第十章 數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換

1、1第十章第十章A/DA/D和和D/AD/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換2本章基本內(nèi)容本章基本內(nèi)容 數(shù)模數(shù)模 (D/A)轉(zhuǎn)換的基本原理及典型電路轉(zhuǎn)換的基本原理及典型電路 模數(shù)模數(shù) (A/D)轉(zhuǎn)換的基本原理及典型電路轉(zhuǎn)換的基本原理及典型電路 數(shù)模數(shù)模(D/A)和模數(shù)和模數(shù)(A/D)的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度概念換速度概念310. 1 概概 述述傳感器放大器A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換微型計算機微型計算機控制對象D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換電加熱爐熱電偶執(zhí)行機構(gòu) D/AD/A轉(zhuǎn)換器的功能是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成與之成正比的轉(zhuǎn)換器的功能是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成與之成正比的模擬量。模擬量。 A/D A/D轉(zhuǎn)換器的功能是將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)轉(zhuǎn)換器的功能

2、是將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量輸出。字量輸出。4D/A轉(zhuǎn)換器和轉(zhuǎn)換器和A/DA/D轉(zhuǎn)換器的分類：轉(zhuǎn)換器的分類：DACDACDACDACTDACAD權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)開關(guān)樹型權(quán)電流型形電阻網(wǎng)絡(luò)倒權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)/變換型變換型間接型反饋比較型并聯(lián)比較型直接型FVTVDA/D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器本章本章主主要介紹權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)要介紹權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DACDAC和倒和倒T T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)DACDAC的的D/AD/A轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。 本章本章主要介紹并聯(lián)比較型、主要介紹并聯(lián)比較型、反饋比較型以及間接型的反饋比較型以及間接型的A/DA/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。510. 2 D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 D

3、/A轉(zhuǎn)換器的功能是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成與之成正比的轉(zhuǎn)換器的功能是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成與之成正比的模擬量。模擬量。 D/A轉(zhuǎn)換器的輸入是一個轉(zhuǎn)換器的輸入是一個n位二進制數(shù)位二進制數(shù)D。 D/A轉(zhuǎn)換器的輸轉(zhuǎn)換器的輸 出是一個與輸入出是一個與輸入D成正比的模擬量成正比的模擬量（電壓或電流）（電壓或電流）A。即。即A=KD。001122112222ddddDnnnn D111101D/AA(電壓 或 電流)6 D/A轉(zhuǎn)換器通常是由譯碼網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)、求和運轉(zhuǎn)換器通常是由譯碼網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)、求和運算放大器和基準電壓源等部分組成。算放大器和基準電壓源等部分組成。)2222(00112211ddddKAnnnn 10.

4、2.1 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)模擬開關(guān)求和放大器基準電壓源7權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)模擬開關(guān)求和放大器控制受數(shù)字0303ddSS 點點流向流向時，時，時，時，iiiiIdId100RVIRVIRVIRVIRVIii0REF31REF22REF13REF0REF2222 權(quán)電流：權(quán)電流：8)2222)(2/( )2222( )( 001122334REF03REF12REF21REF30REFF0123FFOddddVdRVdRVdRVdRVRIIIIRRiv 輸出模擬電壓量：輸出模擬電壓量：2/RRF 實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換 當輸入數(shù)字信號當輸入數(shù)字信號D D（d3d2d1

5、d0）取值為）取值為00001111時，輸出模時，輸出模擬電壓為擬電壓為權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)模擬開關(guān)求和放大器轉(zhuǎn)換比例系數(shù)轉(zhuǎn)換比例系數(shù) 44REF2)12(0V910.2.2 10.2.2 倒倒T T形電阻網(wǎng)絡(luò)型形電阻網(wǎng)絡(luò)型D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器希望用較少類型的電阻，仍然能得到一系列權(quán)電流模擬開關(guān)模擬開關(guān)基準電壓源求和電路1000112233dIdIdIdIi )2222)(2/(001122334REFOddddVRiv 40312213REFREF2/ 2/ 2/ 2/ /IIIIIIIIRVIV 流過開關(guān)的電流分別為流過開關(guān)的電流分別為產(chǎn)生的電流為產(chǎn)生的電流為11例例一個四位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)一個四位權(quán)

