數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器

隨著數(shù)字電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)在自動(dòng)控制、自動(dòng)檢測(cè)、電子信息處理及許多其他領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，用數(shù)字電路來處理模擬信號(hào)的方式更加普遍。完成D/A轉(zhuǎn)換的電路稱為D/A轉(zhuǎn)換器（DigitaltoAnalogConverter簡(jiǎn)稱DAC）。完成A/D轉(zhuǎn)換的電路稱為A/D轉(zhuǎn)換器（AnalogtoDigitalConverter簡(jiǎn)稱ADC）。概述數(shù)模轉(zhuǎn)換即將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬電量(電壓或電流)，使輸出的模擬電量與輸入的數(shù)字量成正比。模數(shù)轉(zhuǎn)換即將模擬電量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，使輸出的數(shù)字量與輸入的模擬電量成正比。目前一頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于七點(diǎn)●典型應(yīng)用系統(tǒng)之一——多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)目前二頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于七點(diǎn)●典型應(yīng)用系統(tǒng)之二

——聲音的存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)目前三頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于七點(diǎn)一、D/A轉(zhuǎn)換器的基本概念數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化成與其成正比的模擬信號(hào)。19-1D/A轉(zhuǎn)換器19.1.1D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理目前四頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于七點(diǎn)以三位DAC為例，設(shè)K=1，可得出vO和Dn的關(guān)系D2D1D0vO0000V0011V0102V0113V1004V1015V1106V1117V目前五頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于七點(diǎn)組成：

D/A轉(zhuǎn)換器由數(shù)碼寄存器、模擬電子開關(guān)電路、解碼網(wǎng)絡(luò)、求和電路、基準(zhǔn)電壓幾部分構(gòu)成。

原理：對(duì)數(shù)字量的每位二進(jìn)制代碼按其權(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)D/A轉(zhuǎn)換。數(shù)碼寄存器模擬

開關(guān)譯碼

網(wǎng)絡(luò)求和放大器Du基準(zhǔn)電壓UREFDAC方框圖目前六頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于七點(diǎn)電阻網(wǎng)絡(luò)模擬電子開關(guān)求和放大器參考電壓19.1.2權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器目前七頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于七點(diǎn)集成運(yùn)放通過RF接入負(fù)反饋，有虛短，V-≈V+=0取RF=R/2目前八頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于七點(diǎn)n位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，當(dāng)反饋電阻取為R/2時(shí)，輸出電壓的計(jì)算公式：輸出電壓的變化范圍:優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所用的電阻元件數(shù)很少。缺點(diǎn)：各電阻的阻值相差較大，不能保證有很高的精度。目前九頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于七點(diǎn)RF19.1.3倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器電阻網(wǎng)絡(luò)模擬電子開關(guān)目前十頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于七點(diǎn)圖中S0～S3為模擬開關(guān)，由輸入數(shù)碼Di控制，①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；②當(dāng)Di=0時(shí)，Si將電阻2R接地。

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），因此流經(jīng)2R電阻的電流與開關(guān)位置無關(guān)，為確定值。工作原理目前十一頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于七點(diǎn)等效電路：可算出，基準(zhǔn)電流I=VREF/R輸出電壓：則流過各開關(guān)支路（從右到左）的電流分別為I/2、I/4、I/8、I/16。于是得總電流：取RF=R則：目前十二頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于七點(diǎn)n位輸入的倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，當(dāng)反饋電阻取為R時(shí)，輸出電壓的計(jì)算公式：優(yōu)點(diǎn)：（1）只有R和2R兩種阻值的電阻，可達(dá)到較高的精度；（2）各支路電流恒定不變，在開關(guān)狀態(tài)變化時(shí)，不需電流建立時(shí)間，所以電路轉(zhuǎn)換速度高，使用廣泛。目前十三頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于七點(diǎn)常見DAC輸出公式歸納權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)取Rf＝R：目前十四頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于七點(diǎn)集成D/A轉(zhuǎn)換器CB7520為10位DACCB7520運(yùn)算放大器的反饋電阻可使用CB7520內(nèi)設(shè)的R如上圖所示（16腳與1腳相連），也可另選反饋電阻接到IOUT1與VO之間。CB7520引腳排列圖CB7520需外接運(yùn)放需外接基準(zhǔn)電壓源目前十五頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于七點(diǎn)D/A轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例設(shè)集成D/A轉(zhuǎn)換器CB7520按圖聯(lián)接，且VREF=-10V，求輸出與輸入的關(guān)系。解：目前十六頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于七點(diǎn)CB7520D/A轉(zhuǎn)換器輸出與輸入的關(guān)系目前十七頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于七點(diǎn)19.1.5具有雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器接一偏置電流符號(hào)位求反目前十八頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于七點(diǎn)若選VB=VREF和RB=2R，則:

當(dāng)UREF=－8v時(shí)，有補(bǔ)碼輸入對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)要求的輸出電壓d2d1d0011010001000111110101100+3+2+10-1-2-3-4+3v+2v+1v0-1v-2v-3v-4v則可得左表目前十九頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于七點(diǎn)（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)。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。即分辨率為2n。在分辨率為n位的D/A轉(zhuǎn)換器中，可以區(qū)分的模擬輸出的最小非零電壓值|VREF／2n|，能給出2n個(gè)不同等級(jí)的輸出模擬電壓。

（2）轉(zhuǎn)換誤差

D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換誤差是指輸出模擬電壓的實(shí)際值與理想值之差，即最大靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。19.1.6D/A轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)通常用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述。一、D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度目前二十頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于七點(diǎn)一般不包含運(yùn)放的DAC建立時(shí)間可達(dá)0.1μs，包含了運(yùn)放的建立時(shí)間可以達(dá)到1.5μs。二、D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度

當(dāng)輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時(shí)，輸出的模擬量并不能立即達(dá)到所對(duì)應(yīng)的量值，而需要一段時(shí)間。用建立時(shí)間（tset）和轉(zhuǎn)換速率（SR）來描述轉(zhuǎn)換速度。目前二十一頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于七點(diǎn)例1、已知4位倒T型DAC，輸入數(shù)字量為1101，UREF=-8V，Rf=R，則輸出模擬量UO=?解：目前二十二頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于七點(diǎn)解：計(jì)數(shù)器狀態(tài)為0000時(shí)，模擬輸出為0；當(dāng)狀態(tài)為0001時(shí)，D/A輸入數(shù)字量為0001000000，輸出為：編碼＋1遞增，所以模擬電平輸出也按0.625V遞增。例2、位D/A轉(zhuǎn)換器，VREF=-10V,畫輸出波形。目前二十三頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于七點(diǎn)0.625VCPtt0(V)1160目前二十四頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于七點(diǎn)

例3、波形產(chǎn)生電路如圖，圖中ROM的數(shù)據(jù)如表所示。對(duì)應(yīng)CP波形，畫出輸出vO的波形，并標(biāo)出波形上各點(diǎn)的電壓值。目前二十五頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于七點(diǎn)解、由74161可得狀態(tài)為

查ROM表可得AD7533高4位數(shù)據(jù)為

0111，0001，0010，

0011，0100，0011。計(jì)算出vO值為3.5V、0.5V、1V、1.5V、2V、1.5V波形：目前二十六頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于七點(diǎn)19-2A／D轉(zhuǎn)換器0~5V00000000~11111111A/DUI輸入模擬電壓D7~D0輸出數(shù)字量目前二十七頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于七點(diǎn)19.2.1A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟

將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)，通常的轉(zhuǎn)換過程為：采樣、保持、量化和編碼。目前二十八頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于七點(diǎn)Ot1.采樣－保持

采樣是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行周期性地抽取樣值的過程，就是把隨時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)轉(zhuǎn)換成在時(shí)間上斷續(xù)、在幅度上等于采樣時(shí)間內(nèi)模擬信號(hào)大小的一串脈沖。OtvI(t)OtS(t)vI(t)vo(t)目前二十九頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于七點(diǎn)①采樣定理：為了不失真地恢復(fù)原始信號(hào)，采樣頻率至少應(yīng)是原始信號(hào)最高有效頻率的兩倍采樣定理：fs≥2fi(max)輸入模擬信號(hào)的最高頻率分量的頻率采樣頻率目前三十頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于七點(diǎn)②采樣—保持電路電路組成及工作原理（要求電路中Av1Av2=1）t=t0時(shí)，S閉合，電容充電，vo=vI，t0～t1階段為取樣階段；t=t1時(shí)，S斷開，電容沒有放電回路，其兩端電壓保持vo不變，t1～

t2階段為保持階段。目前三十一頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于七點(diǎn)取樣保持目前三十二頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于七點(diǎn)量化——將采樣—保持后的信號(hào)幅值轉(zhuǎn)化成某個(gè)最小數(shù)量單位（量化單位）的整數(shù)倍。即單位數(shù)字量所代表的模擬量。

