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)換第1頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四重點難點1、D/A、A/D的基本概念、對D/A、A/D轉(zhuǎn)化電路的要求重點：各種A/D內(nèi)部詳細結(jié)構(gòu)和工作過程（非重點）3、A/D轉(zhuǎn)化電路常見類型、工作原理、輸入/出的定量關(guān)系、轉(zhuǎn)換速度、精度、分辨率難點：2、D/A轉(zhuǎn)化電路常見類型、工作原理、輸入/出的定量關(guān)系、轉(zhuǎn)換速度、精度、分辨率第十一章數(shù)-模與模-數(shù)轉(zhuǎn)換第2頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四11.1概述

模擬量：溫度、濕度、壓力、流量、速度等。從數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)換稱為數(shù)/模轉(zhuǎn)換（簡稱D/A轉(zhuǎn)換），實現(xiàn)數(shù)/模轉(zhuǎn)換的電路稱為D/A轉(zhuǎn)換器（簡稱DAC）。

從模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換稱為模/數(shù)轉(zhuǎn)換（簡稱A/D轉(zhuǎn)換），實現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換的電路叫做A/D轉(zhuǎn)換器（簡稱ADC）；第3頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四

典型數(shù)字控制系統(tǒng)框圖第4頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四傳感器放大器A/D轉(zhuǎn)換微型計算機控制對象D/A轉(zhuǎn)換溫度時間！精度！速度電加熱爐熱電偶執(zhí)行機構(gòu)第5頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四★分類第6頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四11.2.1權(quán)電阻型D/A轉(zhuǎn)換器

11.2.6具有雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器11.2.2倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器11.2D/A轉(zhuǎn)換器11.2.7D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度第7頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四求和放大器一、電路結(jié)構(gòu)和工作原理11.2.1權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)基準參考電壓第8頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四第9頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四第10頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四電路特點：1.優(yōu)點：簡單2.缺點：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)部第11頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四希望用較少類型的電阻，仍然能得到一系列權(quán)電流11.2.2倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器雙向模擬開關(guān)di＝1時接運放di＝0時接地R－2R倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)求和集成運算放大器基準參考電壓第12頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四RRRR

集成運算放大器的電流求和點Σ為虛地，每個2R電阻的上端都相當于接地，從網(wǎng)絡(luò)的AA、BB、CC、DD每個端口向左看的對地電阻都是R。流過四個2R電阻的電流分別為：I/2、I/4、I/8、I/16。第13頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四電流是流入地，還是流入運算放大器，由輸入的數(shù)字量di通過控制電子開關(guān)Si來決定。第14頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四電路特點：（1）電阻網(wǎng)絡(luò)僅有R和2R兩種規(guī)格的電阻，對于集成工藝是相當有利的；（2）倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)具有較高的工作速度倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC目前被廣泛的采用第15頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四集成D/A轉(zhuǎn)換器----AD7520/CB7520——典型10bitDAC第16頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四·采用CMOS電子開關(guān)·與TTL電平兼容·電源電壓范圍：5～15V·采用R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)

第17頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四集成D/A轉(zhuǎn)換器--DAC0832具有二級數(shù)字輸入緩沖鎖存器，可與μP數(shù)據(jù)總線直接相連，無需另接鎖存器與TTL電平兼容數(shù)字地與模擬地可分開，使用靈活