6、電阻網(wǎng)絡(luò)D/AD/A轉(zhuǎn)換器電路如圖所示。轉(zhuǎn)換器電路如圖所示。設(shè)基準電壓設(shè)基準電壓V VREFREF=10V=10V，電阻，電阻R=10kR=10k，試求，試求I I3 3、I I2 2、I I1 1、I I0 0，當輸入數(shù)字量為，當輸入數(shù)字量為10101010時，輸出電壓為多少？時，輸出電壓為多少？解解mAkVRVImAkVRVImAkVRVImAkVRVIREFREFREFREF125. 08010825. 0401045 . 020102110103333VRIIRivF625. 55)125. 01 (2)(30012例例一個倒一個倒T T型電阻網(wǎng)絡(luò)型電阻網(wǎng)絡(luò)D/AD/A轉(zhuǎn)換器電路如圖所

7、示。轉(zhuǎn)換器電路如圖所示。設(shè)基準電壓設(shè)基準電壓V VREFREF=10V=10V，電阻，電阻R=10kR=10k，試求，試求I I3 3、I I2 2、I I1 1、I I0 0，當輸入數(shù)字量為，當輸入數(shù)字量為10101010時，輸出電壓為多少？時，輸出電壓為多少？解解mAkVRVIREF110/10/mAIImAIImAIImAII0625. 02/125. 02/25. 02/5 . 02/40312213VRivo625. 510)0625. 05 . 0(1310.2.3 D/A 10.2.3 D/A 轉(zhuǎn)換器的主要指標轉(zhuǎn)換器的主要指標1.分辨率分辨率2.轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度 D/AD/A轉(zhuǎn)換

8、器的主要技術(shù)指標有分辨率、轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標有分辨率、轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度。轉(zhuǎn)換速度。 輸入最低位為輸入最低位為1 1時的輸出電壓與輸入數(shù)字量全為時的輸出電壓與輸入數(shù)字量全為1 1時的的輸出電壓之比。時的的輸出電壓之比。分辨率分辨率=1/(2=1/(2n n-1)-1) 轉(zhuǎn)換精度是用轉(zhuǎn)換誤差來描述。它是指全量程轉(zhuǎn)換精度是用轉(zhuǎn)換誤差來描述。它是指全量程內(nèi)，內(nèi)，D/AD/A轉(zhuǎn)換電路實際輸出與理論值之間的最大誤轉(zhuǎn)換電路實際輸出與理論值之間的最大誤差。差。143.轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度 轉(zhuǎn)換速度是用轉(zhuǎn)換時間來表示，轉(zhuǎn)換時間是指數(shù)轉(zhuǎn)換速度是用轉(zhuǎn)換時間來表示，轉(zhuǎn)換時間是指數(shù)字量由全字量由全0 0變?yōu)槿?/p>

9、變?yōu)槿? 1或由全或由全1 1變?yōu)槿優(yōu)槿? 0時，輸出電壓達時，輸出電壓達到終值到終值1/2LSB1/2LSB時所需時間時所需時間。15D111101A/DA(電壓或電流)10. 3 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 A/D A/D轉(zhuǎn)換器的功能是將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)轉(zhuǎn)換器的功能是將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量輸出。字量輸出。10.3.1 A/D 轉(zhuǎn)換的一般步驟轉(zhuǎn)換的一般步驟采樣與保持采樣與保持采樣：采樣：將隨時間變化的模擬量轉(zhuǎn)換成與時間離散的模擬量。將隨時間變化的模擬量轉(zhuǎn)換成與時間離散的模擬量。保持：保持：為了給后續(xù)的量化編碼過程提供一個穩(wěn)定值，每次為了給后續(xù)的量化編碼過程提供一個穩(wěn)定值，每次

