《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) 第5版》 課件 第9章 AD轉(zhuǎn)換和DA轉(zhuǎn)換

1第9章A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換2目錄9.1 概述9.2 D/A轉(zhuǎn)換9.3 A/D轉(zhuǎn)換器9.4 D/A轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器的綜合應(yīng)用9.5用Mulitisim分析D/A轉(zhuǎn)換器39.1概述模擬信號(hào)：在時(shí)間和數(shù)值上都是連續(xù)的，即對(duì)應(yīng)于任意時(shí)間均有確定的電流或電壓值，并且其幅值是連續(xù)的，如正弦波信號(hào)就是典型的模擬信號(hào)，溫度、壓力和聲音等。數(shù)字信號(hào)：在時(shí)間和數(shù)值上是離散的，或者說(shuō)是不連續(xù)的。數(shù)字系統(tǒng)中信號(hào)的存儲(chǔ)方式都采用數(shù)字形式。4數(shù)字-模擬接口電路中的基本概念模/數(shù)轉(zhuǎn)換（AnalogDigitalConversion,ADC

）：模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（AnalogDigitalConverter,ADC）：完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換功能的電路數(shù)/模轉(zhuǎn)換（DigitalAnalogConversion,DAC

）：數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DigitalAnalogConverter，DAC）：完成數(shù)/模轉(zhuǎn)換功能的電路59.2D/A轉(zhuǎn)換D/A轉(zhuǎn)換可以將輸入的一個(gè)n位二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成比例的模擬量（電壓或電流）。D/A轉(zhuǎn)換器通常：由譯碼網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)、集成運(yùn)放和基準(zhǔn)電壓等部分組成。6根據(jù)譯碼網(wǎng)絡(luò)的不同，D/A轉(zhuǎn)換器分為權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型、T形電阻網(wǎng)絡(luò)型、倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)型和權(quán)電流型等。下面以倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)型為例介紹D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理。9.2D/A轉(zhuǎn)換79.2.1倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器

1.電路的組成電路組成：倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)Si（i=0

3）、集成運(yùn)放A和基準(zhǔn)電壓VREF4位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器82.CMOS型模擬開關(guān)（5G7520集成D/A轉(zhuǎn)換器采用此開關(guān)）當(dāng)di輸入端為高電平時(shí)，VP3、VN4組成的反相器輸出高電平，VP4、VN5組成的反相器輸出低電平，從而使得VN1截止，VN2導(dǎo)通，電流流入IOUT2。當(dāng)di為低電平時(shí)，電流流入IOUT1。1010192.5G7520D/A轉(zhuǎn)換器采用的CMOS型模擬開關(guān)11103.集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)放的邏輯符號(hào)、簡(jiǎn)化的集成運(yùn)放低頻等效電路及其電壓傳輸特性理想集成運(yùn)放的主要參數(shù)為：1）開環(huán)增益為無(wú)窮大，Aod=

；2）輸入電阻無(wú)窮大，Rid=

理想集成運(yùn)放凈輸入電流近似為零，稱為“虛斷”。XX11引入負(fù)反饋時(shí)，集成運(yùn)放工作在線性工作區(qū)，輸出電壓與輸入電壓成線性關(guān)系。線性工作區(qū)：凈輸入電壓近似為零，稱為“虛短”；XX3.集成運(yùn)算放大器124.倒T形D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理當(dāng)輸入入d3d2d1d0=1000時(shí)，等效電路：從虛線AA、BB、CC、DD處向左看進(jìn)去的等效電阻均為R

II/213流向虛地點(diǎn)的總電流4.倒T形D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理14輸出電壓:n位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓:4.倒T形D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理虛地點(diǎn)159.2.2集成D/A轉(zhuǎn)換器5G75205G7520D/A轉(zhuǎn)換器：n=10位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)反饋電阻R（10k

，Rf內(nèi)）已集成在芯片內(nèi)部16反饋電阻Rf與電阻R的關(guān)系為：Rf=mR

輸出電壓9.2.2集成D/A轉(zhuǎn)換器5G7520當(dāng)采用內(nèi)部集成的反饋電阻時(shí)，Rf=Rf內(nèi)，即m=1，則有：17【例9-1】圖中反饋電阻Rf=100k

