第23章模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換

第23章模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換學(xué)習(xí)要點：數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換的基本原理概述能將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的電路稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC；能將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，簡稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC。ADC和DAC是溝通模擬電路和數(shù)字電路的橋梁，也可稱之為兩者之間的接口。數(shù)—模和?！獢?shù)轉(zhuǎn)換的原理框圖D/A和A/D轉(zhuǎn)換器的原理框圖23.1D/A轉(zhuǎn)換器23.1.1D/A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)將輸入的每一位二進制代碼按其權(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)字量成正比，這樣便實現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換?；驹磙D(zhuǎn)換特性D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性，是指其輸出模擬量和輸入數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。圖示是輸入為3位二進制數(shù)時的D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性。理想的D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性，應(yīng)是輸出模擬量與輸入數(shù)字量成正比。即：輸出模擬電壓uo=Ku×D或輸出模擬電流io=Ki×D。其中Ku或Ki為電壓或電流轉(zhuǎn)換比例系數(shù)，D為輸入二進制數(shù)所代表的十進制數(shù)。如果輸入為n位二進制數(shù)dn-1dn-2…d1d0，則輸出模擬電壓為：（1）分辨率分辨率用輸入二進制數(shù)的有效位數(shù)表示。在分辨率為n位的D/A轉(zhuǎn)換器中，輸出電壓能區(qū)分2n個不同的輸入二進制代碼狀態(tài)，能給出2n個不同等級的輸出模擬電壓。分辨率也可以用D/A轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓的比值來表示。10位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為：（2）精度D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是指輸出模擬電壓的實際值與理想值之差，即最大靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。（3）輸出電壓(或電流)的建立時間從輸入數(shù)字信號起，到輸出電壓或電流到達穩(wěn)定值時所需要的時間，稱為輸出建立時間。（4）線性度通常用非線性誤差的大小表示D/A轉(zhuǎn)換器的線性度。產(chǎn)生非線性誤差有兩種原因：一是各位模擬開關(guān)的壓降不一定相等，而且接UR和接“地”時的壓降也未必相等；各個電阻阻值的偏差不可能做到完全相等，而且不同位置上的電阻阻值的偏差對輸出模擬電壓的影響又不一樣。（5）電源抑制比在高質(zhì)量的D/A轉(zhuǎn)換器中、要求模擬開關(guān)電路和運算放大器的電源電壓發(fā)生變化時，對輸出電壓的影響非常小。輸出電壓的變化與相對應(yīng)的電源電壓變化之比，稱為電源抑制比。此外，還有功率消耗、溫度系數(shù)以及輸入高、低邏輯電平的數(shù)值等技術(shù)指標(biāo)。23.1.2倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器不論模擬開關(guān)接到運算放大器的反相輸入端（虛地）還是接到地，也就是不論輸入數(shù)字信號是1還是0，各支路的電流不變的。設(shè)RF=R/2①分別從虛線A、B、C、D處向右看的二端網(wǎng)絡(luò)等效電阻都是R。②不論模擬開關(guān)接到運算放大器的反相輸入端（虛地）還是接到地，也就是不論輸入數(shù)字信號是1還是0，各支路的電流不變。AD7520的外引線排列及連接電路AD7520輸入數(shù)字量與輸出模擬量的關(guān)系23.1.3集成D/A轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用本節(jié)小結(jié)：D/A轉(zhuǎn)換器的功能是將輸入的二進制數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的模擬信號輸出。D/A轉(zhuǎn)換器根據(jù)工作原理基本上可分為二進制權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器和T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器兩大類。由于T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器只要求兩種阻值的電阻，因此最適合于集成工藝，集成D/A轉(zhuǎn)換器普遍采用這種電路結(jié)構(gòu)。