10、采樣值需保持一段時間。采樣值需保持一段時間。16 為了用采樣信號為了用采樣信號vS有有效地表示輸入信號效地表示輸入信號vI ，必須有足夠的采樣頻率必須有足夠的采樣頻率fS。根據(jù)采樣定理一般。根據(jù)采樣定理一般取：?。?將時間上連續(xù)的模擬量將時間上連續(xù)的模擬量 vi 變成時間上離散的模變成時間上離散的模擬量（如圖所示）。擬量（如圖所示）。max2ffS 采樣信號的頻率越高，所獲得的離散模擬采樣信號的頻率越高，所獲得的離散模擬量越接近連續(xù)的模擬量。量越接近連續(xù)的模擬量。1710.3.2 采樣保持電路采樣保持電路采樣控制信號采樣控制信號輸入信號輸入信號輸出信號輸出信號當當vL=1 T導(dǎo)通導(dǎo)通 采樣采樣

11、當當vL=0 T截止截止 保持保持 將時間上連續(xù)的模擬量將時間上連續(xù)的模擬量 v vi i 變成時間上離散的模擬量。變成時間上離散的模擬量。18量化與編碼量化與編碼 數(shù)字信號不僅在時間上是離散的，而且在數(shù)值上的變化數(shù)字信號不僅在時間上是離散的，而且在數(shù)值上的變化也是不連續(xù)的。也是不連續(xù)的。模擬電壓模擬電壓二進制代碼二進制代碼 代表的模擬代表的模擬電平電平=1/8V1 1 11 1 01 0 11 0 00 1 10 1 00 0 10 0 07=7/8V6=6/8V5=5/8V4=4/8V3=3/8V2=2/8V1=1/8V0=0V1V7/8V6/8V5/8V1/8V4/8V3/8V2/8V0

12、V1910.3.3 并行比較型并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器3 3位并行比較型位并行比較型A/D A/D 轉(zhuǎn)換器如圖所示。轉(zhuǎn)換器如圖所示。比較器比較器觸發(fā)器觸發(fā)器 優(yōu)先編碼器，優(yōu)先編碼器，I7的級別最高，的級別最高，I0的的 級別最低級別最低輸入模擬信號輸入模擬信號基準電壓基準電壓時鐘脈沖時鐘脈沖數(shù)字量輸出數(shù)字量輸出 分壓電阻，分壓電阻，以獲得不同以獲得不同的基準電壓的基準電壓20工作原理：工作原理： 例如，當0viVREF /15時，比較器C7C1的輸出都為 0；當3VREF /15vi5VREF /15時，比較器C6C7的輸出為1，其余各比較器均為0。 當時鐘脈沖來的時，將比較器的輸出鎖存在

13、D觸發(fā)器中。D觸發(fā)器的輸出即加到優(yōu)先編碼器的輸入端。 經(jīng)優(yōu)先編碼器即可獲得對應(yīng)的二進制輸出。對應(yīng)的輸入模擬量和輸出關(guān)系如下表所示。213 3位并行位并行A/DA/D轉(zhuǎn)換器輸入和輸出關(guān)系表轉(zhuǎn)換器輸入和輸出關(guān)系表225V4.3V3.7V2.3V1.7V1V0.33V 3V 例例若如圖所示若如圖所示3 3 位并行位并行A/D A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 ，已知基準電壓，已知基準電壓VREF=5V，試求當輸入模擬量，試求當輸入模擬量vi=2.5V 時，輸出數(shù)字量為多時，輸出數(shù)字量為多少？少？0100101112.5V1輸出的數(shù)字量為：輸出的數(shù)字量為： 10110123并行比較型并行比較型A/D的特點的特點1

14、.1.由于轉(zhuǎn)換是并行的，其轉(zhuǎn)換時間只受比較器、由于轉(zhuǎn)換是并行的，其轉(zhuǎn)換時間只受比較器、觸發(fā)器、和編碼電路的延時時間限制，因此，轉(zhuǎn)觸發(fā)器、和編碼電路的延時時間限制，因此，轉(zhuǎn)換速度最快。換速度最快。2.2.隨著分辨率的提高，元件數(shù)目要按幾何級數(shù)增隨著分辨率的提高，元件數(shù)目要按幾何級數(shù)增加。由于位數(shù)越多，電路越復(fù)雜。加。由于位數(shù)越多，電路越復(fù)雜。3.3.為了解決上述矛盾?？梢圆捎梅旨壊⑿修D(zhuǎn)換的為了解決上述矛盾。可以采用分級并行轉(zhuǎn)換的方法。方法。2410.3.4 逐次逼近型逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 它是一種直接型它是一種直接型A/D轉(zhuǎn)換器。其轉(zhuǎn)換過程類似于用天平稱轉(zhuǎn)換器。其轉(zhuǎn)換過程類似于用天平稱物

