換器（相應(yīng)的國(guó)產(chǎn)型號(hào)為5G7520） 圖13-6 CC7520集成D/A轉(zhuǎn)換器9/6/2022在其基本應(yīng)用電路圖13-6中，運(yùn)算放大器的輸出電壓為圖13-7 CC7520的CMOS電子開(kāi)關(guān)9/6/202213.2 模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器 13.2.1 A/D轉(zhuǎn)換器概述AD轉(zhuǎn)換器的作用是將輸入的模擬電壓數(shù)字化，并轉(zhuǎn)換成在數(shù)值上與之成正比的二進(jìn)制數(shù)。 一類(lèi)是直接AD轉(zhuǎn)換器 一類(lèi)是間接AD轉(zhuǎn)換器 A/D轉(zhuǎn)換

11、采樣和保持 量化和編碼兩大步驟 采樣保持電路來(lái)完成 A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)實(shí)現(xiàn) 9/6/2022將一個(gè)時(shí)間上和幅值上連續(xù)的模擬量vI轉(zhuǎn)換成時(shí)間上離散的模擬量vS的過(guò)程稱(chēng)為采樣: 圖13-8 模擬信號(hào)的采樣采樣后，v I被轉(zhuǎn)換成連續(xù)的相等時(shí)間間隔的脈沖信號(hào)，其幅值等于采樣時(shí)輸入模擬量的值采樣后的電壓需要保持一段時(shí)間 9/6/2022把采樣后的電壓幅值化為最小數(shù)量單位的整數(shù)倍的過(guò)程叫做量化。 只舍不入 有舍有入 圖13-9 劃分量化電平的兩種方法示意圖用數(shù)字代碼表示量化結(jié)果的過(guò)程叫做編碼 9/6/202213.2.2 并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器整個(gè)電路由電阻分壓器（量化標(biāo)尺）、電壓比較器、寄存器和編碼電路4部

12、分組成。圖13-10電路為2位二進(jìn)制數(shù)輸出的并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器 9/6/2022表13-1 圖13-10中輸入模擬電壓和輸出數(shù)碼之間的關(guān)系 輸入模擬電壓UI寄存器狀態(tài)C2C1C0數(shù)字輸出D2D100000001010111011111 最大量化誤差為。9/6/2022并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器（三位）原理(補(bǔ)充)DQDQDQDQDQDQDQ7VR/86VR/85VR/84VR/83VR/82VR/8VR/8VRRRRRRRRRUIUI 6VR/8時(shí)，輸出=1UI 7VR/8時(shí)，輸出=1UI 7VR/8時(shí)，輸出=0UI 6VR/8時(shí)，輸出=0電壓比較器D鎖存器編 碼 器QBQAQGQFQEQCQ

13、DD2D1D0輸入模擬電壓精密 參考電壓精密電阻網(wǎng)絡(luò)（23個(gè)電阻）輸出數(shù)字量CPUI VR/8時(shí)，輸出=1UI VR/8時(shí)，輸出=09/6/2022并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器中的編碼器真值表 UI QA QB QC QD QE QF QG D2 D1 D0 6VR/8 UI 5VR/8 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 5VR/8 UI 4VR/8 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 7VR/8 UI 6VR/8 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 VR UI 7VR/8 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4VR/8 UI 3VR/8 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 3

14、VR/8 UI 2VR/8 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 2VR/8 UI VR/8 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 VR/8 UI 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 特點(diǎn)：輸入電壓UI每增加VR/8 ，輸出數(shù)字量增加1根據(jù)以上真值表設(shè)計(jì)編碼器的組合邏輯電路（設(shè)計(jì)略）9/6/202213.2.3 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換的過(guò)程與天平稱(chēng)物重量的過(guò)程相似 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器被轉(zhuǎn)換的電壓相當(dāng)于天平所稱(chēng)的物體重量，而所轉(zhuǎn)換的數(shù)字量相當(dāng)于在天平上逐次添加砝碼所保留下來(lái)的砝碼重量 9/6/20221. 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的基本電路 圖13-11 3位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器9/6/20222. 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理輸入的模擬電壓UI，經(jīng)采樣保持電路得到的采樣電壓，設(shè)為， 作用在比較器的同相輸入端，而三位D/A轉(zhuǎn)換器的輸出經(jīng)修正后的電壓Uf，作用在比較器的反相輸入端見(jiàn)課本P286圖13-11所示的n位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換一次需要（n +2）個(gè)時(shí)鐘周期（包括讀出周期），位數(shù)越多，轉(zhuǎn)換時(shí)間也就相應(yīng)增長(zhǎng)。與并聯(lián)比較型相比，速度要低一些，但所需硬件則較少。因而對(duì)速度要求不是特別高的場(chǎng)合，逐次逼近型的應(yīng)用最為廣泛。 9/6/202213.2.4 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)1. 分辨