第八章數(shù)模和模數(shù)轉換

第八章 數(shù)-模和模-數(shù)轉換概述1D/A轉換的基本原理2A/D轉換的基本原理3思考題1為什么要進行A/D和D/A轉換2D/A轉換的原理和主要參數(shù)3A/D轉換的原理和主要參數(shù)8.1概述模擬信號是表示模擬量的信號，模擬量是在時間和數(shù)值上都是連續(xù)的的物理量。數(shù)字信號是表示數(shù)字量的信號，數(shù)字量是在時間和數(shù)值上都是離散的。實現(xiàn)數(shù)字信號的產(chǎn)生、傳輸和處理的電路稱為數(shù)字電路。數(shù)字信號與模擬信號可以相互轉換。（A/D與D/A）一、用途及要求傳感器放大器A/D轉換微型計算機控制對象D/A轉換溫度時間！精度！速度電加熱爐熱電偶執(zhí)行機構8.1概述二、分類8.2D/A轉換器的基本原理按解碼網(wǎng)絡權電阻網(wǎng)絡DAC

R–2R倒T形電阻網(wǎng)絡DAC

權電流型網(wǎng)絡DACT型電阻網(wǎng)絡DAC按電子開關類型CMOS開關型DAC（速度低）電流開關型DAC（速度高）ECL電流開關型DAC（速度最高）雙極型DAC（速度高）DAC0808、DAC0807CB7520、DAC0832

對于有權碼，先將每位代碼按其權的大小轉換成相應的模擬量，然后相加，即可得到與數(shù)字量成正比的總模擬量，從而實現(xiàn)數(shù)字/模擬轉換。8.2D/A轉換器的基本原理圖是4位權電阻網(wǎng)絡D/A轉換器的原理圖，它是由權電阻網(wǎng)絡、4個電子模擬開關和1個求和放大器組成。8.2D/A轉換器的基本原理8.2.1權電阻網(wǎng)絡D/A轉換器（1）S3~S0:為電子開關，其狀態(tài)受輸入數(shù)碼d3~d0的取值控制。當di＝1時開關接到參考電壓VREF上，有支路電流Ii流向求和放大器；當di＝0時開關接地，支路電流Ii為零。圖8.2.28.2D/A轉換器的基本原理（2）求和放大器A：為一個接成負反饋的理想運算放大器。即：AV＝∞，iI＝0，Ro＝0。由于負反饋，存在虛短和虛斷，即V－≈V＋＝0，iI＝0。（3）VREF：基準電壓圖8.2.28.2D/A轉換器的基本原理2.輸出電壓的計算：由于V－≈V＋＝0，故各電流為輸出電壓為圖8.2.28.2D/A轉換器的基本原理取RF＝R/2，則輸出電壓為圖11.2.28.2D/A轉換器的基本原理上式標明，輸出的模擬電壓與輸入的數(shù)字量Dn成正比。注：1.若VREF取正值，則輸出電壓為負值。若想輸出電壓為正值，可以將VREF取負值。2.此電路的優(yōu)點是電路結構簡單，所用的電阻元件少。缺點是各個電阻的阻值相差較大，輸入數(shù)字量的位數(shù)越多，差別就越大，故很難保證電阻的精確度。8.2D/A轉換器的基本原理解：

輸出電壓值為圖11.2.2在下圖權電阻網(wǎng)絡D/A轉換器中，若取VREF=10V，試求當輸入數(shù)字量為d3d2d1d0=1010時輸出電壓的大?。?/p>

8.2D/A轉換器的基本原理2倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器為了克服權電阻網(wǎng)絡D/A轉換器電阻阻值相差太大的缺點，改進電路為倒T型電阻網(wǎng)絡D/A轉換器，如圖所示。8.2D/A轉換器的基本原理根據(jù)“虛短”“虛地”，有V－≈V＋，無論開關打在哪一面，流過每個支路的電流始終不變。故可等效成圖所示電路。RRRR8.2D/A轉換器的基本原理則總的電流為RRRR圖11.2.58.2D/A轉換器的基本原理由于故輸出電壓為8.2D/A轉換器的基本原理解：

輸出電壓值為P206：8-5在下圖倒T型電阻網(wǎng)絡D/A轉換器中，若取VREF=5V，R=1k試求當輸入數(shù)字量為d3d2d1d0=0101時輸出電壓的大??？并計算各個電流與輸入數(shù)字量之間的關系。

