數(shù)字電子技術數(shù)模與模數(shù)轉換

數(shù)字電子技術數(shù)模與模數(shù)轉換2023/12/26數(shù)字電子技術數(shù)模與模數(shù)轉換第8章數(shù)/模與模/數(shù)轉換

8.1DAC

8.2ADC數(shù)字電子技術數(shù)模與模數(shù)轉換圖8-1A/D、D/A轉換器在數(shù)字系統(tǒng)中的應用數(shù)字電子技術數(shù)模與模數(shù)轉換8.1DAC8.1.1DAC的基本概念1.轉換特性DAC電路輸入的是n位二進制數(shù)字信息B(Bn-1,Bn-2,…,B1、B0)，其最低位(LSB)的B0和最高位(MSB)的Bn-1的權分別為20和2n-1，故B按權展開式為數(shù)字電子技術數(shù)模與模數(shù)轉換DAC電路輸出的是與輸入數(shù)字量成正比例的電壓uO或電流iO，即式中K為轉換比例常數(shù)。圖8-2所示為DAC框圖。當n=3時，DAC轉換電路的輸出與輸入轉換特性如圖8-3所示，輸出為階梯波。數(shù)字電子技術數(shù)模與模數(shù)轉換圖8-2DAC框圖數(shù)字電子技術數(shù)模與模數(shù)轉換圖8–3轉換特性數(shù)字電子技術數(shù)模與模數(shù)轉換2.分辨率分辨率即說明n越大，DAC的分辨能力越高(分辨率越小)。例如,當n=10時，DAC分辨率=;當n=11時，DAC分辨率。數(shù)字電子技術數(shù)模與模數(shù)轉換3.精度(1)非線性誤差：它是由電子開關導通的電壓降和電阻網(wǎng)絡電阻值偏差產(chǎn)生的，常用滿刻度的百分數(shù)表示。(2)比例系數(shù)誤差：它是參考電壓UR偏離引起的誤差，也用滿刻度的百分數(shù)表示。(3)漂移誤差：它是由集成運放漂移產(chǎn)生的誤差。增益的改變也會引起增益誤差。(4)轉換時間：也稱輸出建立時間。它是從輸入數(shù)字信號時開始，到輸出電壓或電流達到穩(wěn)態(tài)值時所需要的時間。數(shù)字電子技術數(shù)模與模數(shù)轉換8.1.2DAC的電路形式及工作原理1.權電阻圖8–4權電阻DAC電路數(shù)字電子技術數(shù)模與模數(shù)轉換當輸入二進制數(shù)碼中某一位Bi=1時，開關Si接至基準電壓UR，這時在相應的電阻Ri支路上產(chǎn)生電流當Bi=0時，開關Si接地，電流ii=0,因此電流表達式應為根據(jù)疊加原理，總的輸出電流為數(shù)字電子技術數(shù)模與模數(shù)轉換通過集成運算放大器，輸出電壓為將代入則得例如，UR=8V,輸入八位二進制數(shù)碼為11001011，則輸出電壓為數(shù)字電子技術數(shù)模與模數(shù)轉換2.倒T型網(wǎng)絡DAC圖8–5R-2R倒T型網(wǎng)絡DAC電路數(shù)字電子技術數(shù)模與模數(shù)轉換運算放大器的輸出電壓為若Rf=R,并將I=UR/R代入上式，則有數(shù)字電子技術數(shù)模與模數(shù)轉換圖8–6權電流DAC原理圖數(shù)字電子技術數(shù)模與模數(shù)轉換當圖8-6中的Bi=1時，開關接運算放大器的反相輸入端，相應權電流流入求和電路；當Bi=0時，開關接地。故擴大至n位，則數(shù)字電子技術數(shù)模與模數(shù)轉換8.1.3集成DAC圖8-7AD7520引腳圖數(shù)字電子技術數(shù)模與模數(shù)轉換圖8-7為AD7520的引腳圖。D0~D9為10個數(shù)碼控制位，控制著內部CMOS的電流開關。IO1和IO2為電流輸出端。Rf端為反饋電阻Rf的一個引出端，另一個引出端和IO1端連接在一起。UREF端為基準電壓輸入端。+UDD端接電源的正端。GND端為接地端。數(shù)字電子技術數(shù)模與模數(shù)轉換8.2ADC8.2.1ADC的組成1.ADC的兩個組成部分及其作用圖8-8ADC的組成部分數(shù)字電子技術數(shù)模與模數(shù)轉換(1)采樣保持電路。