。試計(jì)算當(dāng)輸入從只有d0為1變?yōu)槿珵?時(shí)電壓放大倍數(shù)的變化范圍。輸出電壓

可得當(dāng)輸入只有d0為1變?yōu)樗袛?shù)字位全為1時(shí)，放大倍數(shù)的變化范圍為(0

-9.99]9.2.2集成D/A轉(zhuǎn)換器5G7520189.2.2集成D/A轉(zhuǎn)換器5G7520若將反饋電阻與5G7520交換一下位置，并且反饋電阻Rf=10k

。試計(jì)算當(dāng)輸入從只有d0=1變?yōu)槿珵?時(shí)電壓放大倍數(shù)的變化范圍。m=1，并且輸入從d0=1變?yōu)槿珵?，放大倍數(shù)的變化范圍為[-1,-1024)，可編程增益放大器

虛地點(diǎn)199.2.3D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)分辨率：D/A轉(zhuǎn)換器所能分辨的最小輸出電壓VLSB與滿刻度輸出電壓Vm（當(dāng)輸入的數(shù)字代碼各位均為1時(shí)輸出的電壓值）之比。VLSB也就是當(dāng)輸入的數(shù)字代碼最低位為1，其余各位為0時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出電壓值，也被稱為輸出電壓增量。20當(dāng)Vm一定時(shí)，輸入數(shù)字代碼的位數(shù)n越多，分辨率數(shù)值越小，分辨能力越高。10位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為8位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為9.2.3D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)21分辨率也經(jīng)常直接用輸入數(shù)字代碼的位數(shù)n來(lái)表示。如果已知一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率及滿刻度輸出電壓Vm，則可計(jì)算出輸入最低位所對(duì)應(yīng)的最小輸入電壓VLSB，即輸出電壓增量。例如：當(dāng)Vm=10V，n=10時(shí)9.2.3D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)22轉(zhuǎn)換精度：指輸出電壓或電流的實(shí)際值與理論值之間的誤差。一般來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)換精度應(yīng)低于VLSB/2。轉(zhuǎn)換精度的影響因素主要有模擬開關(guān)導(dǎo)通的壓降、電阻網(wǎng)絡(luò)阻值差、參考電壓偏差和集成運(yùn)放漂移等。9.2.3D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)23線性度

:通常用非線性誤差的大小表示D/A轉(zhuǎn)換器的線性度。把偏離理想的輸入－輸出特性的偏差與滿刻度輸出之比的百分?jǐn)?shù)定義為非線性誤差。9.2.3D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)24轉(zhuǎn)換時(shí)間：當(dāng)輸入數(shù)字代碼變化時(shí)，輸出模擬電壓或電流達(dá)到穩(wěn)定輸出所需的時(shí)間，即為建立時(shí)間或穩(wěn)定時(shí)間，該參數(shù)一般由手冊(cè)給出。當(dāng)轉(zhuǎn)換器的輸入由全為0變化為全為1或反向變化時(shí)，其輸出達(dá)到穩(wěn)定值所需的時(shí)間為最大轉(zhuǎn)換時(shí)間。9.2.3D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)259.2.4常用D/A轉(zhuǎn)換器及其參數(shù)產(chǎn)品型號(hào)工作電壓/V位數(shù)/bit建立時(shí)間/

s輸出接口方式基準(zhǔn)功耗/mWDAC5573IPW2.7

5.588電壓I2C外部提供500TLC5620CD5810電壓串行外部提供8TLC7524CN5

1580.1電流并行外部5TLV5623ID2.7~5.583電壓SPI外部2.1DAC900U3/5100.030電流并行內(nèi)部/外部170DAC7731EC±15165電壓串行內(nèi)部100DAC1220E52010000電壓SPI外部2.5串行：RS232、RS485、RS422并行：I2C：一種簡(jiǎn)單、雙向二線制同步串行總線SPI：一種高速的、全雙工、同步的通信總線269.3A/D轉(zhuǎn)換器

9.3.1A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟A/D轉(zhuǎn)換可以將輸入的模擬量（電壓或電流）轉(zhuǎn)換為與之成比例的二進(jìn)制代碼。A/D轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過(guò)采樣、保持、量化及編碼4個(gè)過(guò)程。在實(shí)際電路中，有些過(guò)程可以進(jìn)行合并，如采樣和保持、量化和編碼在轉(zhuǎn)換中一般同時(shí)實(shí)現(xiàn)。279.3.1A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟采樣：把一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)變化的信號(hào)變換為對(duì)時(shí)間離散的信號(hào)。為了使采樣輸出信號(hào)能不失真地代表輸入的模擬信號(hào)，對(duì)于一個(gè)頻率有限的模擬信號(hào)來(lái)說(shuō)，可以由采樣定理確定其采樣頻率，即

