數(shù)電課件 7.1 數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換學(xué)習(xí)資料

在自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)檢測(cè)和控制的對(duì)象一般是模擬信號(hào)，而計(jì)算機(jī)只能對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算和處理。為了把模擬信號(hào)送至計(jì)算機(jī)，首先把模擬信號(hào)變成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)；計(jì)算機(jī)把對(duì)輸入信號(hào)處理和運(yùn)算后的結(jié)果轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)送回系統(tǒng)。7.1數(shù)模轉(zhuǎn)換器把模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量的過(guò)程稱為模-數(shù)轉(zhuǎn)換，把相應(yīng)的轉(zhuǎn)換器件稱為模-數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog-DigitalConverter，簡(jiǎn)稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC）。把數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量的過(guò)程稱為數(shù)-模轉(zhuǎn)換，把相應(yīng)的轉(zhuǎn)換器件稱為數(shù)-模轉(zhuǎn)換器（Digital-AnalogConverter，簡(jiǎn)稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC）

把輸入數(shù)字量轉(zhuǎn)換成與之成比例的輸出電壓或電流值。7.1.1基本轉(zhuǎn)換原理DAC框圖

1.D/A轉(zhuǎn)換的基本原理DAC輸入的n位二進(jìn)制數(shù)字信息Dn(Bn-1,Bn-2,…,B1、B0)，Dn按權(quán)展開(kāi)式為輸出電壓uO或電流iO式中K為轉(zhuǎn)換比例常數(shù)。當(dāng)n=3時(shí)，DAC的輸出與輸入轉(zhuǎn)換特性圖，輸出為階梯波。2.電壓型DACuO=(dn-12n-1+dn-22n-2+···+d121+d020)U

=DnU

輸出電壓值U

等于Dn為1時(shí)，DAC輸出的模擬電壓值。U

稱為DAC的單位量化電壓。DAC最大的輸出電壓uOmax=(2n

–1)U

。

[例]一8位DAC的最大輸出電壓為5.10伏，它的單位量化電壓為多少？當(dāng)輸入代碼為10000000時(shí)，輸出電壓uO為多少？輸入代碼為10000000時(shí)[解]3.電流型DAC一般常見(jiàn)的D/A轉(zhuǎn)換器多是電流輸出型的，為了得到模擬電壓輸出，可在它的后面接一個(gè)電流電壓轉(zhuǎn)換(I/V)電路。電流電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓的表達(dá)式為：uO=

iO

RF

7.1.2.常用轉(zhuǎn)換技術(shù)1.權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC電流電壓(I/V)轉(zhuǎn)換電路電路組成：電阻網(wǎng)絡(luò)模擬開(kāi)關(guān)4位權(quán)電阻DACdi=1時(shí)，對(duì)應(yīng)的模擬開(kāi)關(guān)接通VREF

di=0時(shí)，對(duì)應(yīng)的模擬開(kāi)關(guān)接通地圖中4位權(quán)電阻DAC由于運(yùn)算放大器反相輸入端為“虛地”由電流電壓轉(zhuǎn)換電路的工作原理可知，權(quán)電阻DAC的輸出和輸入的關(guān)系為4位權(quán)電阻DAC權(quán)電阻DAC的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單電阻種類太多，不易集成化轉(zhuǎn)換精度低2.倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC由倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開(kāi)關(guān)和一個(gè)電流電壓（I/V）轉(zhuǎn)換。（1）四位電壓輸出倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC電路組成倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC是目前較為常用的DAC。倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC采用R-2R兩種電阻構(gòu)成電阻網(wǎng)絡(luò)。倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的基本思想是逐步分流原理和線性疊加原理。

1)當(dāng)某位數(shù)碼為1時(shí)，其相應(yīng)的模擬開(kāi)關(guān)把該支路接到I/V轉(zhuǎn)換電路的輸入端；當(dāng)某位數(shù)碼為0時(shí)，相應(yīng)的模擬開(kāi)關(guān)把該支路地。由于運(yùn)算放大器的反相輸入端接地，不管數(shù)碼是0還是1，流過(guò)倒形電阻網(wǎng)絡(luò)各支路的電流不變。（2）

工作原理

2)倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)的等效電路從A、B、C、D分別向左看進(jìn)去對(duì)地等效電阻始終為R。I=VREF/R所以電流各支路電流：I3=I/2I2=I/4I1=I/8I0=I/16它們就是倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)中各2R支路的權(quán)電流。當(dāng)輸入數(shù)碼為1時(shí)，相應(yīng)的權(quán)電流輸入到電流電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入端，當(dāng)輸入的數(shù)字代碼為0時(shí)，相應(yīng)權(quán)電流接地。

