第十一章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換

第十一章數(shù)-模和模-數(shù)轉(zhuǎn)換

概述本章小結(jié)A/D轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器

數(shù)模轉(zhuǎn)換是把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的過(guò)程。

實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路稱數(shù)模轉(zhuǎn)換器

Digital-AnalogConverter，簡(jiǎn)稱

D/A轉(zhuǎn)換器。

模數(shù)轉(zhuǎn)換是把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的過(guò)程。

實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路稱模數(shù)轉(zhuǎn)換器

Analog-DigitalConverter，簡(jiǎn)稱A/D轉(zhuǎn)換器

11.1概述

一、模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換的概念11.1概述二、用途傳感器放大器A/D轉(zhuǎn)換微型計(jì)算機(jī)控制對(duì)象D/A轉(zhuǎn)換溫度時(shí)間三、要求：

！精度！速度電加熱爐熱電偶執(zhí)行機(jī)構(gòu)

由此可見(jiàn)，模擬—數(shù)字轉(zhuǎn)換器和數(shù)字—模擬轉(zhuǎn)換器是數(shù)字系統(tǒng)和模擬系統(tǒng)相互聯(lián)系的橋梁，是數(shù)字系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。將溫度、壓力、流量等物理量轉(zhuǎn)換為模擬電量。計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字處理如計(jì)算、濾波、保存等用模擬量作為控制信號(hào)四、分類※※主要要求：

理解數(shù)模轉(zhuǎn)換的基本原理。

了解常用D/A轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)。理解常用D/A轉(zhuǎn)換器的電路組成、工作原理、特點(diǎn)及應(yīng)用。11.2D/A轉(zhuǎn)換器

數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合而成的，對(duì)于有權(quán)碼，每位代碼都有一定的權(quán)值，如能將每一位代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后，將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字量成正比的模擬量，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字量--模擬量的轉(zhuǎn)換。ND＝b4×24＋b3×23＋b2×22＋b1×21＋b0×20

＝1×24＋1×23＋0×22＋0×21＋1×20將二進(jìn)制數(shù)ND＝(11001)B轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。D/A轉(zhuǎn)換的基本原理11.2.1權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器

一、電路組成權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)模擬開(kāi)關(guān)求和放大器二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)最低位最高位

模擬開(kāi)關(guān)Si是4個(gè)電子開(kāi)關(guān)，其狀態(tài)受各位輸入數(shù)字量控制，當(dāng)di=1時(shí)，開(kāi)關(guān)Si

接到參考電壓端，電阻Ri

與基準(zhǔn)電壓VREF相連；當(dāng)Di

=0時(shí)，開(kāi)關(guān)Si

則接地，電阻Ri

接地，Ii為零。

二、工作原理

三、權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn)：1.優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、速度較快；2.缺點(diǎn)：電阻值相差大，難于保證精度，且大電阻不宜于集成在IC內(nèi)部S0++-△∞uOS1S2S3D3D2D1D0iΣRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI301111000RRR一、

電路組成8.2.2R-2R倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器

電流電壓轉(zhuǎn)換電路(簡(jiǎn)稱I/U轉(zhuǎn)換電路)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：倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)模擬開(kāi)關(guān)11.2.2倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC希望用較少類型的電阻，仍然能得到一系列權(quán)電流開(kāi)關(guān)無(wú)論合到哪一邊，都相當(dāng)于接地，即對(duì)各電阻上電流無(wú)影響。I/4I/8I/16RRRRI/2I/4I/8I/16I/2I3I2I1I0流入每個(gè)2R電阻的電流從高位到低位按2的整數(shù)倍遞減。I3=VREF/2RI2=VREF/4RI1=VREF/8RI0=VREF/16R

由于倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器中各支路的電流恒定不變，直接流入運(yùn)算放大器的反相輸入端，它們之間不存在傳輸時(shí)間差，因而提高了轉(zhuǎn)換速度，所以，倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用非常廣泛。一、原理補(bǔ)碼輸入對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制要求的輸出D2D1D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V11.2.6具有雙極性輸出的DAC

