數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

1、一、數(shù)一、數(shù)/模和模模和模/數(shù)器是模擬、數(shù)字系統(tǒng)間的橋梁數(shù)器是模擬、數(shù)字系統(tǒng)間的橋梁模模 / 數(shù)數(shù)（A / D）轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換:Analog to Digital Converter （ADC）數(shù)數(shù) / 模（模（）轉(zhuǎn)換）轉(zhuǎn)換:Digital to Analog Converter （DAC）數(shù)字計(jì)算機(jī)數(shù)字計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)模擬系統(tǒng)A/DD/A二進(jìn)制二進(jìn)制線性線性存儲(chǔ)存儲(chǔ)分析分析控制控制物理物理 生物生物 化學(xué)化學(xué)加熱爐溫度檢測(cè)信號(hào)處理采樣保持A/D變換計(jì)算機(jī)控制D/A變換功率控制 測(cè)溫電路是把溫度的變化轉(zhuǎn)化為微弱的電壓信號(hào)。該電壓信測(cè)溫電路是把溫度的變化轉(zhuǎn)化為微弱的電壓信號(hào)。該電壓信號(hào)經(jīng)放大、濾波，送入

2、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)號(hào)經(jīng)放大、濾波，送入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換器把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為與溫度變化相應(yīng)的數(shù)字編碼信號(hào)。然后，微處理機(jī)系統(tǒng)根轉(zhuǎn)換為與溫度變化相應(yīng)的數(shù)字編碼信號(hào)。然后，微處理機(jī)系統(tǒng)根據(jù)水溫控制模型進(jìn)行計(jì)算，得到相應(yīng)的控制輸出數(shù)字信號(hào)。該數(shù)據(jù)水溫控制模型進(jìn)行計(jì)算，得到相應(yīng)的控制輸出數(shù)字信號(hào)。該數(shù)字信號(hào)可控制電力電子電路的電流大小，從而調(diào)整水溫高低。字信號(hào)可控制電力電子電路的電流大小，從而調(diào)整水溫高低。加熱爐加熱爐溫度溫度檢測(cè)檢測(cè)信號(hào)信號(hào)處理處理采樣采樣-保持保持功率功率控制控制D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)控制控制A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換二、二、 常見常見數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用系統(tǒng)舉例數(shù)模、

3、模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用系統(tǒng)舉例壓力傳感器壓力傳感器溫度傳感器溫度傳感器流量傳感器流量傳感器四四路路模模擬擬開開關(guān)關(guān)數(shù)數(shù)字字控控制制計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)DAC模擬控制器模擬控制器模擬控制器模擬控制器液位傳感器液位傳感器DACDAC模擬控制器模擬控制器模擬控制器模擬控制器生生 產(chǎn)產(chǎn) 控控 制制 對(duì)對(duì) 象象DACADC三、三、A / D、D / A 轉(zhuǎn)換器的精度和速度轉(zhuǎn)換器的精度和速度精度精度保證轉(zhuǎn)換的保證轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性速度速度保證保證適時(shí)控制適時(shí)控制一、一、D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理轉(zhuǎn)換器的基本原理 對(duì)于有權(quán)碼，先將每位代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的對(duì)于有權(quán)碼，先將每位代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后相加，

4、即可得到與數(shù)字量成正比的總模擬量，模擬量，然后相加，即可得到與數(shù)字量成正比的總模擬量，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字/ /模擬轉(zhuǎn)換。模擬轉(zhuǎn)換。D/A轉(zhuǎn)換器DDD01n-1.vo輸入輸出DuO/V7654321001 010 011 100 101 110 111 10210niiidN可利用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)運(yùn)算可利用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)運(yùn)算二、二、D/A 轉(zhuǎn)換的電路組成轉(zhuǎn)換的電路組成RRR2R2R2R2RUREFS0S1S2d0d0d1d2d1d2電子電子開關(guān)開關(guān)uO與與Si相連的相連的2R電阻均接電阻均接“地地”（地或虛地）。（地或虛地）。當(dāng)當(dāng)di=1時(shí)，時(shí)，Si接運(yùn)算放大器反相輸入端（虛地），電流接運(yùn)算

