電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分(第六)康華光模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器共節(jié)

3、正確理解D/A、A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)。1、掌握倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器(DAC)、集成D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理及相關(guān)計(jì)算。2、掌握并行比較、逐次比較、雙積分A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)的工作原理及其特點(diǎn)。教學(xué)基本要求當(dāng)前第1頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)A/D

轉(zhuǎn)換器

D/A

轉(zhuǎn)換器

模擬

控制器

工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制對(duì)象

模

擬

傳感器

ADC和DAC已成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中不可缺少的接口電路。將溫度、壓力、流量、應(yīng)力等物理量轉(zhuǎn)換為模擬電量。計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字處理（如計(jì)算、濾波）、保存等用模擬量作為控制信號(hào)數(shù)字控制

計(jì)算機(jī)概述當(dāng)前第2頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)處理模擬信號(hào)的模擬電路。模擬電路與數(shù)字電路的接口模數(shù)（數(shù)模）轉(zhuǎn)換電路。AnalogtodigitalconverterEncoderMp3(wma)CDromMemory模擬電路模數(shù)混合電路

數(shù)字電路當(dāng)前第3頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)10.1D/A轉(zhuǎn)換器10.1.1D/A轉(zhuǎn)換器的輸入/輸出特性及結(jié)構(gòu)框圖10.1.3倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器10.1.6D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式10.1.4權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器10.1.7D/A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)10.1.8D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用*10.1.5權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器10.1.2D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理當(dāng)前第4頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為與之成正比模擬量。n位數(shù)字量DAC10.1D/A轉(zhuǎn)換器模擬量1.D/A轉(zhuǎn)換器輸入/輸出特性A

=KDO=–KNB

10.1.1D/A轉(zhuǎn)換器的輸入/輸出特性及其結(jié)構(gòu)框圖當(dāng)前第5頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)數(shù)字量與轉(zhuǎn)換后的模擬量之間存在誤差。1.D/A轉(zhuǎn)換器輸入/輸出特性當(dāng)前第6頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)2.D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)框圖DAC的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可以并行輸入也可串行輸入

用存放在數(shù)字寄存器中的數(shù)字量的各位數(shù)碼

由輸入數(shù)字量控制

產(chǎn)生權(quán)電流

將權(quán)電流相加產(chǎn)生與輸入成正比的模擬電壓當(dāng)前第7頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)

數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合而成的，對(duì)于有權(quán)碼，每位代碼都有一定的權(quán)值，如能將每一位代碼按其權(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)字量成正比的模擬量，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字量--模擬量的轉(zhuǎn)換。1.實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的基本思想

ND＝b4×24＋b3×23＋b2×22＋b1×21＋b0×20

＝1×24＋1×23＋0×22＋0×21＋1×20將二進(jìn)制數(shù)ND＝(11001)B轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。10.1.2D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理當(dāng)前第8頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)2.

實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的原理電路

，，,

當(dāng)前第9頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)3.D/A轉(zhuǎn)換器的分類:按解碼網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分類T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC權(quán)電流DAC

權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC按模擬電子開關(guān)電路分類CMOS開關(guān)型DAC雙極型開關(guān)型DAC電流開關(guān)型DACECL電流開關(guān)型DACD/A轉(zhuǎn)

換

器當(dāng)前第10頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)10.1.3倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器Di=0,Si則將電阻2R接地Di=1,Si接運(yùn)算放大器反相端，電流Ii流入求和電路

電阻網(wǎng)絡(luò)模擬電子開關(guān)求和運(yùn)算放大器輸出模擬電壓輸入4位二進(jìn)制數(shù)根據(jù)運(yùn)放線性運(yùn)用時(shí)虛地的概念可知，無(wú)論模擬開關(guān)Si處于何種位置，與Si相連的2R電阻將接“地”或虛地。1、4位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)電壓

電阻網(wǎng)絡(luò)模擬電子開關(guān)求和運(yùn)算放大器當(dāng)前第11頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)D/A轉(zhuǎn)換器的倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)電源VREF提供的總電流為：I=？流過(guò)各開關(guān)支路的電流：I3=？I2=？I1=？I0=？I/4I/8I/16RRRRI/2I/4I/8I/16I/2I3I2I1I0流入每個(gè)2R電阻的電流從高位到低位按2的整數(shù)倍遞減。I3=VREF/2RI2=VREF/4RI1=VREF/8RI0=VREF/16R當(dāng)前第12頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)流入運(yùn)放的總電流：i＝I0+I1+I2+I3輸出模擬電壓：