采樣開關S的控制信號CPs的頻率fs必須滿足公式fs≥2fimax(fimax為輸入電壓頻譜中的最高頻率)，即其周期Ts很小，而且采樣時間τ比Ts更要小許多倍，這樣就能將采樣保持后的不失真地恢復成輸入電壓uI(t)。該公式稱為采樣定理。數(shù)字電子技術數(shù)模與模數(shù)轉換圖8–9采樣保持前后的波形舉例數(shù)字電子技術數(shù)模與模數(shù)轉換圖8–10采樣保持電路原理圖數(shù)字電子技術數(shù)模與模數(shù)轉換(2)量化編碼電路。采樣保持電路的輸出信號雖已成為階梯狀，但其階梯幅值仍是連續(xù)可變的，有無限多個數(shù)值，無法與n位有限的2n個數(shù)字量輸出X相對應。因此，必須將采樣后的值只限于在某些規(guī)定個數(shù)的離散的電平上，凡介于兩個離散電平之間的采樣值，就要用某種方式整理歸并到這兩個離散電平之一上。這種將幅值取整歸并的方式及過程稱為“量化”。將量化后的有限個整量值用n位一組的某種數(shù)字代碼(如二進制碼、BCD碼或Gray碼等)對應描述以形成數(shù)字量，這種用數(shù)字代碼表示量化幅值的過程稱作“編碼”。數(shù)字電子技術數(shù)模與模數(shù)轉換2.量化方式和量化誤差(1)只舍不入法。當輸入uI在某兩個相鄰的量化值之間，即中國最大的資料庫下載(k為整數(shù))(2)四舍五入法。當uI的尾數(shù)不足時，用舍尾取整法得其量化值；當uI的尾數(shù)等于或大于時，則入整。例如，已知s=1V,則uI=2.1V時，uI=2V;uI=2.7V時。數(shù)字電子技術數(shù)模與模數(shù)轉換圖8–11兩種量化方法的比較數(shù)字電子技術數(shù)模與模數(shù)轉換8.2.2ADC電路1.雙積分ADC雙積分ADC又稱雙斜率ADC，是間接法的一種，它先將模擬電壓uI轉換成與之大小對應的時間T，再在時間間隔T內用計數(shù)器對固定頻率計數(shù)，計數(shù)器所計的數(shù)字量就正比于輸入模擬電壓。數(shù)字電子技術數(shù)模與模數(shù)轉換圖8–12雙積分A/D電路原理圖數(shù)字電子技術數(shù)模與模數(shù)轉換圖8–13雙積分ADC工作波形數(shù)字電子技術數(shù)模與模數(shù)轉換(1)采樣階段：在啟動脈沖作用下，將全部觸發(fā)器置0。由于Qn=0，使開關S與輸入信號uI連接,A/D轉換開始。uI加至積分器的輸入端后，積分器對uI進行積分，輸出為式中，τ=RC，為積分時間常數(shù)。由于uA＜0，過零比較器輸出UC=1，G門打開，n位二進制計數(shù)器從0開始計數(shù)，一直到時，觸發(fā)器F0~Fn-1又全部回到0，而觸發(fā)器Fn由0翻至1，Qn=1，開關S轉接至基準電源-UR，采樣階段結束。此時數(shù)字電子技術數(shù)模與模數(shù)轉換(2)比較階段：開關S轉接至基準電源-UR后，積分器對-UR進行積分，積分器輸出當uA≥0時，過零比較器輸出UC=0，G門被封鎖，計數(shù)器停止計數(shù)。假設此時計數(shù)器已記錄了N個脈沖，則代入上式得求得數(shù)字電子技術數(shù)模與模數(shù)轉換2.逐次逼近式ADC圖8–14四位逐次逼近型A/D轉換器原理框圖數(shù)字電子技術數(shù)模與模數(shù)轉換表8–1輸出與輸入數(shù)碼的關系數(shù)字電子技術數(shù)模與模數(shù)轉換假設：D/A轉換器的基準電壓UR=8V，采樣保持信號電壓uI=6.25V。首先，在節(jié)拍脈沖CP0作用下，使JK觸發(fā)器的狀態(tài)置為QDQCQBQA=1000，則D/A轉換器輸出參考電壓(見表8-1)，所以。由于，比較器輸出F=1，G=0。這樣，各級觸發(fā)器的J=1，K=0。接著，節(jié)拍脈沖CP1到來，其下跳沿觸發(fā)JK觸發(fā)器D，使QD=1，同時CP1使觸發(fā)器C置1。