8.2D/A轉換器的基本原理引腳圖

DAC0832是采用CMOS工藝制成的單片直流輸出型8位數(shù)/模轉換器。單電源供電，從+5～+l5V均可正常工作?；鶞孰妷旱姆秶鸀椤?0V，電流建立時間為lμs，低功耗20mW。8.2D/A轉換器的基本原理1.轉換精度D/A轉換器的主要技術指標（1）分辨率——分辨率用于表示D/A轉換器對輸入微小量變化敏感程度的，定義為D/A轉換器模擬輸出電壓可能分成的等級數(shù)，從00…00到11…11全部2n個不同的狀態(tài)，給出2n個不同的輸出電壓，位數(shù)越多，等級越多，意味著分辨率越高。所以在實際應用中，往往用輸入數(shù)字量的位數(shù)表示D/A轉換器的分辨率。8.2D/A轉換器的基本原理另外也用D/A轉換器能夠分辨出的最小電壓與最大電壓之比表示分辨率，即如10位D/A轉換器的分辨率為（2）轉換誤差（實際精度）:由于D/A轉換器的各個環(huán)節(jié)在參數(shù)及性能上和理論值存在著差異，如基準電壓不夠穩(wěn)定、運算放大器的零點漂移、模擬開關的導通內(nèi)阻和導通壓降、電阻網(wǎng)絡中電阻阻值的偏差以及三極管特性不一致等等因素，都會使得實際精度與轉換誤差有關系。8.2D/A轉換器的基本原理轉換誤差是表示由各種因素引起誤差的一個綜合性的指標，它表示實際的D/A轉換器特性和理論轉換特性之間的最大偏差，如圖11.2.16所示圖11.2.16*轉換誤差一般用最低有效位的倍數(shù)表示，如1LSB，即為輸出的模擬電壓和理論值之間的絕對誤差小于等于輸入為00…01時的輸出電壓。有時也用絕對誤差與輸出電壓滿刻度的百分數(shù)來表示8.2D/A轉換器的基本原理D/A轉換器的主要技術指標2.轉換速度（2）轉換速率（SR）——在大信號工作狀態(tài)下模擬電壓的變化率。（1）建立時間（tset）——當輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時，輸出電壓變化到相應穩(wěn)定電壓值所需時間。8.2D/A轉換器的基本原理一．A/D轉換的一般步驟

由于輸入的模擬信號在時間上是連續(xù)量，所以一般的A/D轉換過程為：

取樣、保持、量化和編碼。8.3A/D轉換器的基本原理所以A/D轉換過程是首先對輸入模擬電壓信號進行取樣，然后保持并將取樣電壓量化為數(shù)字量，并按一定的編碼形式給出轉換結果。一、取樣定理：取樣是將隨時間連續(xù)變化的模擬量轉換為時間離散的模擬量。圖為對某個輸入信號進行采樣的波形。其中vs為取樣信號，vI