如量化單位用△表示，量化過程為：把采樣的模擬量除△，得：①整數(shù)部分，用二進(jìn)制表示，即得轉(zhuǎn)換數(shù)字量。②余數(shù)部分，即量化誤差。誤差處理：四舍五入——誤差小。只舍不入——誤差大。量化單位越小→轉(zhuǎn)換位數(shù)越多→量化誤差越小。編碼——量化后的數(shù)值需要用一個(gè)代碼來表示，這一過程稱為編碼。2、量化與編碼目前三十三頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于七點(diǎn)例:試用三位二進(jìn)制代碼對(duì)0～1V的電壓進(jìn)行量化與編碼01/8V7/8V2/8V3/8V4/8V5/8V6/8V1V0△0001△0012△0103△0114△1005△1016△1107△111

Vi量化結(jié)果編碼結(jié)果①只舍不入（舍尾取整）

取量化單位

即取△=1/8V,量化誤差為△=1/8V目前三十四頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于七點(diǎn)即取△=2/15V,量化誤差為△/2=1/15V01/15V13/15V3/15V5/15V7/15V9/15V11/15V1V0△0001△0012△0103△0114△1005△1016△1107△111

Vi量化結(jié)果編碼結(jié)果如果取量化單位

②有舍有入（四舍五入）目前三十五頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于七點(diǎn)19.2.2A/D轉(zhuǎn)換器的分類工作原理：直接ADC：模擬信號(hào)→數(shù)字信號(hào)特點(diǎn)：速度快典型電路：并行比較型ADC、逐次比較型ADC間接ADC：模擬信號(hào)→中間信號(hào)→數(shù)字信號(hào)特點(diǎn)：速度慢典型電路：雙積分型ADC、電壓頻率轉(zhuǎn)換型ADC目前三十六頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于七點(diǎn)一、

并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器目前三十七頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于七點(diǎn)特點(diǎn)：速度快，但是隨著分辨率增加，元件數(shù)目急劇增加。不易于集成。目前三十八頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于七點(diǎn)逐次逼近型ADC的工作原理很像用天平稱重的過程

將輸入模擬信號(hào)與不同的參考電壓進(jìn)行多次比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量在數(shù)值上逐次逼近輸入模擬量。二、反饋比較型逐次比較型A／D轉(zhuǎn)換器1．轉(zhuǎn)換原理：目前三十九頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于七點(diǎn)2、電路結(jié)構(gòu)目前四十頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于七點(diǎn)CPd3d2d1d0vO比較結(jié)果處理123410001100101010112.5V3.75V3.125V3.4375VvI＞vOvI＞vOvI＜vOvI＞vO（d3）1保留（d2）1不保留（d1）1保留（d0）1保留如：Vi=3.5V,D3D2D1Do=1011目前四十一頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于七點(diǎn)3．邏輯電路目前四十二頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于七點(diǎn)三.間接轉(zhuǎn)換型ADC

間接轉(zhuǎn)換型ADC實(shí)現(xiàn)基本原理直接轉(zhuǎn)換型ADC是直接進(jìn)行輸入模擬電壓到輸出數(shù)字編碼的變換。

雙積分型ADC間接轉(zhuǎn)換型ADC是是通過電壓－時(shí)間變換或電壓－頻率變換，對(duì)變換后的時(shí)間或頻率進(jìn)行計(jì)量，從而得到數(shù)字編碼量。對(duì)輸入模擬電壓進(jìn)行積分，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時(shí)間間隔。再對(duì)已知參考電壓進(jìn)行積分。積分時(shí)利用時(shí)鐘脈沖和計(jì)數(shù)器測(cè)出相應(yīng)時(shí)間間隔，進(jìn)而得到相應(yīng)的數(shù)字量輸出。該ADC也稱為電壓－時(shí)間－數(shù)字式積分器。目前四十三頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于七點(diǎn)雙積分型ADC電路原理分析它由積分器、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）等幾部分組成目前四十四頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于七點(diǎn)（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=0Vt=0時(shí)，輸入電壓vI加到積分器的輸入端。積分器從0開始積分：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)

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：

t1=T1=2nTC

目前四十五頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于七點(diǎn)（3）第二次積分階段工作原理：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同時(shí)，N級(jí)計(jì)數(shù)器又從0開始計(jì)數(shù)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。目前四十六頁(yè)\總數(shù)五十一頁(yè)\編于七點(diǎn)在T2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D，則：T2與VI成正比，T2就是雙積分A/D轉(zhuǎn)換過程的中間變量

計(jì)數(shù)器中所計(jì)得的數(shù)D（D=Qn-1…Q1