(3)輸出電壓同理，n位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC的輸出電壓其中，(-RFVREF/2nR)為DAC的單位量化電壓。c.轉(zhuǎn)換速度高。倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)：a.各權(quán)電阻支路都是直接通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)與運(yùn)算放大器的反相輸入端相連，不存在信號(hào)傳輸延遲問(wèn)題。b.模擬開(kāi)關(guān)切換過(guò)程中，各權(quán)電阻支路的電流不變，減小了電流建立時(shí)間，并減小了轉(zhuǎn)換過(guò)程中的尖峰脈沖。倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)存在的問(wèn)題：實(shí)際的電子開(kāi)關(guān)總存在一定的且不可能完全相同的導(dǎo)通電阻，這些電子開(kāi)關(guān)與倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)的4個(gè)2R支路連接時(shí)，不可避免地會(huì)引入轉(zhuǎn)換誤差，影響轉(zhuǎn)化精度。解決問(wèn)題的方法之一是把倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)中各支路的權(quán)電流變?yōu)楹懔髟矗@樣就構(gòu)成了權(quán)電流網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器。3.權(quán)電流網(wǎng)絡(luò)DAC四位二進(jìn)制數(shù)權(quán)電流網(wǎng)絡(luò)DAC(1)電路主要組成I/V轉(zhuǎn)換電路權(quán)電流網(wǎng)絡(luò)模擬開(kāi)關(guān)權(quán)電流網(wǎng)絡(luò)由倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)和若干晶體管恒流源組成。由于恒流源的輸出電阻極大，模擬開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻的變化對(duì)權(quán)電流的影響極小，大大提高了轉(zhuǎn)換精度。(2)輸出電壓式中IRF/16為D/A轉(zhuǎn)換器的單位量化電壓。uO=

Dn

IRF/16DAC的分辨率通常用二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)n來(lái)表示。1、轉(zhuǎn)換精度7.1.3D/A轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)和誤差(1)分辨率電路所能分辨的最小輸出電壓增量ULSB與滿刻度輸出電壓Um之比。n位二進(jìn)制DAC的分辨率=ULSB/Um=1/（2n-1)(2)轉(zhuǎn)換誤差增益誤差：為數(shù)字輸入代碼由全0變?nèi)?時(shí)，輸出電壓變化量與理想輸出電壓變化量之差。偏移誤差：數(shù)字輸入代碼全為0時(shí)，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓與理想輸出電壓0V之差。輸入數(shù)從全0到全1，D/A輸出模擬量達(dá)到穩(wěn)定值的規(guī)定誤差時(shí)所需要的時(shí)間。非線性誤差：為D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出電壓值與理想輸出電壓值之間偏差的最大值。2、建立時(shí)間DAC0808是一種常用的8位權(quán)電流網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器。7.1.4集成DAC1.DAC0808管腳圖典型應(yīng)用電路圖典型應(yīng)用電路圖典型應(yīng)用電路輸出電壓為DAC0808的典型應(yīng)用參數(shù)為VCC=+5V；VEE=-15V；-10V≤uO

≤+18V；UREF(+)max=+18V；

AD561集成D/A轉(zhuǎn)換器是10位權(quán)電流網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，它將基準(zhǔn)電源也集成在片內(nèi)，使用時(shí)只需外接運(yùn)算放大器即可。2.AD561管腳圖典型應(yīng)用電路圖基準(zhǔn)電壓用來(lái)產(chǎn)生D/A轉(zhuǎn)換器的單位量化電流，也可為偏移電壓輸入端提供一穩(wěn)定的偏移電壓。典型應(yīng)用電路圖

AD561內(nèi)的基準(zhǔn)電源電路產(chǎn)生輸出電壓為2.5V的高穩(wěn)定度和高精度基準(zhǔn)電壓。當(dāng)偏移電壓輸入端②腳懸空時(shí)，輸出電壓uO

=10Dn/210V式中10/210伏為D/A轉(zhuǎn)換器的單位量化電壓。典型應(yīng)用電路圖uO

=10Dn/210V得到的單極性輸出電壓:當(dāng)D

n=00…0~11…1時(shí)uO=0~+9.990V將②端通過(guò)R3