數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課件：第7章 數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換

1、第7章 數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換,學習要點： 數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換的基本原理,第7章 數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換,7.1 概述,7.2 D/A轉(zhuǎn)換器,7.3 A/D轉(zhuǎn)換器,傳感器 （溫度、壓力、流量等模擬量）,A/D,計算機（數(shù)字量）,顯示器,D/A,執(zhí)行部件（模擬量控制）,打印機,能夠?qū)⒛M量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC。,能夠?qū)?shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的器件稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，簡稱D/A轉(zhuǎn)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。,ADC和DAC的應(yīng)用：,7.1 概述,7.2.1 D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理,7.2.2 D/A轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成,7.2.3 集成

2、D/A轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用,7.2 D/A轉(zhuǎn)換器,基本原理,7.2.1 D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理,1D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理和轉(zhuǎn)換特性,D/A轉(zhuǎn)換器實質(zhì)上是一個譯碼器（解碼器）。一般常用的線性D/A轉(zhuǎn)換器，其輸出模擬電壓uO和輸入數(shù)字量D之間成正比關(guān)系。 Ku為電壓轉(zhuǎn)換比例系數(shù)。,D/A轉(zhuǎn)換器是將輸入的二進制數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，以電壓或電流的形式輸出。,uODu,將輸入的每一位二進制代碼按其權(quán)值大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將代表各位的模擬量相加，則所得的總模擬量就與數(shù)字量成正比，這樣便實現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。,即：D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓uO，等于代碼為1的各位所對應(yīng)的各分模擬電壓之和。,轉(zhuǎn)換特性,

3、D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性，是指其輸出模擬量和輸入數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。圖示是輸入為3位二進制數(shù)時的D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性。理想的D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性，應(yīng)是輸出模擬量與輸入數(shù)字量成正比。即：輸出模擬電壓 uo=KuD或輸出模擬電流io=KiD。其中Ku或Ki為電壓或電流轉(zhuǎn)換比例系數(shù)，D為輸入二進制數(shù)所代表的十進制數(shù)。如果輸入為n位二進制數(shù)dn-1dn-2d1d0，則輸出模擬電壓為：,（1）分辨率 分辨率用輸入二進制數(shù)的有效位數(shù)表示。在分辨率為n位的D/A轉(zhuǎn)換器中，輸出電壓能區(qū)分2n個不同的輸入二進制代碼狀態(tài)，能給出2n個不同等級的輸出模擬電壓。,2D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標,分辨率也可以用D/A

4、轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓的比值來表示。10位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為：,（2）轉(zhuǎn)換精度 D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是指輸出模擬電壓的實際值與理想值之差，即最大靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。,（3）輸出建立時間 從輸入數(shù)字信號起，到輸出電壓或電流到達穩(wěn)定值時所需要的時間，稱為輸出建立時間。,7.2.2 D/A轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成,D/A轉(zhuǎn)換器一般由數(shù)碼緩沖寄存器、模擬電子開關(guān)、參考電壓、解碼網(wǎng)絡(luò)和求和電路等組成。,數(shù)字量以串行或并行方式輸入，并存儲在數(shù)碼緩沖寄存器中；寄存器輸出的每位數(shù)碼驅(qū)動對應(yīng)數(shù)位上的電子開關(guān)，將在解碼網(wǎng)絡(luò)中獲得的相應(yīng)數(shù)位權(quán)值送入求和電路；求和電路將各位權(quán)值相加，便得到與數(shù)字量對應(yīng)的模擬量。,不論

5、模擬開關(guān)接到運算放大器的反相輸入端（求和端，虛地）還是接到地，也就是不論輸入數(shù)字信號是1還是0，各支路的電流不變的。,1二進制權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器,設(shè)RF=R/2,分別從虛線A、B、C、D處向右看的二端網(wǎng)絡(luò)等效電阻都是R。 不論模擬開關(guān)接到運算放大器的反相輸入端（求和端，虛地）還是接到地，也就是不論輸入數(shù)字信號是1還是0，各支路的電流不變。,2倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器,從參考電壓端輸入的電流為：,即：輸出的模擬電壓uO正比于輸入的數(shù)字量D，從而實現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。,D,倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的特點： 優(yōu)點：電阻種類少，只有R和2R，提高了制造精度；而且支路電流流入求和點不存在

