DAC的系統(tǒng)應用與ADC原理

DAC的系統(tǒng)應用實例MCS51單電源系統(tǒng)中的綜合應用：現(xiàn)實問題：只有正電源（5V或12V），沒有負電源！怎么辦？！倒T型DAC的內(nèi)部電路倒T型DAC的等效電路

(1/2)Vref如何正確得到(1/2)Vref

？？還是基本原理解決問題！R-2RDAC小結電壓和成型R-2R：低速低成本；等效成可編程電壓源與R的串聯(lián)輸出；其輸出阻抗為R；倒T型R-2R:較高速低成本；等效成可編程電流源與R串聯(lián)輸出；輸出阻抗為R；須外接運放實現(xiàn)I-V變換；

A/D轉(zhuǎn)換是將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換過程通過取樣、保持、量化和編碼四個步驟完成。模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器的基本工作原理采樣保持量化編碼VIDO模擬量輸入數(shù)字量輸出取樣（也稱采樣）是將時間上連續(xù)變化的信號，轉(zhuǎn)換為時間上離散的信號，即將時間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為一系列等間隔的脈沖，脈沖的幅度取決于輸入模擬量。取樣和保持取樣過程采樣脈沖輸入模擬信號采樣輸出信號模擬信號經(jīng)采樣后，得到一系列樣值脈沖。采樣脈沖寬度τ一般是很短暫的，在下一個采樣脈沖到來之前，應暫時保持所取得的樣值脈沖幅度，以便進行轉(zhuǎn)換。因此，在取樣電路之后須加保持電路。①在采樣脈沖S(t)到來的時間τ內(nèi)，VT導通，UI(t)向電容C充電，假定充電時間常數(shù)遠小于τ，則有：UO(t)＝US(t)＝UI(t)。－－采樣②采樣結束，VT截止，而電容C上電壓保持充電電壓UI(t)不變，直到下一個采樣脈沖到來為止。－－保持場效應管VT為采樣門，電容C為保持電容，運算放大器為跟隨器，起緩沖隔離作用。取樣保持電路及輸出波形輸入的模擬電壓經(jīng)過取樣保持后，得到的是階梯波。而該階梯波仍是一個可以連續(xù)取值的模擬量，但n位數(shù)字量只能表示2n個數(shù)值。因此，用數(shù)字量來表示連續(xù)變化的模擬量時就有一個類似于四舍五入的近似問題。量化和編碼將采樣后的樣值電平歸化到與之接近的離散電平上，這個過程稱為量化。指定的離散電平稱為量化電平Uq

。用二進制數(shù)碼來表示各個量化電平的過程稱為編碼。兩個量化電平之間的差值稱為量化單位Δ，位數(shù)越多，量化等級越細，Δ就越小。取樣保持后未量化的Uo值與量化電平Uq值通常是不相等的，其差值稱為量化誤差ε，即ε=Uo-Uq。量化的方法一般有兩種：只舍不入法和有舍有入法。A/D轉(zhuǎn)換器有直接轉(zhuǎn)換法和間接轉(zhuǎn)換法兩大類。直接法是通過一套基準電壓與取樣保持電壓進行比較，從而直接將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。其特點是工作速度高，轉(zhuǎn)換精度容易保證，調(diào)準也比較方便。直接A/D轉(zhuǎn)換器有計數(shù)型、逐次比較型、并行比較型等。間接法是將取樣后的模擬信號先轉(zhuǎn)換成中間變量時間t或頻率f,然后再將t或f轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。其特點是工作速度較低，但轉(zhuǎn)換精度可以做得較高，且抗干擾性強。間接A/D轉(zhuǎn)換器有單次積分型、雙積分型等。A/D轉(zhuǎn)換器的主要電路形式1.并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器量化電平依據(jù)有舍有入劃分為7個電平。量化單位為Δ=(2/15)UREF量化誤差為|εmax|=(1/15)UREF電壓比較器

U+≥U-時，Ci＝1；

U+＜U-時，Ci＝0。

并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器真值表1輸入模擬電壓寄存器狀態(tài)數(shù)字量輸出（編碼器輸入）（編碼器輸出）QQQQQQQ6543210ddd210uI15~()15)(15~15)(15~15)(15~15)(15~15)(15~15)(15~15)(~1033557799111113131UREFUREFUREFUREFUREFUREFUREFUREF00000011111111111110111001100110110111000100100000000100000001010011100101110111例如：uI＝4.2V，UREF＝6V。3.6V～4.4V則數(shù)字量輸出d2d1d0＝101。①優(yōu)點：轉(zhuǎn)換速度很快，故又稱高速A/D轉(zhuǎn)換器。含有寄存器的A/D轉(zhuǎn)換器兼有取樣保持功能，所以它可以不用附加取樣保持電路。②缺點：電路復雜，對于一個n位二進制輸出的并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器，需２n-1個電壓比較器和2n-1個觸發(fā)器，編碼電路也隨n的增大變得相當復雜。且轉(zhuǎn)換精度還受分壓網(wǎng)絡和電壓比較器靈敏度的限制。因此，這種轉(zhuǎn)換器適用于高速，精度較低的場合。