這樣，在CP1作用后，JK觸發(fā)器的狀態(tài)為QDQCQBQA=1100。D/A轉換器輸出參考電壓 。由于，比較器輸出F=1，G=0。這樣，各級觸發(fā)器的J=1,K=0。數(shù)字電子技術數(shù)模與模數(shù)轉換CP1作用結束后，CP2節(jié)拍脈沖到來，其下跳沿觸發(fā)JK觸發(fā)器C，使QC=1。同時CP2使觸發(fā)器B置1。這樣，在CP2作用后，JK觸發(fā)器的狀態(tài)為QDQCQBQA=1110。D/A轉換器輸出參考電壓。由于，比較器輸出F=0，G=1。這樣，各級觸發(fā)器的J=0，K=1。CP2作用結束后，CP3節(jié)拍脈沖到來，其下跳沿觸發(fā)JK觸發(fā)器B，使QB=0。同時CP3使觸發(fā)器A置1。這樣，在CP3作用下，JK觸發(fā)器的狀態(tài)為QDQCQBQA=1101。D/A轉換器輸出參考電壓。由于，比較器輸出F=0，G=1。這樣，各級觸發(fā)器的J=0，K=1。數(shù)字電子技術數(shù)模與模數(shù)轉換CP3作用結束后，CP4節(jié)拍脈沖到來，其下跳沿觸發(fā)JK觸發(fā)器A，使QA=0，JK觸發(fā)器的狀態(tài)為QDQCQBQA=1100。CP4節(jié)拍脈沖的上升沿觸發(fā)暫存器各D觸發(fā)器，將JK觸發(fā)器狀態(tài)1100存入到暫存器中。暫存器的輸出D3D2D1D0=1100，即為輸入模擬電壓uI=6.25V的二進制代碼。暫存器輸出的是并行二進制代碼。同時從上面分析中可見，比較器F端順序輸出的恰好是1100串行輸出的二進制代碼。數(shù)字電子技術數(shù)模與模數(shù)轉換3.并行比較型電路圖8-16三位二進制數(shù)的并行比較型ADC電路數(shù)字電子技術數(shù)模與模數(shù)轉換輸入模擬電壓的范圍uI=0~8V,uIm=8V；輸出三位二進制代碼(n=3)。采用四舍五入的量化方式，量化間隔。量化標尺是用電阻分壓器形成各分度值的，并作為各比較器C1~C7的比較參考電平。因采用四舍五入法量化，第一個比較器的參考電平應取。采樣保持后的輸入電壓uI與這些分度值相比較，當uI大于比較參考電平時，比較器輸出1電平，反之輸出0電平，從而各比較器輸出電平的狀態(tài)就與輸入電壓量化后的值相對應。各比較器輸出并行送至由D觸發(fā)器構成的寄存器內，再經(jīng)過編碼電路將比較器的輸出轉換成三位二進制代碼x2x1x0。輸入電壓與代碼的對應關系如表8-2所示。數(shù)字電子技術數(shù)模與模數(shù)轉換表8–2輸入電壓與代碼的對應關系數(shù)字電子技術數(shù)模與模數(shù)轉換8.2.3ADC的主要技術指標1.分辨率

分辨率指ADC對輸入模擬信號的分辨能力。從理論上講，一個n位二進制數(shù)輸出ADC應能區(qū)分輸入模擬電壓的2n個不同量級，能區(qū)分輸入模擬電壓的最小值為滿量程輸入的1/2n。在最大輸入電壓一定時，輸出位數(shù)愈多，量化單位愈小，分辨率愈高。例如，ADC輸出為八位二進制數(shù)，輸入信號最大值為5V，其分辨率為分辨率數(shù)字電子技術數(shù)模與模數(shù)轉換2.轉換誤差

轉換誤差通常是以輸出誤差的最大值形式給出。它表示ADC實際輸出的數(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。如給出相對誤差小于等于±LSB/2，這就表明實際輸出的數(shù)字量和理論上應得到的輸出數(shù)字量之間的誤差小于最低位的半個字。數(shù)字電子技術數(shù)模與模數(shù)轉換3.轉換速度

轉換時間是指ADC從轉換信號到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號所經(jīng)過的時間。此時間與轉換電路的類型有關。不同類型的轉換器，其轉換速