表示輸入的模擬信號。8.3A/D轉換器的基本原理為了使得取樣信號能逼近輸入模擬信號，則取樣信號應該有足夠高的頻率。為了保證取樣信號將被取樣信號恢復，其頻率關系必須滿足取樣定理。取樣定理為：若fs為取樣信號的頻率，fi（max）為輸入模擬信號的最高頻率分量的頻率，則它們必須滿足一般取注：在取樣電路每次取得的模擬信號轉換為數(shù)字信號時都需要一定的時間,而且為了給后續(xù)的量化編碼提供一個穩(wěn)定值，則每次取得的模擬信號必須通過保持電路保持一段時間。一般取樣和保持過程往往是通過取樣－保持電路同時完成的。8.3A/D轉換器的基本原理二、量化和編碼：1.量化數(shù)字量不僅時間上是離散的，而且數(shù)值上也是離散的，所以任何一個數(shù)字量的大小只能是某個規(guī)定的最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。將采樣電壓表示為最小數(shù)量單位（Δ）的整數(shù)倍，稱為量化。所取得最小數(shù)量單位叫做量化單位，用△表示，它是數(shù)字信號最低位（LSB）為1,其它位為0時所對應的模擬量，即1LSB。如圖11.2.3所示8.3A/D轉換器的基本原理二、量化和編碼：1.量化8.3A/D轉換器的基本原理將量化的結果用代碼（可以是二進制，也可以是其他進制）表示出來，這個過程稱為編碼，這些代碼也是A/D轉換器的輸出數(shù)字量。3.量化誤差：由于模擬電壓是連續(xù)的，那么不可能所有的電壓都能被量化單位△整除，所以量化過程不可避免地會引入誤差，這種誤差就叫做量化誤差。量化誤差屬于原理性誤差，無法消除。A/D轉換器的位數(shù)越多，各離散電平之間的差值就越小，量化誤差也越小。2.編碼：8.3A/D轉換器的基本原理8.2.2不同類型ADC的特點模數(shù)轉換器的種類很多，按工作原理的不同，可分成間接ADC和直接ADC。1.間接ADC先將輸入模擬電壓轉換成時間或頻率，然后再把這些中間量轉換成數(shù)字量，常用是雙積分型ADC。雙積分型ADC：先對輸入采樣電壓和基準電壓進行兩次積分，以獲得與采樣電壓平均值成正比的時間間隔，同時在這個時間間隔內(nèi)，用計數(shù)器對標準時鐘脈沖（CLK）計數(shù)，計數(shù)器輸出的計數(shù)結果就是對應的數(shù)字量。特點：工作性能比較穩(wěn)定，且抗干擾能力強，其缺點是工作速度低。常用的集成芯片有CB7106CB71278.3A/D轉換器的基本原理2.直接ADC直接ADC是將輸入模擬量直接轉換成數(shù)字量，常用的有并聯(lián)比較型ADC和逐次逼近型ADC。并聯(lián)比較型ADC采用各量級同時并行比較，各位輸出碼同時并行產(chǎn)生，故轉換速度快，轉換速度與輸出碼位無關。其缺點是成本高、功耗大。n位輸出的ADC，需要2n個電阻、（2n－1）個比較器和D觸發(fā)器，以及復雜的編碼網(wǎng)絡，其元件數(shù)量隨位數(shù)的增加，以幾何級數(shù)上升。所以這種ADC適用于要求高速、低分辯率的場合。并聯(lián)比較型ADC逐次逼近型ADC逐次逼近型ADC的比較電壓，是逐個產(chǎn)生的，逐次與輸入電壓分別比較，以逐漸逼近的方式進行模數(shù)轉換的。逐次逼近型ADC每次轉換都要逐位比較，需要（n+1）個節(jié)拍脈沖才能完成，所以它比并聯(lián)比較型ADC的轉換速度慢，比雙分積型ADC要快得多，屬于中速ADC器件。另外位數(shù)多時，它需用的元器件比并聯(lián)比較型少得多，所以它是集成ADC中，應用較廣的一種。常用的集成芯片有ADC0804ADC08098.3A/D轉換器的基本原理并聯(lián)比較型A/D轉換器圖為并聯(lián)比較型A/D轉換器的電路結構圖.1.組成：并聯(lián)比較型A/D轉換器是由電壓比較器、寄存器和代碼轉換電路三部分組成。圖8.3.68.3A/D轉換器的基本原理逐次漸近型A/D轉換器工作原理：逐次漸近就如稱重物，如13g的重物，有砝碼8g、4g、2g、1g。比較過程如表所示8.3A/D轉換器的基本原理逐次漸近型A/D轉換器的工作原理框圖如圖所示。它由比較器C、D/A轉換器、寄存器、時鐘脈沖源和控制邏輯等。工作原理：a.逐次漸近寄存器清零；b.先設寄存器狀態(tài)為最高位為1,其他位為0（如4位A/D轉換器為1000），經(jīng)過D/A轉換器后，送到比較器比較。組成:8.3A/D轉換器的基本原理若vo>vI

，則去掉這個1;若vo<vI

，則保留這個1.然后再將次高位設置成1,再進行比較，逐位比較下去，直到最低位為止。這是寄存器所存的數(shù)碼即為輸出的數(shù)字量。特點：電路不太復雜，速度較快8.3A/D轉換器的基本原理ADC0809引腳及使用說明

ADC0809采樣頻率為8位，以CMOS集成工藝制成。單個＋5V電源供電，模擬輸入電壓范圍0～＋5V，不需零點和滿刻度校準，輸出電壓范圍為0～5V，轉換時間為100μs。功耗低，約為15mW。管腳圖8.3A/D轉換器的基本原理ADC0809的典型應用8通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)8.3A/D轉換器的基本原理A/D轉換器的主要技術指標（1）分辨率——說明A/D轉換器對輸入信號的分辨能力。一般以輸出二進制（或十進制）數(shù)的位數(shù)表示。因為，在最大輸入電壓一定時，輸出位數(shù)愈多，量化單位愈小，分辨率愈高。1.轉換精度例如，相對誤差≤±LSB/2，就表明實際輸出的數(shù)字量和