28保持：把每次的采樣值存儲(chǔ)到下一個(gè)采樣脈沖到來(lái)之前。采樣-保持電路的輸出信號(hào)為階梯狀的信號(hào)。量化：把采樣后的電壓幅值轉(zhuǎn)化為最小量化單位的整數(shù)倍的過(guò)程。編碼：用數(shù)字代碼表示量化結(jié)果的過(guò)程。9.3.1A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟299.3.2A/D轉(zhuǎn)換器的分類按模擬量的輸入方式可分為單極性輸入和雙極性輸入兩類；按數(shù)字量輸出方式可分為串行輸出和并行輸出兩類；按工作原理可以分成直接A/D轉(zhuǎn)換器和間接A/D轉(zhuǎn)換器兩大類。直接A/D轉(zhuǎn)換器不需要經(jīng)過(guò)中間變量就能把輸入的模擬信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字代碼，常用的電路有并聯(lián)比較型和反饋比較型；間接A/D轉(zhuǎn)換器首先將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)中間變量（時(shí)間或頻率），然后再將中間變量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。30A/D轉(zhuǎn)換器按工作原理分類A/D轉(zhuǎn)換器直接型間接型并聯(lián)比較型反饋比較型計(jì)數(shù)型逐次漸近型電壓時(shí)間變換（V-T）型-積分型電壓頻率變換（V-F）型9.3.2A/D轉(zhuǎn)換器的分類319.3.3逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器又稱為逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換過(guò)程類似天平稱物體重量的過(guò)程。以一系列二進(jìn)制碼的重量之和表示了被稱物體的重量。組成：寄存器、D/A轉(zhuǎn)換器、電壓比較器、順序脈沖發(fā)生器及相應(yīng)的控制電路。32轉(zhuǎn)換開始前將寄存器清零轉(zhuǎn)換時(shí)，逐位改變寄存器的數(shù)字代碼將此代碼經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬電壓vO

vO與輸入電壓vI進(jìn)行比較,以判斷此數(shù)字位是否保留逐位比較下去，直到最低位為止。9.3.3逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器333位逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器9.3.3逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器3個(gè)同步RS觸發(fā)器FA、FB、FC作為寄存器5個(gè)邊沿D觸發(fā)器FF0～FF4構(gòu)成的環(huán)形計(jì)數(shù)器作為順序脈沖發(fā)生器控制電路由門電路組成。34設(shè)參考電壓VREF=-5V，則對(duì)應(yīng)不同輸入DAC的輸出為：9.3.3逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器35如果模擬電壓vI=3.2V工作前先將寄存器清零，環(huán)形計(jì)數(shù)器Q0Q1Q2Q3Q4=000019.3.3逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器-5V3.2V100001002.5V00第一個(gè)CP到來(lái)時(shí)Q0Q1Q2Q3Q4=1000036第一個(gè)CP到來(lái)時(shí)，Q0Q1Q2Q3Q4=100009.3.3逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器-5V3.2V010001103.75V10第二個(gè)CP到來(lái)時(shí)Q0Q1Q2Q3Q4=0100037第二個(gè)CP到來(lái)時(shí)，Q0Q1Q2Q3Q4=010009.3.3逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器-5V3.2V0010013.125V01第三個(gè)CP到來(lái)時(shí)Q0Q1Q2Q3Q4=00100100138第三個(gè)CP到來(lái)時(shí)，Q0Q1Q2Q3Q4=001009.3.3逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器-5V3.2V0001010第四個(gè)CP到來(lái)時(shí)Q0Q1Q2Q3Q4=000100139第四個(gè)CP到來(lái)時(shí)，Q0Q1Q2Q3Q4=000109.3.3逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器-5V3.2V0000110第五個(gè)CP到來(lái)時(shí)Q0Q1Q2Q3Q4=000010110140經(jīng)過(guò)5個(gè)CP周期后，輸入的模擬電壓3.2V被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)101。逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器優(yōu)點(diǎn)是精度高，轉(zhuǎn)換速度較快，由于它的轉(zhuǎn)換時(shí)間固定，簡(jiǎn)化了與CPU間的同步，所以常常用作與CPU間的接口電路。9.3.3逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器419.3.4雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器--間接A/D轉(zhuǎn)換通過(guò)兩次積分，先將模擬電壓vI轉(zhuǎn)換成與之大小相對(duì)應(yīng)的時(shí)間T，再在時(shí)間間隔T內(nèi)用計(jì)數(shù)頻率不變的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)字量就正比于輸入模擬電壓42第一次積分為采樣階段。開關(guān)S接至模擬電壓vI，積分器對(duì)其在T1內(nèi)進(jìn)行反向積分。積分結(jié)束時(shí)vO的絕對(duì)值與vI的大小成正比9.3.4雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器43第二次積分為比較階段。積分器對(duì)基準(zhǔn)電壓-VR進(jìn)行反向積分。積分器的輸出電壓開始回升，經(jīng)時(shí)間T2后回到0，由于T2階段定斜率反向積分，所以T2與vI成正比。9.3.4雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器44雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的電路圖。9.3.4雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器45雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的電路圖。9.3.4雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器46定時(shí)積分階段的工作情況19.3.4雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器47積分器對(duì)vI在固定時(shí)間T1內(nèi)進(jìn)行積分時(shí)鐘CLK的周期9.3.4雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器48第二次積分開始時(shí)的狀態(tài)09.3.4雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器49第二階段反向積分時(shí)，積分器輸出電壓為9.3.4雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器50N2與輸入電壓在T1時(shí)間間隔內(nèi)的平均值VI成正比。只要VI