如果輸入的是n位二進制數(shù)，則D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為：23.2.1A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理模擬電子開關(guān)S在采樣脈沖CPS的控制下重復(fù)接通、斷開的過程。S接通時，ui(t)對C充電，為采樣過程；S斷開時，C上的電壓保持不變，為保持過程。在保持過程中，采樣的模擬電壓經(jīng)數(shù)字化編碼電路轉(zhuǎn)換成一組n位的二進制數(shù)輸出。23.2A/D轉(zhuǎn)換器t0時刻S閉合，CH被迅速充電，電路處于采樣階段。由于兩個放大器的增益都為1，因此這一階段uo跟隨ui變化，即uo＝ui。t1時刻采樣階段結(jié)束，S斷開，電路處于保持階段。若A2的輸入阻抗為無窮大，S為理想開關(guān)，則CH沒有放電回路，兩端保持充電時的最終電壓值不變，從而保證電路輸出端的電壓uo維持不變。（1）分辨率A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率用輸出二進制數(shù)的位數(shù)表示，位數(shù)越多，誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高。例如，輸入模擬電壓的變化范圍為0～5V，輸出8位二進制數(shù)可以分辨的最小模擬電壓為5V×2－8＝20mV；而輸出12位二進制數(shù)可以分辨的最小模擬電壓為5V×2－12≈1.22mV。（2）相對精度在理想情況下，所有的轉(zhuǎn)換點應(yīng)當(dāng)在一條直線上。相對精度是指實際的各個轉(zhuǎn)換點偏離理想特性的誤差。（3）轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度是指完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間。轉(zhuǎn)換時間是指從接到轉(zhuǎn)換控制信號開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字輸出信號所經(jīng)過的這段時間。（4）電源抑制轉(zhuǎn)換開始前先將所有寄存器清零。開始轉(zhuǎn)換以后，時鐘脈沖首先將寄存器最高位置成1，使輸出數(shù)字為100…0。這個數(shù)碼被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓uo，送到比較器中與ui進行比較。若ui＞uo，說明數(shù)字過大了，故將最高位的1清除；若ui＜uo，說明數(shù)字還不夠大，應(yīng)將這一位保留。然后，再按同樣的方式將次高位置成1，并且經(jīng)過比較以后確定這個1是否應(yīng)該保留。這樣逐位比較下去，一直到最低位為止。比較完畢后，寄存器中的狀態(tài)就是所要求的數(shù)字量輸出。原理框圖基本原理23.2.2逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器4位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器組成部分逐次逼近寄存器它由四個可控RS觸發(fā)器FF3,FF2,FF1,FF0組成,其輸出是四位二進制數(shù)d3,d2,d1,d0。順序脈沖發(fā)生器它為環(huán)形計數(shù)器,輸出的是Q4,Q3,Q2,Q1,Q0五個在時間上有一定先后順序的順序脈沖,依次右移一位。D/A轉(zhuǎn)換器它的輸入來自逐次逼近寄存器,D/A轉(zhuǎn)換器將這個輸入數(shù)字量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬電壓U0,送到電壓比較器的同相輸入端。電壓比較器控制邏輯門讀出與門U0逼近U1的波形四位逐次逼近型ADC的轉(zhuǎn)換過程ADC0809的結(jié)構(gòu)框圖ADC0809的外引線排列圖8選1模擬量選通表轉(zhuǎn)換開始前，先使Q1=Q2=Q3=Q4=0，Q5=1，第一個CP到來后，Q1=1，Q2=Q3=Q4=Q5=0，于是FFA被置1，F(xiàn)FB和FFC被置0。這時加到D/A轉(zhuǎn)換器輸入端的代碼為100，并在D/A轉(zhuǎn)換器的輸出端得到相應(yīng)的模擬電壓輸出uo。uo和ui在比較器中比較，當(dāng)若ui＜uo時，比較器輸出uc=1；當(dāng)ui≥uo時，uc=0。第二個CP到來后，環(huán)形計數(shù)器右移一位，變成Q2=1，Q1=Q3=Q4=Q5=0，這時門G1打開，若原來uc=1，則FFA被置0，若原來uc=0，則FFA的1狀態(tài)保留。與此同時，Q2的高電平將FFB置1。第三個CP到來后，環(huán)形計數(shù)器又右移一位，一方面將FFC置1，同時將門G2打開，并根據(jù)比較器的輸出決定FFB的1狀態(tài)是否應(yīng)該保留。第四個CP到來后，環(huán)形計數(shù)器Q4=1，Q1=Q2=Q3=Q5=0，門G3打開，根據(jù)比較器的輸出決定FFC的1狀態(tài)是否應(yīng)該保留。第五個CP到來后，環(huán)形計數(shù)器Q5=1，Q1=Q2=Q3=Q4=0，F(xiàn)FA、FFB、FFC的狀態(tài)作為轉(zhuǎn)換結(jié)果，通過門G6、G7、G8送出。工作原理23.2.3集成A/D轉(zhuǎn)換器及應(yīng)用

A/D轉(zhuǎn)換器的功能是將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成一組多位的二進制數(shù)字輸出。不同的A/D轉(zhuǎn)換方式具有各自的特點。并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度快，主要缺點是要使用的比較器和觸發(fā)器很多，隨著分辨率的提