6、時間差，提高了轉(zhuǎn)換速度。 應(yīng)用：它是目前集成D/A轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換速度較高且使用較多的一種，如8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832，就是采用倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)。,7.2.3 集成D/A轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用,D/A轉(zhuǎn)換器的功能是將輸入的二進制數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的模擬信號輸出。D/A轉(zhuǎn)換器根據(jù)工作原理基本上可分為二進制權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器和T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器兩大類。由于T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器只要求兩種阻值的電阻，因此最適合于集成工藝，集成D/A轉(zhuǎn)換器普遍采用這種電路結(jié)構(gòu)。,如果輸入的是n位二進制數(shù)，則D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為：,本節(jié)小結(jié),7.3 A/D轉(zhuǎn)換器,7.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理,7.3.2

7、 A/D轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成,7.3.3 集成A/D轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用,模擬電子開關(guān)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(zhuǎn)換成一組n位的二進制數(shù)輸出。,7.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理,1A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理,A/D轉(zhuǎn)換是將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換過程通過取樣、保持、量化和編碼四個步驟完成。,模擬量輸入,數(shù)字量輸出,1A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理,采取樣（也稱取樣）是將時間上連續(xù)變化的信號，轉(zhuǎn)換為時間上離散的信號，即將時間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為一系列等間隔的脈沖，

8、脈沖的幅度取決于輸入模擬量。,（1）采樣和保持,取樣過程,采樣脈沖,輸入模擬信號,采樣輸出信號,采樣定理：,模擬信號經(jīng)采樣后，得到一系列樣值脈沖。采樣脈沖寬度一般是很短暫的，在下一個采樣脈沖到來之前，應(yīng)暫時保持所取得的樣值脈沖幅度，以便進行轉(zhuǎn)換。因此，在取樣電路之后須加保持電路。,場效應(yīng)管VT為采樣門，電容C為保持電容，運算放大器為跟隨器，起緩沖隔離作用。,取樣保持電路及輸出波形,模擬信號經(jīng)采樣后，得到一系列樣值脈沖。采樣脈沖寬度一般是很短暫的，在下一個采樣脈沖到來之前，應(yīng)暫時保持所取得的樣值脈沖幅度，以便進行轉(zhuǎn)換。因此，在取樣電路之后須加保持電路。,在采樣脈沖S(t)到來的時間內(nèi)，VT導通，

9、UI(t)向電容C充電，假定充電時間常數(shù)遠小于，則有：UO(t)US(t)UI(t)。采樣,采樣結(jié)束，VT截止，而電容C上電壓保持充電電壓UI(t)不變，直到下一個采樣脈沖到來為止。保持,取樣保持電路及輸出波形,輸入的模擬電壓經(jīng)過取樣保持后，得到的是階梯波。而該階梯波仍是一個可以連續(xù)取值的模擬量，但n位數(shù)字量只能表示2n個數(shù)值。因此，用數(shù)字量來表示連續(xù)變化的模擬量時就有一個類似于四舍五入的近似問題。,（2）量化和編碼,將采樣后的樣值電平歸化到與之接近的離散電平上，這個過程稱為量化。指定的離散電平稱為量化電平Uq 。用二進制數(shù)碼來表示各個量化電平的過程稱為編碼。兩個量化電平之間的差值稱為量化單位

10、，位數(shù)越多，量化等級越細，就越小。采樣保持后未量化的Uo值與量化電平Uq值通常是不相等的，其差值稱為量化誤差，即=UoUq 。,量化的方法一般有兩種：只舍不入法和有舍有入法。,1)只舍不入法 當Uo的尾數(shù)時，舍尾取整。這種方法總為正值，max 。,2)有舍有入法 當Uo的尾數(shù)/2時，舍尾取整；當Uo的尾數(shù)/2時，舍尾入整。這種方法可正可負，但是|max |=/2?？梢?，它的誤差要小。,（1）分辨率 A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換精度越高。例如，輸入模擬電壓的變化范圍為05V，輸出8位二進制數(shù)可以分辨的最小模擬電壓為5V2820mV；而輸出12位二進制數(shù)可