5、放大器反相輸入端（虛地），電流Ii流入求流入求和電路；和電路；當(dāng)當(dāng)di=0時(shí)，時(shí)，Si將電阻將電阻2R接地。接地。求和運(yùn)放求和運(yùn)放電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò)二、二、D/A 轉(zhuǎn)換的電路組成轉(zhuǎn)換的電路組成RRR2R2R2R2RUREFS0S1S2d0d0d1d2d1d2電子電子開關(guān)開關(guān)電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò)求和運(yùn)放求和運(yùn)放當(dāng)當(dāng) d2d1d0 = 100,II / 2I / 4I / 8I/2I = UREF / RRIu2O RRU2REF 23REF212 UuO三、工作原理三、工作原理當(dāng)當(dāng) d2d1d0 = 111,IRRR2R2R2R2RUREFuOI / 2I / 4I / 8RIIIu)842(O )2

6、12121(20123REF URRURURU)842(REFREFREF 表達(dá)的一般形式表達(dá)的一般形式)222(20011223REFO dddUu三、輸入為三、輸入為 n 位二進(jìn)制數(shù)時(shí)的表達(dá)式位二進(jìn)制數(shù)時(shí)的表達(dá)式當(dāng)當(dāng) D = dn-1 dn-2 d1 d0 )22.2(2001111REFO dddUunnnDKDUun uREFO2Ku 轉(zhuǎn)換比例系數(shù)轉(zhuǎn)換比例系數(shù)nUK2REFu 輸出電壓：輸出電壓：fRiv O)2(2304iiiREFfDVRR DDDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+Avoif1682R2R+V2RRI4R4IREFI8II2R2RIRIII16227

7、.1.2 DAC 的轉(zhuǎn)換精度、速度和主要參數(shù)的轉(zhuǎn)換精度、速度和主要參數(shù)一、轉(zhuǎn)換精度一、轉(zhuǎn)換精度指指 D/A 轉(zhuǎn)換器模擬輸轉(zhuǎn)換器模擬輸出產(chǎn)生的最小電壓變化量出產(chǎn)生的最小電壓變化量與滿刻度輸出電壓之比，與滿刻度輸出電壓之比，也可用輸入的位數(shù)表示。也可用輸入的位數(shù)表示。為實(shí)際輸出模擬電壓與理想輸出模擬電壓間的最為實(shí)際輸出模擬電壓與理想輸出模擬電壓間的最大誤差。大誤差。 ULSBUFSR=12n1分辨率分辨率=LSB Least Significant Bit( (二二) )轉(zhuǎn)換誤差轉(zhuǎn)換誤差可用占輸出電壓滿刻度值的百分?jǐn)?shù)表示或可用最可用占輸出電壓滿刻度值的百分?jǐn)?shù)表示或可用最低有效位（低有效位（LSB）

8、的倍數(shù)表示。）的倍數(shù)表示。如如: （LSB）= 輸入為輸入為 0001 時(shí)輸出模擬電壓時(shí)輸出模擬電壓的一半。的一半。( (一一) )分辨率分辨率（Resolution）FSR Full Scale Range二、轉(zhuǎn)換速度二、轉(zhuǎn)換速度（2）轉(zhuǎn)換速率（）轉(zhuǎn)換速率（SR）在大信號(hào)工作狀態(tài)下模擬在大信號(hào)工作狀態(tài)下模擬電壓的變化率。電壓的變化率。（1）建立時(shí)間（）建立時(shí)間（tset）當(dāng)輸入的數(shù)字量發(fā)生變化當(dāng)輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時(shí)，輸出電壓變化到相應(yīng)穩(wěn)定電壓值所需時(shí)間。最時(shí)，輸出電壓變化到相應(yīng)穩(wěn)定電壓值所需時(shí)間。最短可達(dá)短可達(dá)0.1S。三、主要參數(shù)三、主要參數(shù)D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 5G7520 的主要參數(shù)

9、的主要參數(shù)參數(shù)名稱參數(shù)名稱單單 位位參數(shù)值參數(shù)值分辨率分辨率位位10非線性度非線性度轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間UREF全量程的全量程的 % 0.05 %ns 500VV電源電壓電源電壓25 +255 35功功 耗耗mW 20溫度系數(shù)溫度系數(shù)FSR 106/C四、集成四、集成DAC芯片舉例芯片舉例1. 5G7520 的電路結(jié)構(gòu)的電路結(jié)構(gòu)UREFIO1IO2d45G752012345678161514131211109VDDd3d2d1d0d5d6d7d8d9RfGNDuORIO1參考電壓源，可正可負(fù)。參考電壓源，可正可負(fù)。2. 應(yīng)用電路應(yīng)用電路單極性輸出單極性輸出uOUREFIO1IO25G7520223