當(dāng)前第13頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)4位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC的輸出模擬電壓：n位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC有：令：則O=–KNB

在電路中輸入的每一個(gè)二進(jìn)制數(shù)NB，均能得到與之成正比的模擬電壓輸出。當(dāng)前第14頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)AD7533D/A轉(zhuǎn)換器使用:1)要外接運(yùn)放，

2)運(yùn)放的反饋電阻可使用內(nèi)部電阻，也可采用外接電阻）2.集成D/A轉(zhuǎn)換器10位CMOS電流開關(guān)型D/A轉(zhuǎn)換器

當(dāng)前第15頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)關(guān)于D/A轉(zhuǎn)換器精度的討論(1)基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定性好；(2)倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)中R和2R電阻比值的精度要高；(3)為實(shí)現(xiàn)電流從高位到低位按2的整數(shù)倍遞減，模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻也相應(yīng)地按2的整數(shù)倍遞增。為進(jìn)一步提高D/A轉(zhuǎn)換器的精度，可采用權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器。為提高D/A轉(zhuǎn)換器的精度，對(duì)電路參數(shù)的要求：(3)每個(gè)模擬開關(guān)的開關(guān)電壓降要相等當(dāng)前第16頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)Di=1時(shí)，開關(guān)Si接運(yùn)放的反相端;Di=0時(shí)，開關(guān)Si接地。10.1.4權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器1.4位權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器當(dāng)前第17頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)在恒流源電路中，各支路權(quán)電流的大小均不受開關(guān)導(dǎo)通電阻和壓降的影響，這樣降低了對(duì)開關(guān)電路的要求，提高了轉(zhuǎn)換精度。當(dāng)前第18頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)2.實(shí)際的權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器電路電壓恒定各BJT的發(fā)射結(jié)電壓相等基準(zhǔn)電流產(chǎn)生電路++-當(dāng)前第19頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)10.1.6D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式8位D/A轉(zhuǎn)換器在單極性輸出時(shí)的輸入/輸出關(guān)系0000000010000000……111111100000000110000001……11111111模擬量

數(shù)字量MSBLSB當(dāng)前第20頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)常用雙極性編碼十進(jìn)制數(shù)2的補(bǔ)碼偏移二進(jìn)制碼模擬量D7D6D5D4D3D2D1D0D7D6D5D4D3D2D1D00/VLSB12701111111111111111271260111111011111110126100000001100000011000000000100000000-11111111101111111-1-1271000000100000001-127-1281000000000000000-128*表中VLSB=VREF/256當(dāng)前第21頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)

當(dāng)前第22頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)10.1.7D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)分辨率：其定義為D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級(jí)數(shù)。n位DAC最多有2n個(gè)模擬輸出電壓。位數(shù)越多D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率越高。分辨率也可以用能分辨的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比給出。n位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率可表示為1、分辨率當(dāng)前第23頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)2、轉(zhuǎn)換精度：轉(zhuǎn)換精度是指對(duì)給定的數(shù)字量，D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際值與理論值之間的最大偏差。產(chǎn)生原因：由于D/A轉(zhuǎn)換器中各元件參數(shù)值存在誤差，如基準(zhǔn)電壓不夠穩(wěn)定或運(yùn)算放大器的零漂等各種因素的影響。幾種轉(zhuǎn)換誤差：有如比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差和非線性誤差等當(dāng)前第24頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)10.1.8集成D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用(1)數(shù)字式可編程增益控制電路

D2

D7

uO

D0

D1

2R

2R

2R

2R

R

R

D8

D9

R

R

R

uI

2R

2R

2R

-

+

RF

IOUT1

IOUT2

VREF

當(dāng)前第25頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)

D2

D7

uOD0

D1

2R

2R

2R

2R

R

R

R

D8

D9

R

R

R

uI2R

2R

2R

-

+

RF

IOUT1

IOUT2

VREF

uO

-

+

R

uIOUT2I

IOUT1

倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)OVIAuu=Iout1＝

I0+I1+I2+…I9根據(jù)虛斷有:當(dāng)前第26頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)(2)

脈沖波產(chǎn)生電路74163具同步清零功能74163和與非門構(gòu)成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器：0000~1001當(dāng)前第27頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)10.2.6集成A/D轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用10.2A/D

