數(shù)字電子技術 第八章 數(shù)模轉換 學習課件

第8章數(shù)模和模數(shù)轉換8.1概

述8.2D/A轉換器8.3A/D轉換器第8章數(shù)模和模數(shù)轉換教學基本要求：理解：A/D、D/A轉換器的概念及主要性能指標。了解：D/A、A/D轉換器的工作原理。

8.1概述能將模擬量轉換為數(shù)字量的電路稱為模數(shù)轉換器，簡稱A/D轉換器或ADC(analog/digitalconversion)；能將數(shù)字量轉換為模擬量的電路稱為數(shù)模轉換器，簡稱D/A轉換器或DAC。

ADC和DAC是溝通模擬電路和數(shù)字電路的橋梁，也可稱之為兩者之間的接口。物理過程微機傳感器A/DD/A執(zhí)行機構物理過程v/iv/iDataData過程控制示意圖如：溫度、壓力、流量速度、位移等等8.2D/A轉換器8.2.1D/A轉換器的基本原理

8.2.2D/A轉換器的構成8.2.3集成D/A轉換器及其應用8.2.1D/A轉換器的基本原理將輸入的每一位二進制代碼按其權的大小轉換成相應的模擬量，然后將代表各位的模擬量相加，所得的總模擬量就與數(shù)字量成正比。基本原理轉換特性

D/A轉換器的轉換特性，是指輸出模擬量和輸入數(shù)字量之間的轉換關系。圖示是輸入為3位二進制數(shù)時的D/A轉換器的轉換特性。Ku為電壓或電流的轉換比例系數(shù)，如果輸入為n位二進制數(shù)dn-1dn-2…d1d0，則輸出模擬電壓為：理想特性數(shù)字信號實際特性

1)分辨率分辨率是指對輸出電壓的分辨能力。當D/A轉換器輸入相鄰兩個數(shù)碼時所對應的輸出電壓之差為最小可分辨電壓。分辨率的定義為最小可分辨電壓與最大輸出電壓之比。分辨率的數(shù)值與轉換器輸入數(shù)字量的有效位數(shù)成反比，即數(shù)字量的有效位數(shù)越多，分辨率的數(shù)值越小，分辨力越強。因此在實際中常用輸入數(shù)字量的有效位數(shù)來表示分辨率，如12位D/A的分辨率為12位。

2)轉換精度轉換精度分絕對精度和相對精度。D/A轉換器的實際輸出值與理論計算值之差稱為絕對精度，通常用最小分辨電壓的倍數(shù)表示，如（1/2）ULSB就表示輸出值與理論值的誤差為最小可分辨電壓的一半。相對精度是絕對精度與滿刻度輸出電壓(或電流)之比，通常用百分數(shù)表示。

3)轉換時間

D/A轉換器從接收數(shù)字量開始到輸出電壓或電流達到規(guī)定誤差范圍所需要的時間稱為轉換時間，它決定D/A轉換器的轉換速度。8.2.2D/A轉換器的構成無論模擬開關接到運放的反相輸入端（虛地）還是接地（無論輸入數(shù)字信號是1還是0），各支路的電流均不變。01010101高位低位設RF=R/2缺點：需要多種阻值的電阻(R,2R,4R,…)，不利于集成。01010101高位低位電路構成電子開關：d＝1→接“VR”;d=0→接“地”T型電阻網(wǎng)絡D/A轉換器只要求兩種阻值的電阻(R;2R)，因此最適合于集成工藝。缺點：①開關在電阻網(wǎng)絡和VR之間。②當Si由地→VR時，需建立起相應的VD，影響工作速度。③各開關動作時間不同，輸出可能產(chǎn)生尖脈沖。如：1000→0111的轉換：可能為1000→0000→0100→0110→0111①從虛線A、B、C、D處向右看的二端網(wǎng)絡等效電阻都是R。②無論模擬開關接到運算放大器的反相輸入端（虛地）還是接到地（無論輸入數(shù)字信號是1還是0），各支路的電流均不變。01010101高位低位01010101高位低位01010101高位低位倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器（2）圖7-2倒T形電阻網(wǎng)絡原理圖8.2.3集成D/A轉換器及其應用RF本節(jié)小結：

D/A轉換器的功能是將輸入的二進制數(shù)字信號轉換成相對應的模擬信號輸出。D/A轉換器根據(jù)工作原理基本上可分為二進制權電阻網(wǎng)絡D/A轉換器和T型、倒T型電阻網(wǎng)絡D/A轉換器三大類。

T型和倒T型電阻網(wǎng)絡D/A轉換器只要求兩種阻值的電阻，因此最適合于集成工藝。尤以倒T形電阻網(wǎng)絡應用較廣，由于其支路電流流向運放反向端時不存在傳輸時間，因而具有較高的轉換速度。如果輸入的是n位二進制數(shù)，則D/A轉換器的輸出電壓為：8.3A/D轉換器8.3.1A/D轉換器的基本原理