并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的特點：逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器(SAR)SuccessiveApproximationRegister

逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器原理圖①轉(zhuǎn)換開始前先將逐次逼近寄存器SAR清“0”；②開始轉(zhuǎn)換以后，第一個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)換成相應的模擬電壓uo，經(jīng)偏移Δ/2后得到uO′＝uO－Δ/2，并送到比較器中與uI′進行比較。若uI′＜uo′，說明數(shù)字過大，故將最高位的1清除置零；若uI′≥uo′，說明數(shù)字還不夠大，應將這一位保留。③然后，按同樣的方法將次高位置成1，并且經(jīng)過比較以后確定這個1是保留還是清除。這樣逐位比較下去，一直到最低位為止。比較完畢后，SAR中的狀態(tài)就是所要求的數(shù)字量輸出。逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理：例：若UREF＝-4V，n＝4。當采樣保持電路輸出電壓uI′=2.49V時，試列表說明逐次逼近型ADC電路的A/D轉(zhuǎn)換過程。解：量化單位為偏移電壓為Δ/2＝0.125V轉(zhuǎn)換的結果為：d3d2d1d0＝1010。SAR-ADC——LOGICSAR-ADC——Simulation3）雙積分式ADC

基本原理：通過兩次積分過程(“對被測電壓的定時積分和對參考電壓的定值積分”)的比較，得到被測電壓值。原理框圖包括積分器、過零比較器、計數(shù)器及邏輯控制電路。下圖a.原理框圖，b.工作波形圖。原理框圖工作波形圖雙積分式ADC工作過程復零階段（t0~t1）。開關S2接通T0時間，積分電容C短接，使積分器輸出電壓Vo回到零（Vo=0）。對被測電壓定時積分(t1~t2)。接入被測電壓（設Vx為正），則積分器輸出Vo從零開始線性地負向增長，經(jīng)過規(guī)定的時間T1，Vo達到最大Vom，

式中，為Vx的平均值，為積分波形的斜率(定值)

對參考電壓反向定值積分(t2~t3)。接入?yún)⒖茧妷?若Vx為正，則接入-Vr)，積分器輸出Vo從Vom開始線性地正向增長(與Vx的積分方向相反)直至零。此時，過零比較器翻轉(zhuǎn)。經(jīng)歷的反向積分時間為T2，則有：將Vom代入可得：由于T1、T2是通過對同一時鐘信號（設周期T0）計數(shù)得到（設計數(shù)值分別為N1、N2），即T1=N1T0，T2=N2T0，于是或

式中，為A/D轉(zhuǎn)換器的刻度系數(shù)（“V/字”）。可見計數(shù)結果N2（數(shù)字量）即可表示被測電壓Vx，N2即為雙積分A/D轉(zhuǎn)換結果。雙積分式ADC特點：基于V-T變換的比較測量原理。一次測量包括3個連續(xù)過程，所需時間為T0+T1+T2，其中，T0、T1是固定的，T2則與被測電壓Vx有關，Vx愈大T2愈大。一般轉(zhuǎn)換時間在幾十ms~幾百ms，（轉(zhuǎn)換速度為幾次/秒~幾十次/秒），其速度是較低的，常用于高精度慢速測量的場合。積分器的R、C元件對A/D轉(zhuǎn)換結果不會產(chǎn)生影響，因而對元件參數(shù)的精度和穩(wěn)定性要求不高。參考電壓Vr的精度和穩(wěn)定性對A/D轉(zhuǎn)換結果有影響，一般需采用精密基準電壓源。（例如，一個16bit的A/D轉(zhuǎn)換器，其分辨率LSB=1/216=1/65536≈15×10-6，那么，要求基準電壓源的穩(wěn)定性（主要為溫度漂移）優(yōu)于15ppm（即百萬分之15））。雙積分式ADC特點：比較器要求具有較高的電壓分辨力（靈敏度）和時間分辨力（響應帶寬）。如一個12位的A/D轉(zhuǎn)換器，若滿度時積分器輸出電壓為4.096V，則ADC的1LSB=4.096V/4096=1mV，則要求比較器的靈敏度優(yōu)于1mV。響應帶寬則決定了比較器及時響應積分器輸出信號快速（斜率較陡峭）過零時的能力。積分器響應的是輸入電壓的平均值，因而具有較好的抗干擾能力。如輸入電壓vx=Vx+vsm，則T1階段結束時積分器的輸出為DVM的最大干擾來自于電網(wǎng)50Hz工頻電壓（周期為20ms），因此，只要選擇T1時間為20ms的整倍數(shù)，則干擾信號vsm的平均值為零。