轉(zhuǎn)換器10.2.1A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過(guò)程10.2.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器10.2.3逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器10.2.4雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器10.2.5A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)當(dāng)前第28頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)概述ADCDn~D0輸出數(shù)字量輸入模擬電壓能將模擬電壓成正比地轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。1.A/D轉(zhuǎn)換器功能10.2A/D

轉(zhuǎn)換器當(dāng)前第29頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)2.A/D轉(zhuǎn)換器分類①并聯(lián)比較型

特點(diǎn):轉(zhuǎn)換速度快,轉(zhuǎn)換時(shí)間10ns~1s,但電路復(fù)雜。②逐次逼近型

特點(diǎn):轉(zhuǎn)換速度適中,轉(zhuǎn)換時(shí)間為幾s~100s,轉(zhuǎn)換精度高，在轉(zhuǎn)換速度和硬件復(fù)雜度之間達(dá)到一個(gè)很好的平衡。③雙積分型

特點(diǎn):轉(zhuǎn)換速度慢,轉(zhuǎn)換時(shí)間幾百s~幾ms,但抗干擾能力最強(qiáng)。當(dāng)前第30頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)取樣時(shí)間上離散的信號(hào)保持、量化量值上也離散的信號(hào)編碼模擬信號(hào)時(shí)間上和量值上都連續(xù)數(shù)字信號(hào)時(shí)間上和量值上都離散10.2.1A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過(guò)程

A/D轉(zhuǎn)換器一般要包括取樣，保持，量化及編碼4個(gè)過(guò)程。當(dāng)前第31頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)1.取樣與保持

采樣是將隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為在時(shí)間離散的模擬量。

采樣信號(hào)S(t)的頻率愈高，所采得信號(hào)經(jīng)低通濾波器后愈能真實(shí)地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)。合理的采樣頻率由采樣定理確定。

采樣定理：設(shè)采樣信號(hào)S(t)的頻率為fs，輸入模擬信號(hào)I(t)的最高頻率分量的頻率為fimax，則fs≥2fimax S(t)=1:開關(guān)閉合S(t)=0:開關(guān)斷開當(dāng)前第32頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)采得模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)都需要一定時(shí)間，為了給后續(xù)的量化編碼過(guò)程提供一個(gè)穩(wěn)定的值，在取樣電路后要求將所采樣的模擬信號(hào)保持一段時(shí)間。采樣保持取樣與保持電路及工作原理當(dāng)前第33頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)2.量化與編碼

數(shù)字信號(hào)在數(shù)值上是離散的。采樣–保持電路的輸出電壓還需按某種近似方式歸化到與之相應(yīng)的離散電平上，任何數(shù)字量只能是某個(gè)最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。

量化后的數(shù)值最后還需通過(guò)編碼過(guò)程用一個(gè)代碼表示出來(lái)。經(jīng)編碼后得到的代碼就是A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量。量化編碼當(dāng)前第34頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)

在量化過(guò)程中由于所采樣電壓不一定能被整除，所以量化前后一定存在誤差，此誤差我們稱之為量化誤差，用表示。

量化誤差屬原理誤差，它是無(wú)法消除的。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，各離散電平之間的差值越小，量化誤差越小。

兩種近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。3.量化誤差：量化前的電壓與量化后的電壓差4.量化方式當(dāng)前第35頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)011111101011000110100010000Δ=0v7Δ=7/8v6Δ=6/8v5Δ=5/8v4Δ=4/8v3Δ=3/8v2Δ=2/8v1Δ=1/8v輸入信號(hào)編碼量化后電壓a)只舍不入量化方式:量化中把不足一個(gè)量化單位的部分舍棄；對(duì)于等于或大于一個(gè)量化單位部分按一個(gè)量化單位處理。最大量化誤差為：最小量化單位＝1/8VΔ=1LSB=1/8V例：將0~1V電壓轉(zhuǎn)換為3位二進(jìn)制代碼當(dāng)前第36頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)b)四舍五入量化方式:量化過(guò)程將不足半個(gè)量化單位部分舍棄，對(duì)于等于或大于半個(gè)量化單位部分按一個(gè)量化單位處理。最大量化誤差為：最小量化單位：011111101011000110100010000Δ=0v7Δ=14/15v6Δ=12/15v5Δ=10/15v4Δ=8/15v3Δ=6/15v2Δ=4/15v1Δ=2/15v輸入信號(hào)編碼模擬電平Δ=1LSB=