11、以分辨的最小模擬電壓為5V2121.22mV。 （2）相對精度 在理想情況下，所有的轉(zhuǎn)換點應(yīng)當在一條直線上。相對精度是指實際的各個轉(zhuǎn)換點偏離理想特性的誤差。 （3）轉(zhuǎn)換速度 轉(zhuǎn)換速度是指完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間。轉(zhuǎn)換時間是指從接到轉(zhuǎn)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)過的時間。,3A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標, A/D轉(zhuǎn)換器有直接轉(zhuǎn)換法和間接轉(zhuǎn)換法兩大類。 直接法是通過一套基準電壓與取樣保持電壓進行比較，從而直接將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。其特點是工作速度高，轉(zhuǎn)換精度容易保證，調(diào)準也比較方便。直接A/D轉(zhuǎn)換器有計數(shù)型、逐次比較型、并聯(lián)比較型等。 間接法是將取樣后的模擬信號先轉(zhuǎn)換成中間變量時

12、間 t或頻率f ，然后再將 t 或 f 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。其特點是工作速度較低，但轉(zhuǎn)換精度可以做得較高，且抗干擾性強。間接A/D轉(zhuǎn)換器有單次積分型、雙積分型等。,A/D轉(zhuǎn)換器的主要電路形式：,7.3.2 A/D轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成,0uiVREF/14時，7個比較器輸出全為0，CP到來后，7個觸發(fā)器都置0。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進制代碼為d2d1d0000。 VREF/14ui3VREF/14時，7個比較器中只有C1輸出為1，CP到來后，只有觸發(fā)器FF1置1，其余觸發(fā)器仍為0。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進制代碼為d2d1d0=001。,1并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器,3VREF/14 ui5VREF/14時，比較器

13、C1、C2輸出為1，CP到來后，觸發(fā)器FF1、FF2置1。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進制代碼為d2d1d0010。 5VREF/14ui7VREF/14時，比較器C1、 C2、 C3輸出為1，CP到來后，觸發(fā)器FF1、 FF2、 FF3置1。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進制代碼為d2d1d0=011。 依此類推，可以列出ui為不同等級時寄存器的狀態(tài)及相應(yīng)的輸出二進制數(shù)。,轉(zhuǎn)換開始前先將所有寄存器清零。開始轉(zhuǎn)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1000。這個數(shù)碼被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓uo，送到比較器中與ui進行比較。若uiuo，說明數(shù)字過大了，故將最高位的1清除；若uiuo，

14、說明數(shù)字還不夠大，應(yīng)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(yīng)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,2逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器,3位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器,環(huán)形計數(shù)器,比較器,轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器輸入端的代碼為100，并在D/A轉(zhuǎn)換器的輸出端得到相應(yīng)的模擬電壓輸出uo。uo和ui在比較器中比較，當若uiuo時，比較器輸出uc=1；當

15、uiuo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。,工作原理,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(yīng)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(yīng)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(zhuǎn)換結(jié)果，通過門G6、G7、G8送出。,工作原理,基本原理：對輸入模擬電壓和基準電壓進行兩次積分，先對輸入模擬電壓進行積分，將其變換成與輸入模擬電壓成正比的時間間隔T1，再利用計數(shù)器測出此時間間隔，則計數(shù)器所計的數(shù)字量就正比于輸入的模擬電壓；接著對基準電壓進行同樣的處理。,原理電路,3雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器,計數(shù)器中所計的二進制數(shù)值,7.3.3 集成A/D轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用,A/D轉(zhuǎn)換器的功能是將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成一組多位的二進制數(shù)字輸出。不同的A/D轉(zhuǎn)換方式具有各自的特點。并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度快，主要缺點是要使用的比較器和觸發(fā)器