當(dāng)輸入數(shù)字量有±極性時(shí)，希望輸出的模擬電壓也對(duì)應(yīng)為±。例：輸入為3位二進(jìn)制補(bǔ)碼。最高位為符號(hào)位，正數(shù)為0，負(fù)數(shù)為1原碼輸入對(duì)應(yīng)輸出偏移后的輸出D2D1D0111+7V+3V110+6V+2V101+5V+1V100+4V0V011+3V-1V010+2V-2V001+1V-3V0000V-4V補(bǔ)碼輸入十進(jìn)制要求輸出D2D1D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V*將符號(hào)位反相后接至高位輸入

*將輸出偏移使輸入為100時(shí)，輸出為01二、電路實(shí)現(xiàn)*將符號(hào)位反相后接至高位輸入

*將輸出偏移使輸入為100時(shí)，輸出為011.2.7D/A轉(zhuǎn)換器主要參數(shù)

一、轉(zhuǎn)換精度

D/A轉(zhuǎn)換器的最低位有效數(shù)字量（00…01）對(duì)應(yīng)輸出的模擬電壓ULSB與最大數(shù)字量（11…11）輸出滿刻度電壓UFSR的比值。

由此可見(jiàn)，D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)n越多，分辨率值就越小，能分辨的最小輸出電壓值也越小。對(duì)于一個(gè)10位的D/A轉(zhuǎn)換器，分辨率為0.000978。1.分辨率

2.轉(zhuǎn)換誤差要獲得較高精度的DAC，應(yīng)選用低漂移高精度的運(yùn)算放大器，采用高穩(wěn)定度的VREF和選用高分辨率的D/A轉(zhuǎn)換器。DAC在輸入數(shù)字信號(hào)開(kāi)始轉(zhuǎn)換到輸出模擬電壓達(dá)到穩(wěn)定值時(shí)所需的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間越小，轉(zhuǎn)換速度就越高。指D/A轉(zhuǎn)換器輸出模擬電壓與理論輸出模擬電壓的最大差值。在D/A轉(zhuǎn)換過(guò)程中，產(chǎn)生誤差的常見(jiàn)原因有運(yùn)放的零點(diǎn)漂移、電子模擬開(kāi)關(guān)接通時(shí)的導(dǎo)通壓降、基準(zhǔn)電壓VREF的波動(dòng)、R-2R倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)中電阻阻值的誤差等。

二、轉(zhuǎn)換時(shí)間uo=-RFVREF210R(29D9

+28D8+……+21D1+20D0)基準(zhǔn)電壓可正可負(fù)開(kāi)關(guān)管兩級(jí)反相器電平偏移電路當(dāng)i位數(shù)據(jù)Di=1時(shí)，V1截止，V3導(dǎo)通，輸出低電平0，經(jīng)V4、V5組成的反相器后輸出高電平1，使V9導(dǎo)通；同時(shí)，V6、V7組成的反相器輸出低電平0，使V8截止。這時(shí)，2R支路電阻經(jīng)V9接位置1（運(yùn)放反相端）。當(dāng)Di=0時(shí)，則V8導(dǎo)通，V9截止，2R支路電阻接位置0。從而實(shí)現(xiàn)了單刀雙擲開(kāi)關(guān)的功能。CB7520中的電子模擬開(kāi)關(guān)××011×0×√√√√DAC應(yīng)用：

脈沖波產(chǎn)生電路74163具同步清零功能74163和與非門(mén)構(gòu)成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器：0000~1001主要要求：了解模數(shù)轉(zhuǎn)換的一般過(guò)程。了解A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)。理解常用A/D轉(zhuǎn)換器的電路組成、工作原理、特點(diǎn)及應(yīng)用。11.3A/D轉(zhuǎn)換器

取樣時(shí)間上離散的信號(hào)保持、量化量值上也離散的信號(hào)編碼模擬信號(hào)時(shí)間上和量值上都連續(xù)數(shù)字信號(hào)時(shí)間上和量值上都離散11.3.1A/D轉(zhuǎn)換的基本原理

