第9章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換

學習要點：

數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換的基本原理第9章數(shù)模轉(zhuǎn)換與模數(shù)轉(zhuǎn)換器2/6/20231概述9.1D/A轉(zhuǎn)換器9.2A/D轉(zhuǎn)換器退出第9章數(shù)模轉(zhuǎn)換與模數(shù)轉(zhuǎn)換器2/6/20232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。2/6/202339.1D/A轉(zhuǎn)換器9.1.1D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理9.1.2倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器9.1.5D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術指標退出2/6/202349.1.1D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理將輸入的每一位二進制代碼按其權的大小轉(zhuǎn)換成相應的模擬量，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。基本原理2/6/20235轉(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：2/6/20236D/A轉(zhuǎn)換器原理電路不論模擬開關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。2/6/20237設RF=R/22/6/202389.1.2倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器希望用較少類型的電阻，仍然能得到一系列權電流2/6/20239RRRR①分別從虛線A、B、C、D處向右看的二端網(wǎng)絡等效電阻都是R。②不論模擬開關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。2/6/2023109.1.22/6/2023112/6/202312習題9.1.12/6/202313集成D/A轉(zhuǎn)換器及其應用2/6/202314（1）分辨率(理論精度）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：9.1.52/6/2023159.1.5D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術指標2.轉(zhuǎn)換精度（實際精度）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。有時也用絕對誤差與輸出電壓滿刻度的百分數(shù)來表示2/6/202316誤差分析2/6/2023172/6/2023183.轉(zhuǎn)換速度（1）建立時間（2）轉(zhuǎn)換速率（3）溫度系數(shù)2/6/202319本節(jié)小結：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電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器和T型電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器兩大類。由于T型電阻網(wǎng)絡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構。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：2/6/2023209.2A/D轉(zhuǎn)換器9.2.1A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程9.2.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器9.2.3逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器退出2/6/2023219.2.1A/D的一般工作過程模擬電子開關S在采樣脈沖CPS的控制下重復接通、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。2/6/202322t0時刻S閉合，CH被迅速充電，電路處于取樣階段。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，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。2/6/2023232.量化和編碼量化：將數(shù)值連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的過程。量化誤差：當采樣電壓不能被Δ整除時，將引入量化誤差2.編碼：將量化的結果用代碼表示出來（二進制，二-十進制）舍尾取整法四舍五入法2/6/2023249.2.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器量化2/6/202325輸入→量化→編碼111110101100011010001000習題9.2.12/6/2023262、特點*快，CLK觸發(fā)信號到達到輸出穩(wěn)定建立只需幾十納秒*精度，受參考電壓、分壓網(wǎng)絡等因素影響*有存儲器，不需要S/H電路*電路規(guī)模，n位需要2n-1比較器，觸發(fā)器2/6/2023272/6/202328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2/6/2023293位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器2/6/202330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的模擬電壓輸出uo。uo和ui在比較器中比較，當若ui＜uo時，比較器輸出uc=1；當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)換結果，通過門G6、G7、G8送出。工作原理2/6/202331基本原理：對輸入模擬電壓和基準電壓進行兩次積分，先對輸入模擬電壓進行積分，將其變換成與輸入模擬電壓成正比的時間間隔T1，再利用計數(shù)器測出此時間間隔，則計數(shù)器所計的數(shù)字量就正比于輸入的模擬電壓；接著對基準電壓進行同樣的處理。原理電路2/6/2023322/6/202333（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)換點應當在一條直線上。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)換時間轉(zhuǎn)換時間是指完成一次轉(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。2/6/2023349.2.6集成A/D轉(zhuǎn)換器及應用2/6/202335

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