10、416151413VDDd0 d9Rf 1VEERRW1RW2RW3 輸入從輸入從 0000000000 1111111111 變化時(shí)，變化時(shí)， uO 從從 0 （1023 / 1024）UREF輸出與輸入的關(guān)系輸出與輸入的關(guān)系數(shù)碼輸入數(shù)碼輸入模擬輸出模擬輸出d9 d8 d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0uO 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 00 0 0 0 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 （1023 / 1024）UREF （1022 / 1024）UREF （1 / 1024）UREF0UREF 0，uO

11、 0 3. 分辨率分辨率單極性輸出單極性輸出： 分辨率分辨率121 n分辨率分辨率 = =1211 n5G7520 為為 10 位位 D / A 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器，分辨率分辨率 = =000978. 01023112110 當(dāng)當(dāng) UREF = 10 V時(shí)，時(shí)，最小輸出電壓最小輸出電壓 uO = 9.76 mV雙極性輸出雙極性輸出：對(duì)于對(duì)于 5G7520分辨率分辨率=00196. 051111219 當(dāng)當(dāng) UREF = 10 V 時(shí)，時(shí)，最小輸出電壓最小輸出電壓 uO = 19.6 mVuI(t)CADC的的量化編碼量化編碼電路電路dn-1d1d0u I(t)S模擬量模擬量數(shù)字量數(shù)字量量化編碼量化

12、編碼取樣：取樣：把時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)變換為時(shí)間離散的信號(hào)。把時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)變換為時(shí)間離散的信號(hào)。保持：保持：保持取樣信號(hào)保持取樣信號(hào),使有充分時(shí)間將其變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。使有充分時(shí)間將其變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。取樣保持取樣保持（S / H Sample / Hold）當(dāng)滿足當(dāng)滿足 fs 2 fimax 時(shí)時(shí), 取樣信號(hào)可恢復(fù)原信號(hào)。取樣信號(hào)可恢復(fù)原信號(hào)。fs 取樣頻率。取樣頻率。 fimax 信號(hào)的最高頻率分量。信號(hào)的最高頻率分量。 tOuIfO)( fAfs fimax fimaxuI tO三、量化和編碼三、量化和編碼量化單位量化單位數(shù)字信號(hào)最低位數(shù)字信號(hào)最低位LSB所對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)大小，所對(duì)應(yīng)的模擬信

13、號(hào)大小，用用 表示（即表示（即 1 ）。）。量化量化把取樣后的保持信號(hào)化為量化單位的整數(shù)倍。把取樣后的保持信號(hào)化為量化單位的整數(shù)倍。量化誤差量化誤差因模擬電壓不一定能被因模擬電壓不一定能被 整除而引起的誤差。整除而引起的誤差。編碼編碼把量化的數(shù)值用二進(jìn)制代碼表示。把量化的數(shù)值用二進(jìn)制代碼表示。劃分量化電平的兩種方法劃分量化電平的兩種方法01V1/82/83/84/85/86/87/8000001010011100101110111模擬模擬電平電平二進(jìn)制二進(jìn)制代碼代碼代表的代表的模擬電平模擬電平0 = 01 = 1/82 = 2/83 = 3/84 = 4/85 = 5/86 = 6/87 =

14、7/ 81V1/153/155/157/159/15 11/15 13/150000010100111001011101110模擬模擬電平電平二進(jìn)制二進(jìn)制代碼代碼代表的代表的模擬電平模擬電平0 = 01 = 2/152 = 4/153 = 6/154 =8/155 = 10/156 = 12/157 =14/15最大量化誤差最大量化誤差 = = (1 / 8) V = / 2 = (1/15)V量化誤差量化誤差 7.2.3 逐次比較型逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換原理：轉(zhuǎn)換原理：Gd3g3+ d2g2+ d1g1+ d0g0di1 有效有效0 無效無效有效砝碼的總重量逐次逼近重物的重量：有效