A/D轉(zhuǎn)換器一般要包括取樣、保持、量化及編碼4個(gè)過(guò)程。一、取樣與保持

取樣是將隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為在時(shí)間離散的模擬量。

取樣信號(hào)S(t)的頻率愈高，所取得信號(hào)愈能真實(shí)地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)。合理的取樣頻率由取樣定理確定。

取樣定理：設(shè)取樣信號(hào)S(t)的頻率為fs，輸入模擬信號(hào)I(t)的最高頻率分量的頻率為fimax，則fs≥2fimaxS(t)=1:開(kāi)關(guān)閉合S(t)=0:開(kāi)關(guān)斷開(kāi)低通濾波器取樣所得模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)都需要一定時(shí)間，為了給后續(xù)的量化編碼過(guò)程提供一個(gè)穩(wěn)定的值，在取樣電路后要求將取樣所得的模擬信號(hào)保持一段時(shí)間。采樣保持

要將取樣-保持電路輸出電壓變換成與其成正比的數(shù)字量，還必須對(duì)樣值電壓進(jìn)行量化，通常用數(shù)字信號(hào)最低位（LSB）1對(duì)應(yīng)的模擬電壓作為量化單位，用Δ表示。將樣值電壓變?yōu)榱炕瘑挝徽麛?shù)倍的過(guò)程稱為量化。

在量化時(shí)取樣電壓不一定能被Δ整除，非整數(shù)部分的余數(shù)被舍去，這必然會(huì)產(chǎn)生誤差，稱為量化誤差。

A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，量化單位越小，則量化誤差也越小。

二、量化與編碼1、量化a)只舍不入量化方式:量化中把不足一個(gè)量化單位的部分舍棄；對(duì)于等于或大于一個(gè)量化單位部分按一個(gè)量化單位處理。不同的量化方式，產(chǎn)生的量化誤差不同。在A/D轉(zhuǎn)換中，通常有以下兩種量化方式：b)四舍五入量化方式:量化過(guò)程將不足半個(gè)量化單位部分舍棄，對(duì)于等于或大于半個(gè)量化單位部分按一個(gè)量化單位處理。把量化的結(jié)果用代碼（例如二進(jìn)制代碼）表示出來(lái)。經(jīng)編碼后得到的代碼就是A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量。

2、編碼最大量化誤差=

=(1/8)V最大量化誤差=

/2=(1/15)V6=(6/8)V1=(1/8)V4=(4/8)V0V(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=(2/8)V3=(3/8)V5=(5/8)V7=(7/8)V(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)V0V000001010011100101110111(11/15)V(15/15)V(9/15)V(3/15)V(7/15)V(1/15)V(5/15)V只舍不入量化方式四舍五入量化方式例：將0~1V電壓轉(zhuǎn)換為3位二進(jìn)制代碼11.3.2取樣—保持電路取樣信號(hào)ADC分類：能把輸入的模擬電壓直接轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字量而不需要經(jīng)過(guò)中間變量計(jì)數(shù)型逐次漸近型雙積分型※※※11.3.3并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器

0000000000電阻構(gòu)成分壓器

當(dāng)0V≤uI＜(1/15)VREF時(shí)，D2D1D0=000。VREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比較器寄存器編碼器編碼器VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF11.3.3并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器

0000001001

當(dāng)1/15V≤uI＜(3/15)VREF時(shí)，D2D1D0=001。VREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比較器寄存器編碼器編碼器VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREFVREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比較器寄存器編碼器編碼器11.3.3并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器0000111011uI當(dāng)(5/15)VREF≤uI＜(7/15)VREF，D2D1D0=011VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF11.3.3并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器1111111111uI當(dāng)(13/15)VREF≤uI＜1VREF時(shí)，D2D1D0=111VREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比較器寄存器編碼器編碼器VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF輸入→量化→編碼111110101100011010001000轉(zhuǎn)換精度主要取決于量化電平△的劃分，其值越小，精度越高，但是電路比較器和觸發(fā)器數(shù)目也越多。此外精度還受參考電壓、分壓網(wǎng)絡(luò)等因素影響并聯(lián)比較型ADC特點(diǎn)*最大優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快。從時(shí)鐘信號(hào)CLK開(kāi)始觸發(fā)到輸出穩(wěn)定建立只需幾十納秒缺點(diǎn)是電路規(guī)模太大。需要大量的電壓比較器和觸發(fā)器。若輸出為n位二進(jìn)制代碼，則需要2n-1個(gè)比較器和觸發(fā)器。輸入電壓I同時(shí)加到所有比較器的輸入端。如不考慮各器件的延遲，可認(rèn)為三位數(shù)字量是與I輸入時(shí)刻同時(shí)獲得的。所以它的轉(zhuǎn)換時(shí)間最短。