2/15V＝1/15V例：將0~1V電壓轉(zhuǎn)換為3位二進(jìn)制代碼當(dāng)前第37頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)10.2.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器電壓比較器輸入模擬電壓精密電阻網(wǎng)絡(luò)精密參考電壓VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15輸出數(shù)字量1、電路組成當(dāng)前第38頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)VI=8VREF/151111000001當(dāng)前第39頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)

vICO1CO2CO3CO4CO5CO6CO7

D2D1D0

7VREF/15

vI9VREF/15

0001111100

9VREF/15

vI11VREF/15

0011111101

5VREF/15

vI7VREF/15

0000111011

3VREF/15

vI

5VREF/15000001101011VREF/15

vI13VR/15

011111111013VREF/15

vI15VREF/15

1111111111

VREF/15

vI

3VREF/15

0000001001

0vIVREF/15

0000000000

根據(jù)各比較器的參考電壓值，可以確定輸入模擬電壓值與各比較器輸出狀態(tài)的關(guān)系。比較器的輸出狀態(tài)由D觸發(fā)器存儲(chǔ)，經(jīng)優(yōu)先編碼器編碼，得到數(shù)字量輸出。當(dāng)前第40頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)2、電路特點(diǎn)：在并行A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入電壓I同時(shí)加到所有比較器的輸入端。如不考慮各器件的延遲，可認(rèn)為三位數(shù)字量是與I輸入時(shí)刻同時(shí)獲得的。所以它的轉(zhuǎn)換時(shí)間最短。缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，如三位ADC需7個(gè)比較器、7個(gè)觸發(fā)器、8個(gè)電阻。位數(shù)越多，電路越復(fù)雜。為了解決提高分辨率和增加元件數(shù)的矛盾，可以采取分級(jí)并行轉(zhuǎn)換的方法。單片集成并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的產(chǎn)品很多，如AD公司的AD9012(TTL工藝8位)、AD9002(ECL工藝，8位)、AD9020(TTL工藝，10位)等。當(dāng)前第41頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)所加砝碼重量

結(jié)果

10.2.3逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器逐次逼近轉(zhuǎn)換過(guò)程與用天平稱物重非常相似。第一次8克砝碼總重<待測(cè)重量Wx

，8克砝碼保留8克第二次再加4克砝碼總重仍<待測(cè)重量Wx

，4克砝碼保留12克第三次再加2克砝碼總重>待測(cè)重量Wx

，2克砝碼撤除12克第四次再加1克砝碼總重＝待測(cè)重量Wx

，1克砝碼保留13克1.轉(zhuǎn)換原理所用砝碼重量：8克、4克、2克和1克。設(shè)待秤重量Wx=13克。當(dāng)前第42頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)

轉(zhuǎn)換原理

100…0100…0I

≥5V

1A=6.84VVREF=10V第一個(gè)CP：當(dāng)前第43頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)

轉(zhuǎn)換原理

第二個(gè)CP：010…0110…010I

<7.5VI=6.84VVREF=10V當(dāng)前第44頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)

轉(zhuǎn)換原理第三個(gè)CP：001…0101…0I

≥6.25V101A=6.84VVREF=10V當(dāng)前第45頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)10000000A=6.84VVREF=10V1010111111000000101000001011000010101000101011001010111010101111當(dāng)前第46頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)小結(jié)：1、

逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)越多轉(zhuǎn)換精度越高；2、逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需時(shí)間與其位數(shù)n和時(shí)鐘脈沖頻率有關(guān)，位數(shù)愈少，時(shí)鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換所需時(shí)間越短；當(dāng)前第47頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)10.2.4雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器

1、雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的基本指導(dǎo)思想

對(duì)輸入模擬電壓和參考電壓分別進(jìn)行兩次積分，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時(shí)間間隔，然后利用時(shí)鐘脈沖和計(jì)數(shù)器測(cè)出此時(shí)間間隔，進(jìn)而得到相應(yīng)的數(shù)字量輸出。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器也稱為電壓－時(shí)間－數(shù)字式積分器。當(dāng)前第48頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)1、電路組成當(dāng)前第49頁(yè)\共有56頁(yè)\編于星期五\19點(diǎn)00000Cr信號(hào)將計(jì)數(shù)器清零；開關(guān)S2閉合，待積分電容放電完畢后，斷開S2使電容的初始電壓為0。2、工作原理(1)準(zhǔn)備階段：