第七章 數(shù)模模數(shù)轉(zhuǎn)換

第七章數(shù)模模數(shù)轉(zhuǎn)換第1頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三數(shù)模與模數(shù)變換器是計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備的重要接口,也是數(shù)字測量和數(shù)字控制系統(tǒng)的重要部件。能將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的裝置稱為數(shù)/模變換器(簡稱D/A轉(zhuǎn)換器);能將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的裝置稱為模/數(shù)變換器(簡稱A/D轉(zhuǎn)換器)。概述第2頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用放大器傳感器(溫度、壓力、流量、應(yīng)力等）采樣/保持器A/D計(jì)算機(jī)顯示器D/A示波器打印機(jī)第3頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三D/A功能:將數(shù)字量成正比地轉(zhuǎn)換成模擬量D/An=4位8位10位12位16位n位數(shù)字量模擬量0~5V或0~10V4位數(shù)據(jù):00000V11115V7.1D/A轉(zhuǎn)換器第4頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三第5頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三二．倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器（4位）所以，無論Si處于何種位置，與Si相連的2R電阻均接“地”（地或虛地）。圖中S0～S3為模擬開關(guān)，由輸入數(shù)碼Di控制，當(dāng)Di=1時(shí)，Si接運(yùn)算放大器反相輸入端（虛地），電流Ii流入求和電路；當(dāng)Di=0時(shí)，Si將電阻2R接地。第6頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三分析計(jì)算：基準(zhǔn)電流:I=VREF/R，流過各開關(guān)支路（從右到左）的電流分別為I/2、I/4、I/8、I/16?？傠娏鳎旱?頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三將輸入數(shù)字量擴(kuò)展到n位，則有：可簡寫為：vO=－KNB

輸出電壓：其中：表明:D/A電路輸出模擬電壓UO與輸入的數(shù)字量D3D2D1D0成正比第8頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三三．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。圖示為一4位權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器原理電路。這組恒流源從高位到低位電流的大小依次為I/2、I/4、I/8、I/16。第9頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三四.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。使用時(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10頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三DAC0808D/A轉(zhuǎn)換器輸出與輸入的關(guān)系（設(shè)VREF=10V）第11頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三1.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——比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差、非線性誤差。此外，也可用D/A轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓(數(shù)字量：00000001)與最大輸出電壓(數(shù)字量：全1）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）。（1）分辨率——D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級數(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，常用數(shù)字量的位數(shù)表示D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率。vO=-KNB最小vO=-KNB=-K×1最大vO=-KNB=-K×(2n-1)第12頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三3.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）——在大信號工作狀態(tài)下模擬電壓的變化率。（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。2.轉(zhuǎn)換速度第13頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三7.2A/D轉(zhuǎn)換器一．A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟由于輸入的模擬信號在時(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14頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三取樣—保持電路電路組成及工作原理（取Ri=Rf）:當(dāng)vL為高電平時(shí)，T導(dǎo)通，vI經(jīng)Ri和T向電容Ch充電。vO=－vI=vC。當(dāng)vL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15頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三量化和編碼

數(shù)字量最小單位所對應(yīng)的最小量值叫做量化單位△。

將采樣－保持電路的輸出電壓歸化為量化單位△的整數(shù)倍的過程叫做量化。

用二進(jìn)制代碼來表示各個(gè)量化電平的過程，叫做編碼。一個(gè)n位二進(jìn)制數(shù)只能表示2n個(gè)量化電平，量化過程中不可避免會(huì)產(chǎn)生誤差，這種誤差稱為量化誤差。量化級分得越多（n越大），量化誤差越小。

第16頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三劃分量化電平的兩種方法（a）量化誤差大；（b）量化誤差小

第17頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三01tvI基本原理：二．并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器第18頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三3位并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器第19頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三

并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器真值表輸入模擬電壓寄存器狀態(tài)數(shù)字量輸出D2D1D0Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1（0～1/15）VREF（1/15～3/15）VREF（3/15～5/15）VREF（5/15～7/15）VREF（7/15～9/15）VREF（9/15～11/15）VREF（11/15～13/15）VREF（13/15～1）VREF00000000000001000001100001110001111001111101111111111111000001010011100101110111第20頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三三．逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器1．轉(zhuǎn)換原理：G≈d3g3+d2g2+d1g1+d0g0di1有效0無效有效砝碼的總重量逐次逼近重物的重量：第21頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三2．轉(zhuǎn)換框圖：第22頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三3．邏輯電路101111110100001111001010011111101101010100第23頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三四．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24頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三（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25頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三由于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；積分器開始反向積分。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。同時(shí)，N級計(jì)數(shù)器又從0開始計(jì)數(shù)。第26頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三在此階段結(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27頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三六．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)椋谧畲筝斎腚妷阂欢〞r(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)換控制信號到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號所經(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；第28頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三本章小結(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盘柼幚淼囊蟆?．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，因而具有較高的轉(zhuǎn)換速度。3．在權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器中，由于恒流源電路和高速模擬開關(guān)的運(yùn)用使其具有精度高、轉(zhuǎn)換快的優(yōu)點(diǎn)，雙極型單片集成D/A轉(zhuǎn)換器多采用此種類型電路。4．不同的A/D轉(zhuǎn)換方式