雙積分型ADC的轉(zhuǎn)換原理是先將模擬電壓UI轉(zhuǎn)換成與其大小成正比的時間間隔T，再利用基準時鐘脈沖通過計數(shù)器將T變換成數(shù)字量。

雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器這種A/D轉(zhuǎn)換器具有很多優(yōu)點。首先，其轉(zhuǎn)換結果與時間常數(shù)RC無關，從而消除了由于斜波電壓非線性帶來的誤差，允許積分電容在一個較寬范圍內(nèi)變化，而不影響轉(zhuǎn)換結果。其次，由于輸入信號積分的時間較長，且是一個固定值T1，而T2正比于輸入信號在T1內(nèi)的平均值，這對于疊加在輸入信號上的干擾信號有很強的抑制能力。最后，這種A/D轉(zhuǎn)換器不必采用高穩(wěn)定度的時鐘源，它只要求時鐘源在一個轉(zhuǎn)換周期（T1+T2）內(nèi)保持穩(wěn)定即可。這種轉(zhuǎn)換器被廣泛應用于要求精度較高而轉(zhuǎn)換速度要求不高的儀器中。

分辨率=1.分辨率分辨率指A/D轉(zhuǎn)換器對輸入模擬信號的分辨能力。從理論上講，一個n位二進制數(shù)輸出的A/D轉(zhuǎn)換器應能區(qū)分輸入模擬電壓的2n個不同量級，能區(qū)分輸入模擬電壓的最小差異為（滿量程輸入的1/2n）。A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術指標例如，A/D轉(zhuǎn)換器的輸出為12位二進制數(shù)，滿幅度輸入模擬信號為10V，則其分辨率為

2.轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間是指A/D轉(zhuǎn)換器從接到轉(zhuǎn)換啟動信號開始，到輸出端獲得穩(wěn)定的數(shù)字信號所經(jīng)過的時間。

A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度主要取決于轉(zhuǎn)換電路的類型，不同類型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度相差很大。①雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最慢，需幾百毫秒左右；②逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度較快，需幾十微秒；③并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最快，僅需幾十納秒時間。轉(zhuǎn)換誤差

它表示A/D轉(zhuǎn)換器實際輸出的數(shù)字量和理論上輸出的數(shù)字量之間的差別。常用最低有效位的倍數(shù)表示。例如，轉(zhuǎn)換誤差≤。就表明實際輸出的數(shù)字量和理論上應得到的輸出數(shù)字量之間的誤差小于最低位的半個字。例：某信號采集系統(tǒng)要求用一片A/D轉(zhuǎn)換集成芯片在1s內(nèi)對16個熱電偶的輸出電壓分數(shù)進行A/D轉(zhuǎn)換。已知熱電偶輸出電壓范圍為0～25mV（對應于0～450℃溫度范圍），需分辨的溫度為0.1℃，試問應選擇幾位的A/D轉(zhuǎn)換器？其轉(zhuǎn)換時間為多少？解：分辨率=12位ADC的分辨率=故需選用13位A/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換時間=知識的綜合ADC的取樣率的選取，理論VS實踐；ADC的驅(qū)動，基本電路原理；ADC的電路設計，還是地線問題！知識的綜合ADC的取樣率的選取，理論VS實踐；ADC的驅(qū)動，基本電路原理；ADC的電路設計，還是地線問題！ADC的取樣率的選取基本原則，盡量選擇較高的頻率！！抗混疊濾波器電壓緩沖器ADC原因：1、沒有理想的抗混疊濾波器；2、LPF通常會引入不同程度的相位誤差；3、為信號的數(shù)字處理提供足夠的信息量；ADC的取樣率的選取如何選取抗混疊濾波器將不關心的頻率成分衰減到ADC的分辨率之下，也即：幅度衰減到1LSB以內(nèi)，使得ADC很難“認出”高頻信號；例如：采用12bit分辨的ADC，取樣頻率為10KHz，則抗混疊濾波在5KHz處的信號衰減能力要能達到1/4096；表示為dB格式：提高取樣率之后例如：采用12bit分辨的ADC，取樣頻率為10KHz，則抗混疊濾波在5KHz處的信號衰減能力要能達到1/4096；1、如果關心的信號成分出現(xiàn)在接近5KHz的位置，將使得濾波器設計很困難！2、如果將取樣頻率提高100KHz，則很容易使得濾波器在50KHz處的信號衰減到1/4096以下,從而使得5KHz附近的信號順利通過；提高取樣率之后較簡單的濾波器結構可以保證較小的信號幅度、相位失真；將高速取樣后的量化數(shù)據(jù)進行“性能更加理想”的數(shù)字濾波，獲得最終所需要的頻段內(nèi)的信號；現(xiàn)代的硬件性能足以支持你的設計思想；合理選擇ADC系統(tǒng)設計精度決定位數(shù)（分辨率）；所關心的最高頻率成分決定取樣率（ADC的速度等級）；主控芯片的類型決定ADC的接口類型；海選——再選——備選——定型；著名生產(chǎn)商：

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