8.3.2A/D轉換器的構成8.3.3集成A/D轉換器及其應用8.3.1A/D轉換器的基本原理

1.采樣保持模擬電子開關S在采樣脈沖CPS的控制下重復接通、斷開的過程。S接通時，ui(t)對C充電，為采樣過程；S斷開時，C上的電壓保持不變，為保持過程。在保持過程中，采樣的模擬電壓經(jīng)數(shù)字化編碼電路轉換成一組n位的二進制數(shù)輸出。采樣階段：t0時刻S閉合，CH被迅速充電。兩個運放放大器為電壓跟隨器，增益為1，因此t0－

t1階段uo＝ui。保持階段：t1時刻采樣階段結束，S斷開，A2的輸入阻抗為無窮大，CH沒有放電回路，兩端保持充電時的最終電壓值不變，因此t1－

t2階段uo維持不變。緩沖器

量化將采樣保持電路的采樣電平歸化到與之相接近的離散數(shù)字電平的過程。

量化階梯比較電平2.量化與編碼

編碼將量化的數(shù)值用二進制數(shù)碼表示。以輸出為三位數(shù)字量為例,如左圖。（1）分辨率

A/D轉換器的分辨率用輸出二進制數(shù)的位數(shù)表示，位數(shù)越多，誤差越小，轉換精度越高。例如，輸入模擬電壓的變化范圍為0～5V，輸出8位二進制數(shù)可以分辨的最小模擬電壓為5V×2－8＝20mV；而輸出12位二進制數(shù)可以分辨的最小模擬電壓為5V×2－12≈1.22mV。（2）精度在理想情況下，所有的轉換點應當在一條直線上。相對精度是指實際的各個轉換點偏離理想特性的誤差。（3）轉換速度指完成一次轉換所需的時間。從接到轉換控制信號開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字輸出信號所經(jīng)過的這段時間。

4量化編碼部分的分類

直接比較型：輸入模擬信號直接與作為標準的參考電壓進行比較得到按數(shù)字編碼的數(shù)字量或直接得到數(shù)字量。這種類型有反饋式、逐次比較式、電壓比較式。

間接比較型：不直接將輸入模擬信號與參考電壓進行比較，而是將兩者都變?yōu)槟撤N物理量再進行比較，然后將比較所得的時間（T）或頻率（f）進行數(shù)字編碼。這種類型有雙積分式、電壓頻率變換式。1.雙積分型A/D轉換器雙積分型A/D轉換器(a)原理框圖;(b)工作波形8.3.2A/D轉換器的構成定時器基本原理：對輸入模擬電壓ui和基準電壓VREF進行兩次積分。下面結合波形討論工作原理。

t=t0時，控制器將轉換開關打到上面，積分器對模擬電壓ui進行積分。此時，積分器輸出uo小于零，過零比較器輸出ub為1，計數(shù)器開始對CP脈沖計數(shù)。

t=t1時，計數(shù)器輸入N1個脈沖后，滿容量溢出，計數(shù)器回零。同時，控制器將轉換開關打到下面，積分器對基準電壓-VREF進行反方向積分，計數(shù)器重新計數(shù)。

t=t2時，積分器輸出uo等于零，過零比較器輸出ub為0，計數(shù)器停止計數(shù)。此時將計數(shù)器中的數(shù)N2輸出到寄存器，完成一次轉換。雙積分型A/D轉換器在一次轉換過程中要進行兩次積分。第一次積分為采樣階段?？刂破魇归_關S1接至模擬電壓ui，是在固定時間T1內進行積分，積分器輸出為（7-1）式中，Ui是輸入模擬電壓Ui在0～T1時刻的平均值。第二次積分為比較階段。積分器對基準電壓-VREF進行反向積分。積分器輸出為（7-2）在第二次積分結束時，有（7-3）設CP脈沖的周期為TC，則式（7-3）可變?yōu)椋?-4）即（7-5）7.2.3集成A/D轉換器及其應用1.ADC0804A/D轉換器圖7-13ADC0804外引線圖

ADC0804的典型應用電路轉換開始前先將所有寄存器清零。開始轉換以后，時鐘脈沖首先將寄存器最高位置成1，使輸出數(shù)字為100…0。這個數(shù)碼被D/A轉換器轉換成相應的模擬電壓uo，送到比較器中與ui進行比較。若ui＞uo，說明數(shù)字過大了，故將最高位的1清除；若ui＜uo，說明數(shù)字還不夠大，應將這一位保留。然后，再按同樣的方式將次高位置成1，并且經(jīng)過比較以后確定這個1是否應該保留。這樣逐位比較下去，一直到最低位為止。比較完畢后，寄存器中的狀態(tài)就是所要求的數(shù)字量輸出。原理框圖基本原理類似用天平稱重量3位逐次逼近型A/D轉換器轉換開始前，先使Q1=Q2=Q3=Q4=0，Q5=1，第一個CP到來后，Q1=1，Q2=Q3=Q4=Q5=0，于是FFA被置1，F(xiàn)FB和FFC被置0。這時加到D/A轉換器輸入端的代碼為100，并在D/A轉換器的輸出端得到相應的模擬電壓輸出uo。uo和ui在比較器中比較，當若ui＜uo時，比較器輸出uc=1；當ui≥uo時，uc=0。第二個CP到來后，環(huán)形計數(shù)器右移一位，變成Q2=1，Q1=Q3=Q4=Q5=0，這時門G1打開，若原來uc=1，則FFA被置0，若原來uc=0，則FFA的1狀態(tài)保留。與此同時，Q2的高電平將FFB置1。第三個CP到來后，環(huán)形計數(shù)器又右移一位，一方面將FFC置1，同時將門G2打開，并根據(jù)比較器的輸出決定FFB的1狀態(tài)是否應該保留。第四個CP到來后，環(huán)形計數(shù)器Q4=1，Q1=Q2=Q3=Q5=0，門G3打開，根據(jù)比較器的輸出決定FFC的1狀態(tài)是否應該保留。第五個CP到來后，環(huán)形計數(shù)器Q5=1，Q1=Q2=Q3=Q4=0，F(xiàn)FA、FFB、FFC的狀態(tài)作為轉換結果，通過門G6、G7、G8送出。工作原理8.3.3集成A/D轉換器及應用

4集成ADC舉例

1）MC14433(位雙積分