11.3.4逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器

逐次逼近轉(zhuǎn)換過(guò)程與用天平稱物重非常相似。18克砝碼總重<待測(cè)重量Wx，8克砝碼保留8克2再加4克砝碼總重仍<待測(cè)重量Wx，4克砝碼保留12克3再加2克砝碼總重>待測(cè)重量Wx，2克砝碼撤除12克4再加1克砝碼總重＝待測(cè)重量Wx，1克砝碼保留13克一.轉(zhuǎn)換原理

所用砝碼：8克、4克、2克和1克。設(shè)待秤重量Wx=13克。所加砝碼重量

結(jié)果步驟取用砝碼的順序?yàn)橄戎睾筝p；砝碼總重大于物重，則保留砝碼，反之撤除砝碼。！電路不太復(fù)雜！較快逐次漸近型ADC電路結(jié)構(gòu)框圖

電壓比較器3位D/A轉(zhuǎn)換器

數(shù)碼寄存器

環(huán)形移位寄存器控制邏輯電路10000000000轉(zhuǎn)換開(kāi)始前先進(jìn)行預(yù)置01000100000轉(zhuǎn)換控制信號(hào)vL為高電平時(shí)，轉(zhuǎn)換開(kāi)始。uO>uI，uB=1uO<uI，uB=0

Q5=0，G6~G8被封鎖，無(wú)數(shù)碼輸出。1000010001010001/010000若原來(lái)的uB=1，則FFA被置0；反之保留1狀態(tài)。

Q5=0，G6~G8被封鎖，無(wú)數(shù)碼輸出。11121001

1000

1001/010000若原來(lái)的uB=1，則FFB被置0；反之保留1狀態(tài)。

Q5=0111300

1001/01

11/000

0

101/01/0

1若原來(lái)的uB=1，則FFC被置0；反之保留1狀態(tài)。11141/000

0

1000

0

01QAQBQC

Q5=1，G6~G8開(kāi)啟，數(shù)碼輸出。1/01/01/01500

0

01

Q5=0，G6~G8被封鎖。10

0

0

0000000

從上例可以看出，3位輸出的ADC完成一次轉(zhuǎn)換需要5個(gè)時(shí)鐘信號(hào)周期的時(shí)間。如果是n位輸出的ADC，則完成一次轉(zhuǎn)換所需時(shí)間為n+2個(gè)時(shí)鐘信號(hào)周期時(shí)間。11.3.5雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器一、雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理1、首先對(duì)輸入模擬電壓和參考電壓分別進(jìn)行積分，將輸入的模擬電壓信號(hào)變換成與之成正比的時(shí)間間隔；一種間接ADC。2、然后在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)固定頻率的時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，測(cè)出此時(shí)間間隔，進(jìn)而得到相應(yīng)的數(shù)字量輸出。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器也稱為電壓－時(shí)間變換型ADC。雙積分型ADC結(jié)構(gòu)框圖T1T2VOTCDN電路實(shí)現(xiàn)ADC的轉(zhuǎn)換速度與轉(zhuǎn)換精度一、速度取決于電路結(jié)構(gòu)類型 并聯(lián)比較型：<1微秒 逐次漸近型：10~100微秒/次 雙積分型：幾十毫秒/次

指A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的最低位變化一個(gè)數(shù)碼時(shí)，對(duì)應(yīng)輸入模擬量的變化量。

例如:最大輸出電