——典型8bitDAC第18頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四集成DAC0832及其應(yīng)用第19頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四補碼輸入對應(yīng)的十進制要求的輸出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當輸入數(shù)字量有±極性時，希望輸出的模擬電壓也對應(yīng)為±一、轉(zhuǎn)換原理輸入為3位二進制補碼。最高位為符號位，正數(shù)為0，負數(shù)為1第20頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四1原碼輸入對應(yīng)的輸出偏移-4V后的輸出d2d1d0111+7V+3V110+6V+2V101+5V+1V100+4V0V011+3V-1V010+2V-2V001+1V-3V0000V-4V補碼輸入對應(yīng)的十進制要求的輸出d2d1d0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4VD/A*將輸出偏移使輸入為100時，輸出為0*將符號位反相后接至高位輸入第21頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四二、電路實現(xiàn)*將符號位反相后接至高位輸入*增設(shè)由RB和VB組成的偏移電路第22頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四一、轉(zhuǎn)換精度（分辨率、轉(zhuǎn)換誤差）用輸入數(shù)字量的二進制數(shù)碼位數(shù)給出。D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)11.2.7DAC的轉(zhuǎn)換精度與速度分辨率（理論精度）D/A轉(zhuǎn)換器分辨模擬量最小值的能力。最低位LSB所代表的模擬量。例：n位DAC，區(qū)分出輸入的00···0到11···1全部2n個不同狀態(tài)，能給出2n個不同等級的輸出電壓。分辨率表示理論上可以達到的精度。D/A轉(zhuǎn)換器能夠分辨出來的最小電壓與最大電壓之比第23頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四轉(zhuǎn)換誤差用最低有效位的倍數(shù)來表示。2.轉(zhuǎn)換誤差（實際精度）轉(zhuǎn)換誤差表示實際的D/A轉(zhuǎn)換特性和理想特性之間的最大偏差。第24頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四二、誤差分析與輸入數(shù)字量的大小成正比----比例系數(shù)誤差造成D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換誤差的原因：參考電壓VREF的波動、運算放大器的零點漂移、模擬開關(guān)的導(dǎo)通內(nèi)阻和導(dǎo)通壓降、電阻網(wǎng)絡(luò)中的電阻值的偏差、三極管的特性不一致等等。第25頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四與輸入數(shù)字量的數(shù)值無關(guān)----漂移誤差、平移誤差。與輸入數(shù)字量的數(shù)值無關(guān)----非線性誤差。輸出總誤差：第26頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四第27頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四第28頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四[解]電路工作在計數(shù)狀態(tài)，從0000狀態(tài)開始連續(xù)輸入16個計數(shù)脈沖時，電路將從1111返回0000狀態(tài)，C端從高電平跳變至低電平。當CP的上升沿到來的時候，υ0的值由式可得。畫出輸出電壓υ0的波形，并標出波形圖上各點電壓的幅度波形發(fā)生器電路第29頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四試分析電路的工作原理，畫出輸出電壓υ0的波形圖第30頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四11.3.1A/D轉(zhuǎn)換的基本原理11.3.4反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器

11.3.3并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器11.3.2取樣-保持電路11.3.5雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器

11.3.6V-F變換型A/D轉(zhuǎn)換器

11.3.7A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度

11.3A/D轉(zhuǎn)換器第31頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四

A/D轉(zhuǎn)換目標：將時間連續(xù)、幅值也連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為時間離散、幅值也離散的數(shù)字信號。一、采樣定理

采樣:將時間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成時間上離散的模擬量11.3.1A/D轉(zhuǎn)換原理四個步驟：采樣、保持、量化、編碼。采樣定理：設(shè)取樣脈沖s(t)的頻率為fS，輸入模擬信號x(t)的最高頻率分量為fmax，必須滿足fs≥2fmax，y(t)才可以正確的反映輸入信號(從而能不失真地恢復(fù)原模擬信號)。fs＝（3～5）fmax第32頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四11.3.2

采樣--保持電路

取樣--保持電路的基本形式

s(t)有效期間，開關(guān)管VT導(dǎo)通，uI向C充電，uO

(=uc)跟隨uI的變化而變化s(t)無效期間，開關(guān)管VT截止，uO

(=uc)保持不變，直到下次采樣。集成運放A具有很高的輸入阻抗，在保持階段，電容C上所存電荷不易泄放第33頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四集成采樣—保持電路LF398

第34頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四二、量化和編碼量化：進行A/D轉(zhuǎn)換時，將采樣電壓表示為最小數(shù)量單位的整數(shù)倍過程叫做量化。量化誤差：當采樣電壓不能被Δ整除時，量化過程誤差編碼：將量化的結(jié)果用代碼表示出來（二進制，二-十進制）注意：一個n位二進制數(shù)只能表示2n個量化電平，量化級分得越多，量化誤差越小。

A/D轉(zhuǎn)換的輸出結(jié)果量化單位△：數(shù)字量最小單位所對應(yīng)的最小量值叫做量化單位，用△表示（數(shù)字信號最低有效位LSB的1所代表的數(shù)量大小就等于△）。第35頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四量化電平劃分的兩種方法量化誤差大量化誤差小第36頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四量化誤差第37頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四量化11.3.3并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器第38頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四量化→編碼111110101100011010001000第39頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四特點*快，CLK觸發(fā)信號到達到輸出穩(wěn)定建立只需50ns*有存儲器，不需要S/H電路*精度，主要取決于量化電平的劃分*電路規(guī)模，n位需要2n-1比較器，2n-1觸發(fā)器第40頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四基本原理：取一個“D”加到DAC上，得到模擬輸出電壓，將該值與輸入電壓比較，如兩者不等，則調(diào)整D的大小，到相等為止，則D為所求值。！簡單！慢11.3.4反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器計數(shù)型第41頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四2、逐次漸近型！電路不太復(fù)雜！較快第42頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四100003位逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器環(huán)形移位寄存器逐次漸進寄存器初始狀態(tài)Q1Q2Q3Q4Q5=10000電壓比較器3位DAC轉(zhuǎn)換器時鐘脈沖源第43頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四工作原理設(shè)：VR=-5V，Vi=3.2V初始化QAQBQC=000Q1Q2Q3Q4Q5=10000第一個CLKQAQBQC=100 Q1Q2Q3Q4Q5=01000∵Vo<Vi∴