15、的過程。物的過程。直到最低位為止”再將次高位置“”則去掉“則保留若”，其余全為“高位先置“1. 21,1,01. 1OIOIVVVV25三位逐次逼近型三位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器原理圖轉(zhuǎn)換器原理圖2610.3.5 雙積分型雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器控制門控制門過零比較器過零比較器積分器積分器時鐘脈沖時鐘脈沖定時器定時器清零信號清零信號N 級異步計數(shù)器級異步計數(shù)器27可將如上電路簡化為如下形式：可將如上電路簡化為如下形式：28 先將輸入的模擬電壓先將輸入的模擬電壓v vI I轉(zhuǎn)換成與之成正比的時間量轉(zhuǎn)換成與之成正比的時間量T T，然，然后在后在T T內(nèi)對固定頻率的時鐘脈沖計數(shù)，計數(shù)的結(jié)果就是一個內(nèi)

16、對固定頻率的時鐘脈沖計數(shù)，計數(shù)的結(jié)果就是一個正比于正比于v vI I的數(shù)字量。的數(shù)字量。IO101IIO1II1I11011 . 1vvCRTRCTvdtvRCvTvvSvTTtCST 為為固固定定數(shù)數(shù)值值，因因此此和和、為為時時間間后后得得到到的的輸輸出出電電壓壓經(jīng)經(jīng)進進行行積積分分積積分分器器對對一一側(cè)側(cè)，合合向向不不變變，期期間間定定時時積積分分完完全全放放電電，計計數(shù)數(shù)器器清清零零閉閉合合轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換開開始始前前29IREF122REF1I2REF1I0REF1IO2COREF0REF2REF00)1(10. 22vVTTRCTVRCTvRCTVRCTvdtVRCRCTvvTVvVSVSV

17、T 這這個個過過程程需需要要的的時時間間，停停止止積積分分和和計計數(shù)數(shù)時時，當當鐘鐘脈脈沖沖計計數(shù)數(shù)計計數(shù)數(shù)器器對對固固定定頻頻率率的的時時進進行行反反向向積積分分，積積分分器器對對保保持持斷斷開開，閉閉合合向向的的積積分分對對固固定定參參考考電電壓壓IREFCLK12CLKCLK22CLKCLK/vVTTTfDTTTfDf 則則計計數(shù)數(shù)器器輸輸出出為為設(shè)設(shè)時時鐘鐘脈脈沖沖的的固固定定頻頻率率30第一階段第一階段 定時積分定時積分第二階段第二階段 比較階段比較階段1011TiioRCTvdtvRCv210)1(1TTREFiodtVRCRCTvv021RCTVRCTvREFiiREFvVTT)

18、(12iCLKREFCLKvTVTTfD12計數(shù)器的輸出為：計數(shù)器的輸出為：3110.3.6 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標1.轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度 分辨率分辨率 輸出數(shù)字量變化一個最低位所對應(yīng)的輸入輸出數(shù)字量變化一個最低位所對應(yīng)的輸入模擬量所需變化的量。模擬量所需變化的量。 ADCADC的位數(shù)越多，量化的階梯越小，分辨率也越高。的位數(shù)越多，量化的階梯越小，分辨率也越高。 分辨率常以二進制碼的位數(shù)表示。如輸入模擬電壓滿量程分辨率常以二進制碼的位數(shù)表示。如輸入模擬電壓滿量程位位5V5V。8 8位位ADCADC可分辨的最小模擬電壓是：可分辨的最小模擬電壓是：mVV53.19258而十位而十位ADCADC可分辨最小模擬電壓為：可分辨最小模擬電壓為：mVV88. 42510可見可見ADC位數(shù)越多，分辨率越高。位數(shù)越多，分辨率越高。322.轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度 指從指從ADCADC接到轉(zhuǎn)換控制信號起，到輸出穩(wěn)定的數(shù)字量為止接到轉(zhuǎn)換控制信號起，到輸出穩(wěn)定的數(shù)字量為止所用的時間多少。用得時間越少，轉(zhuǎn)換速度越快。高速可達