第九章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

第九章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路第一頁，共二十六頁，2022年，8月28日我們把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的過程稱為模擬—數(shù)字轉(zhuǎn)換，把完成這種轉(zhuǎn)換的裝置稱為模擬—數(shù)字轉(zhuǎn)換器(AnalogtoDigitalConverter)，簡稱為模／數(shù)轉(zhuǎn)換器或ADC。把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的過程稱為數(shù)字—模擬轉(zhuǎn)換，把完成這種轉(zhuǎn)換的裝置稱為數(shù)字—模擬轉(zhuǎn)換器(DigitaltoAnalogConverter)，簡稱為數(shù)／模轉(zhuǎn)換器或DAC。第二頁，共二十六頁，2022年，8月28日10.1D/A轉(zhuǎn)換器一．D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理

對于有權(quán)碼，先將每位代碼按其權(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)字量成正比的總模擬量，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換。第三頁，共二十六頁，2022年，8月28日二．倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器（4位）圖中S0～S3為模擬開關(guān)，由輸入數(shù)碼Di控制，第四頁，共二十六頁，2022年，8月28日可算出，基準(zhǔn)電流I=VREF/R，第五頁，共二十六頁，2022年，8月28日第六頁，共二十六頁，2022年，8月28日將輸入數(shù)字量擴(kuò)展到n位，則有：可簡寫為：vO=－KNB

其中：K=第七頁，共二十六頁，2022年，8月28日三．權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器為進(jìn)一步提高D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度，可采用權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器。第八頁，共二十六頁，2022年，8月28日采用具有電流負(fù)反饋的BJT恒流源電路的權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器：第九頁，共二十六頁，2022年，8月28日由倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)分析可知，IE3=I/2，IE2=I/4，IE1=I/8，IE0=I/16，于是可得輸出電壓為

可推得n位倒T形權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓：基準(zhǔn)電流：第十頁，共二十六頁，2022年，8月28日四．D/A轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例DAC0808是8位權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器，其中D0～D7是數(shù)字量輸入端。用這類器件構(gòu)成的D/A轉(zhuǎn)換器時(shí)，需要外接運(yùn)算放大器和產(chǎn)生基準(zhǔn)電流用的電阻R1。當(dāng)VREF=10V、R1=5kΩ、Rf=5kΩ時(shí)，輸出電壓為：第十一頁，共二十六頁，2022年，8月28日DAC0808D/A轉(zhuǎn)換器輸出與輸入的關(guān)系（設(shè)VREF=10V）第十二頁，共二十六頁，2022年，8月28日1.轉(zhuǎn)換精度五．D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)（2）轉(zhuǎn)換誤差——此外，也可用D/A轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比來表示分辨率，N位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率可表示為1/（2n-1）。2.轉(zhuǎn)換速度3.溫度系數(shù)——在輸入不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化產(chǎn)生的變化量。一般用滿刻度輸出條件下溫度每升高1℃，輸出電壓變化的百分?jǐn)?shù)作為溫度系數(shù)。（2）轉(zhuǎn)換速率（SR）——在大信號(hào)工作狀態(tài)下模擬電壓的變化率。（1）分辨率——D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級(jí)數(shù)。輸入數(shù)字量位數(shù)越多，分辨率越高。所以，在實(shí)際應(yīng)用中，常用字量的位數(shù)表示D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率。（1）建立時(shí)間（tset）——當(dāng)輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時(shí)，輸出電壓變化到相應(yīng)穩(wěn)定電壓值所需時(shí)間。最短可達(dá)0.1μS。第十三頁，共二十六頁，2022年，8月28日9.2A/D轉(zhuǎn)換器一．A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟和取樣定理由于輸入的模擬信號(hào)在時(shí)間上是連續(xù)量，所以一般的A/D轉(zhuǎn)換過程為：取樣、保持、量化和編碼。第十四頁，共二十六頁，2022年，8月28日

取樣定理：

因?yàn)槊看伟讶与妷恨D(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量都需要一定的時(shí)間，所以在每次取樣以后，必須把取樣電壓保持一段時(shí)間。可見，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)所用的輸入電壓，實(shí)際上是每次取樣結(jié)束時(shí)的vI值。式中fS為取樣頻率，fimax為輸入信號(hào)vI的最高頻率分量的頻率。第十五頁，共二十六頁，2022年，8月28日二．取樣—保持電路電路組成及工作原理（取Ri=Rf）:當(dāng)控制信號(hào)vL為高電平時(shí)，T導(dǎo)通，vI經(jīng)電阻Ri和T向電容Ch充電。則充電結(jié)束后vO=－vI=vC。N溝道MOS管T作為開關(guān)用。當(dāng)控制信號(hào)返回低電平后，T截止。Ch無放電回路，所以vO的數(shù)值可被保存下來。第十六頁，共二十六頁，2022年，8月28日三．并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器（3位）第十七頁，共二十六頁，2022年，8月28日并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器真值表第十八頁，共二十六頁，2022年，8月28日1．轉(zhuǎn)換原理：四．逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器第十九頁，共二十六頁，2022年，8月28日