15、砝碼的總重量逐次逼近重物的重量：一一 、基本工作原理電路、基本工作原理電路D/AuI逐次漸近逐次漸近寄存器寄存器比較器比較器參考參考電源電源時(shí)鐘時(shí)鐘信號(hào)信號(hào)MSBLSBMSBLSB并行數(shù)字輸出并行數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換控制信號(hào)轉(zhuǎn)換控制信號(hào)10003.2V8V101004V00102V00117.2.3 逐次漸近型逐次漸近型 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器3V00110讀出控制讀出控制控制邏輯控制邏輯電路電路逐次漸近逐次漸近寄存器寄存器比比較較器器 二、轉(zhuǎn)換過程舉例二、轉(zhuǎn)換過程舉例3 位位 D/AQ1S1Rd0 +CPd1d2 1Q1S1RFFBFFC1 d0d1d2uIuOuCC5位環(huán)行移位寄存器位環(huán)行移位寄存器

16、Q1Q2 Q3Q4Q5QFFA1S1R /2輸出偏移輸出偏移完成一次轉(zhuǎn)換的時(shí)間完成一次轉(zhuǎn)換的時(shí)間=（n+2)TcpQ n+1 1 1 1 0 0 1 0 0功能功能R SQ n10不用不用保持保持置置1置置0不許不許CP 12345Q1 Q2Q3 Q4 Q5QA QB QCuI/VuO/V u O/VuCd2 d1 d00 0 0 0 1 0 0 05.90 0.500 0 01 0 0 0 01 0 043.500 0 00 1 0 0 0 1 1 065.500 0 00 0 1 0 0 1 1 176.510 0 00 0 0 1 01 1 065.500 0 00 0 0 0 1 1

17、1 065.501 1 07.2.4 雙積分型雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換思路：轉(zhuǎn)換思路：模擬輸入模擬輸入 uI t t 控制計(jì)數(shù)控制計(jì)數(shù) CP 個(gè)數(shù)個(gè)數(shù)輸出二進(jìn)制數(shù)輸出二進(jìn)制數(shù) 一、電路組成一、電路組成CO 00 000 101 001 110 010 111 1100 000 101 101每進(jìn)行完一次每進(jìn)行完一次 2n 進(jìn)制計(jì)數(shù)，定時(shí)器置進(jìn)制計(jì)數(shù)，定時(shí)器置 1， S1 合向合向基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓電容電容 C 放電放電S2CS1uI邏輯邏輯控制門控制門C定時(shí)器定時(shí)器n 位二進(jìn)制位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器&dn1d0uCP基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓 逐次比較型逐次比較型 雙積分型雙積分型7.2.

18、7 幾種幾種A/D轉(zhuǎn)換器的性能比較轉(zhuǎn)換器的性能比較優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn)并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型轉(zhuǎn)換速度高（幾十轉(zhuǎn)換速度高（幾十ns) 轉(zhuǎn)換精度差轉(zhuǎn)換精度差逐次比較型逐次比較型分辨率高、誤差低分辨率高、誤差低轉(zhuǎn)換速度較快轉(zhuǎn)換速度較快(幾十幾十us)雙積分型雙積分型性能穩(wěn)定性能穩(wěn)定轉(zhuǎn)換精度高轉(zhuǎn)換精度高抗干擾能力強(qiáng)抗干擾能力強(qiáng)轉(zhuǎn)換速度低轉(zhuǎn)換速度低(幾十幾十ms）一、一、D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器1. 功能：功能：將輸入的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成與之成正比將輸入的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成與之成正比的模擬電量。的模擬電量。2. 種類：種類：權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、R - 2R T 形電阻網(wǎng)絡(luò)和形電阻網(wǎng)絡(luò)和 R - 2R 倒倒 T 形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò) D/A 轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換有多種方式，常用的是實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換有多種方式，常用的是電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò) D/A 轉(zhuǎn)換器，包括轉(zhuǎn)換器，包括 其中以其中以 R - 2R 倒倒 T 形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò) D/A 轉(zhuǎn)換器為重點(diǎn)作了詳轉(zhuǎn)換器為重點(diǎn)作了詳細(xì)介紹，它的特點(diǎn)是速度快、性能好，適合于集成工藝制造，細(xì)介紹，它的特點(diǎn)是速度快、性能好，適合于集成工藝制造，因而被廣泛采用。因而被廣泛采用。3. 分辨率和轉(zhuǎn)換精度：分辨率和轉(zhuǎn)換精度： 與與 D/A 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換器的位數(shù)位數(shù)有關(guān)，位數(shù)越多，分辨率和精度越高。有關(guān)，位數(shù)越多，分辨率