<VR，轉(zhuǎn)換器就可以將模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。當(dāng)VR=2n

V時(shí)，N2=VI，計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)在數(shù)值上就等于被測(cè)電壓。9.3.4雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器51雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器與逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器相比，最大的優(yōu)點(diǎn)是它具有較強(qiáng)的抗干擾能力。由于雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器采用了測(cè)量輸入電壓在采樣時(shí)間內(nèi)的平均值的原理，因此對(duì)于周期等于T1或T1/n（n=1，2，3，

）的對(duì)稱干擾，從理論上講具有無(wú)窮大的抑制能力。9.3.4雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器529.3.6A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)分辨率：A/D轉(zhuǎn)換器所能分辨的模擬輸入信號(hào)的最小變化量。設(shè)A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)為n，滿量程電壓為Vm，則也可用百分比來(lái)表示分辨率，此時(shí)的分辨率稱為相對(duì)分辨率

53轉(zhuǎn)換時(shí)間是指按照規(guī)定的精度將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并輸出所需要的時(shí)間。轉(zhuǎn)換速率是指能夠重復(fù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的速度，即每秒轉(zhuǎn)換的次數(shù)。轉(zhuǎn)換精度：A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度分為絕對(duì)精度和相對(duì)精度。絕對(duì)精度：對(duì)應(yīng)于輸出數(shù)碼的實(shí)際模擬輸入電壓與理想模擬輸入電壓之差。絕對(duì)誤差包括增益誤差、偏移誤差、非線性誤差和量化誤差。相對(duì)精度：絕對(duì)精度與滿刻度電壓之比的百分?jǐn)?shù)。9.3.6A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)549.3.7常用A/D轉(zhuǎn)換器及其參數(shù)不同的A/D轉(zhuǎn)換器具有不同的輸入、輸出以及控制信號(hào)的連接方式。從輸入端來(lái)看，有單端輸入的，也有差動(dòng)輸入的。輸入信號(hào)的極性有單極性和雙極性輸入。從輸出方式來(lái)看，輸出寄存器有內(nèi)部具有輸出三態(tài)門控制的和不具有。A/D轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換控制信號(hào)有電平和脈沖兩種形式。第9章A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換55幾種典型的A/D轉(zhuǎn)換器及其主要性能芯片型號(hào)公司分辨率接口方式輸入通道數(shù)采樣速率差分輸入工作電壓基準(zhǔn)電壓ADC084S051NS8SPI/QSPI/Microwire4500k否2.7

5.25內(nèi)部AD9287ADI8LVDS,Ser4100M否1.8內(nèi)部ADCS7477TI10SPI/QSPI/Microwire11000k否2.7

5.25內(nèi)部MAX1308美信12μP/1284000否5內(nèi)外