2．邏輯電路第二十頁，共二十六頁，2022年，8月28日五．雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器它由積分器、過零比較器（C）、時(shí)鐘脈沖控制門（G）和定時(shí)器、計(jì)數(shù)器（FF0～FFn）等幾部分組成。第二十一頁，共二十六頁，2022年，8月28日（2）第一次積分階段工作原理：（1）準(zhǔn)備階段計(jì)數(shù)器清零，積分電容放電，

vO=0V。t=0時(shí)，開關(guān)S1與A端接通，輸入電壓vI加到積分器的輸入端。積分器從0開始積分：第二十二頁，共二十六頁，2022年，8月28日由于vO<0V，過零比較器輸出vC=1，控制門G打開。計(jì)數(shù)器從0開始計(jì)數(shù)。t=T1=2nTC

經(jīng)過2n個(gè)時(shí)鐘脈沖后，觸發(fā)器FF0～FFn－1都翻轉(zhuǎn)到0態(tài)，而Qn=1，開關(guān)S1由A點(diǎn)轉(zhuǎn)到B點(diǎn)，第一次積分結(jié)束。第一次積分時(shí)間為：

（3）第二次積分階段第一次積分結(jié)束時(shí)，積分器的輸出電壓VP為：當(dāng)t=t1時(shí)，S1轉(zhuǎn)接到B點(diǎn)，基準(zhǔn)電壓－VREF加到積分器的輸入端；積分器開始向相反進(jìn)行第二次積分。當(dāng)t=t2時(shí)，積分器輸出電壓vO>0V，比較器輸出vC=0，控制門G被關(guān)閉，計(jì)數(shù)停止。第二十三頁，共二十六頁，2022年，8月28日在此階段結(jié)束時(shí)vO的表達(dá)式可寫為：設(shè)T2=t2－t1，于是有：設(shè)在此期間計(jì)數(shù)器所累計(jì)的時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)為λ，則：可見，T2與VI成正比，T2就是雙積分A/D轉(zhuǎn)換過程的中間變量。上式表明，計(jì)數(shù)器中所計(jì)得的數(shù)λ（λ=Qn-1…Q1Q0），與在取樣時(shí)間T1內(nèi)輸入電壓的平均值VI成正比。只要VI<VREF，轉(zhuǎn)換器就能將輸入電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。T2=λTC

第二十四頁，共二十六頁，2022年，8月28日六．A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)（1）分辨率——說明A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號(hào)的分辨能力。一般以輸出二進(jìn)制（或十進(jìn)制）數(shù)的位數(shù)表示。因?yàn)?，在最大輸入電壓一定時(shí)，輸出位數(shù)愈多，量化單位愈小，分辨率愈高。1.轉(zhuǎn)換精度例如，相對誤差≤±LSB/2，就表明實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上應(yīng)得到的輸出數(shù)字量之間的誤差小于最低位的半個(gè)字。（2）轉(zhuǎn)換誤差——它表示A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別。常用最低有效位的倍數(shù)表示。2.轉(zhuǎn)換時(shí)間——指從轉(zhuǎn)換控制信號(hào)到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所經(jīng)過的時(shí)間。并行比較A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度最高；逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器次之；間接A/D轉(zhuǎn)換器的速度最慢。第二十五頁，共二十六頁，2022年，8月28日本章小結(jié)1．A/D和D/A轉(zhuǎn)換器是現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的重要部件，應(yīng)用日益廣泛。5．A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)是轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度，在與系統(tǒng)連接后，轉(zhuǎn)換器的這兩項(xiàng)指標(biāo)決定了系統(tǒng)的精度與速度。目前，A/D與D/A轉(zhuǎn)換器的發(fā)展趨勢是高速度、高分辨率及易于與微型計(jì)算機(jī)接口，用以滿足各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)π盘?hào)處理的要求。2．倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器中電阻網(wǎng)絡(luò)阻值僅有R和2R兩種，各2R支路電流Ii與Di數(shù)碼狀態(tài)無關(guān)，是一定值。由于支路電流流向運(yùn)放反相端時(shí)不存在傳輸時(shí)間，因而具有