VB=0Vo=5/23×22=2.5V第44頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四Vo=5/23×（22+21）=3.75V Vo>Vi，VB=1第二個CLK∵Q2=1，QB=1；∵VB=0，封鎖了與門G1，Q2不能通過門G1使QA復(fù)位，QA仍為1 QAQBQC=110Q1Q2Q3Q4Q5=00100第45頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四第三個CLK∵Q3=1，QC=1；VB=1，門G2被打開，Q3通過門G2使QB=0；同時QA=1保持不變Vo=5/23×（22+20）=3.125VVo<Vi，VB=0QAQBQC=101Q1Q2Q3Q4Q5=00010第46頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四即QAQBQC=101Q1Q2Q3Q4Q5=00001第四個CLKVB=0封鎖門G1～G3∵Q1Q2Q3=000，∴QA

QB

QC保持原狀態(tài)不變∵Q5=1，使QAQBQC通過門G6、G7、G8輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。

d2d1d0=101第47頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四第五個CLK后Q1Q2Q3Q4Q5=10000又重新開始轉(zhuǎn)換∵Q5=0，門G6、G7、G8被封鎖，轉(zhuǎn)換輸出信號隨之消失。第48頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四基本原理：先將V轉(zhuǎn)換成與之成正比的時間寬度信號，然后在這個時間內(nèi)對固定頻率的脈沖計數(shù)，計數(shù)結(jié)果即為數(shù)字信號11.3.5雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器--V-T變換型第49頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四工作原理第50頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四第51頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四時段①：固定時間積分，到時結(jié)束時段②：固定斜率積分，過零結(jié)束第52頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器特點優(yōu)點：精度較高，對元件要求低抗干擾能力比較強缺點：工作速度低每完成一次轉(zhuǎn)換的時間為第53頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四11.3.6V-F變換型A/D轉(zhuǎn)換器第54頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四11.3.7ADC的轉(zhuǎn)換速度與轉(zhuǎn)換精度分辨率：以輸出二進制或十進制的位數(shù)表示，說明A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號的分辨能力。2.轉(zhuǎn)換誤差：通常以輸出誤差最大值的形式給出，表示實際輸出的數(shù)字量和理論上應(yīng)有的輸出數(shù)字量之間的差別，一般以最低有效位的倍數(shù)給出（±

0.5

LSB）。能區(qū)分輸入電壓的最小差異為一、轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換速度：取決于電路結(jié)構(gòu)類型 并聯(lián)比較型：<1微秒（8位A/D50ns） 逐次漸近型：10~100微秒/次 雙積分型：幾十毫秒~數(shù)百毫秒/次第55頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品舉例--ADC0809特點：·屬CMOS電路·8路模擬輸入，8bit輸出·與常用μP兼容·采用逐次比較法，轉(zhuǎn)換時間約100μs第56頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四ICL7107ICL7107構(gòu)成直流電壓表A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品舉例--ICL7106/7107特點：·直接輸出7段譯碼信號·7106驅(qū)動LCD；7107驅(qū)動LED·十進制3位半A/D轉(zhuǎn)換器·雙積分型電路，內(nèi)含基準源第57頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四特點：·6bit高速A/D轉(zhuǎn)換器，速率可達90M·帶偏移矯正的55MHZ帶寬差動放大器·功耗僅190mW·有效位為5.85bitA/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品舉例--MAX1011第58頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四第11章小結(jié)

1.A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器是數(shù)字系統(tǒng)和各種工程技術(shù)相聯(lián)系的橋梁，在二者之間起著“翻譯”的作用。

2.常用的D/A轉(zhuǎn)換器主要有權(quán)電阻型和R-2R網(wǎng)絡(luò)型兩種電路。由于R-2R網(wǎng)絡(luò)型的電阻種類少，易于集成和提高精度，因此多為集成D/A轉(zhuǎn)換器所采用。3.常用的A/D轉(zhuǎn)換器主要有雙積分型、逐次比較型和并行比較型三種。三種電路在精度、轉(zhuǎn)換速率及其他參數(shù)等方面各具特色，因而應(yīng)用都比較廣泛。第59頁，共66頁，2023年，2月20日，星期四5.由于D/A轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器在電子系統(tǒng)、特別是數(shù)字系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛，技術(shù)與工藝的進步，其新產(chǎn)品也不斷涌現(xiàn)。因此，要根據(jù)實際需要來選擇各項指標以及價格、廠商等，切不可片面地追求某一項指標。4.作為產(chǎn)品的實例，幾種中、大規(guī)模集成電路：7520、0832、MAX5013；0809、7106/7107、MAX1011，它們中既有應(yīng)用