第11章模-數(shù)和數(shù)-模轉(zhuǎn)換

1、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程海南大學(xué)信息學(xué)院海南大學(xué)信息學(xué)院第第1111章章 數(shù)數(shù)模和模模和模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換 模數(shù)轉(zhuǎn)換模數(shù)轉(zhuǎn)換即將模擬電量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，使輸出即將模擬電量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，使輸出的數(shù)字量與輸入的模擬電量成正比。的數(shù)字量與輸入的模擬電量成正比。 實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路稱模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路稱模數(shù)轉(zhuǎn)換器 A Analog to nalog to D Digital igital C Converteronverter，簡稱，簡稱 A/D A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器或或ADCADC。 數(shù)模轉(zhuǎn)換數(shù)模轉(zhuǎn)換即將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬電量即將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬電量( (電壓或電壓或電流電流) )，使輸出的模擬電量與

2、輸入的數(shù)字量成正比，使輸出的模擬電量與輸入的數(shù)字量成正比。 實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路稱數(shù)模轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路稱數(shù)模轉(zhuǎn)換器 D Digital to igital to A Analog nalog C Converteronverter，簡稱，簡稱 D/A D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器或或 DACDAC。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程海南大學(xué)信息學(xué)院海南大學(xué)信息學(xué)院計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)模模擬擬信信號號模模擬擬信信號號A / DD / A數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程海南大學(xué)信息學(xué)院海南大學(xué)信息學(xué)院11.2 D/A D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 D/AD/A轉(zhuǎn)換器的基本原理轉(zhuǎn)換器的基本原理 121012102222nnnnDdddd輸出模

3、擬量輸出模擬量 1210OO1210()(2222 )nnnnVIKDK dddd或二進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制數(shù)D的按權(quán)展開式為的按權(quán)展開式為 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程海南大學(xué)信息學(xué)院海南大學(xué)信息學(xué)院按照譯碼網(wǎng)絡(luò)的不同分類：按照譯碼網(wǎng)絡(luò)的不同分類： 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A D/A 轉(zhuǎn)換器、倒轉(zhuǎn)換器、倒T T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A D/A 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器、權(quán)電流型器、權(quán)電流型D/A D/A 轉(zhuǎn)換器、權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器、權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)D/A D/A 轉(zhuǎn)換器等。轉(zhuǎn)換器等。 下面僅介紹下面僅介紹權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器和目前集成和目前集成D/AD/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器中常用的換器中常用的倒倒T T形電阻網(wǎng)絡(luò)形

4、電阻網(wǎng)絡(luò)D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程海南大學(xué)信息學(xué)院海南大學(xué)信息學(xué)院11.2.1 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 4位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器主要由轉(zhuǎn)換器主要由權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開模擬開關(guān)關(guān)、求和運(yùn)算放大器求和運(yùn)算放大器和和基準(zhǔn)電源基準(zhǔn)電源VREF四部分組成。四部分組成。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程海南大學(xué)信息學(xué)院海南大學(xué)信息學(xué)院REF33VIdRREF222VIdRREF1122VIdRREF0032VIdROFF3210()VR iRIIII 3210REF32104(2222 )2Vdddd 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程海南大學(xué)信息學(xué)院海南大學(xué)信息學(xué)院對于

5、對于n n位的權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)位的權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器: : 1210REFO1210(2222 )2nnnnnVVdddd 特點(diǎn)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)比較簡單，所用的電阻元件數(shù)很少。：結(jié)構(gòu)比較簡單，所用的電阻元件數(shù)很少。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：各個(gè)電阻的阻值相差較大，尤其在輸入信號：各個(gè)電阻的阻值相差較大，尤其在輸入信號 的位數(shù)較多時(shí)，這個(gè)問題就更加突出。的位數(shù)較多時(shí)，這個(gè)問題就更加突出。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程海南大學(xué)信息學(xué)院海南大學(xué)信息學(xué)院11.2.2 倒倒T T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 當(dāng)某位數(shù)碼為當(dāng)某位數(shù)碼為1 1時(shí)，相應(yīng)的開關(guān)將電阻接到運(yùn)算放大器時(shí)，相應(yīng)的開關(guān)將電阻接到運(yùn)算放大器

6、A A的反相輸入端（求和點(diǎn)虛地）；的反相輸入端（求和點(diǎn)虛地）； 當(dāng)某位數(shù)碼為當(dāng)某位數(shù)碼為0 0時(shí)，相應(yīng)的開關(guān)將電阻接到運(yùn)算放大器時(shí)，相應(yīng)的開關(guān)將電阻接到運(yùn)算放大器的同相輸入端（地）。的同相輸入端（地）。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程海南大學(xué)信息學(xué)院海南大學(xué)信息學(xué)院II/16VREF2R2R2R2R2RRRRI/8I/4I/2REF/IVR321024816IIIIidddd3210REFO32104(2222 )2VVi Rdddd 對于對于n位輸入的倒位輸入的倒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： 1210REFO1210(2222 )2nnnnnVVdddd 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程海南大學(xué)信

7、息學(xué)院海南大學(xué)信息學(xué)院倒倒T T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)D/AD/A轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)是：轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)是： 1. 1. 電阻種類少，只有電阻種類少，只有R R和和2 2R R兩種，有利于提高制作精度兩種，有利于提高制作精度; ; 2 2模擬開關(guān)在地和虛地之間轉(zhuǎn)換，不論開關(guān)狀態(tài)如何，模擬開關(guān)在地和虛地之間轉(zhuǎn)換，不論開關(guān)狀態(tài)如何， 各支路的電流始終不變，因此不需要電流建立時(shí)間；各支路的電流始終不變，因此不需要電流建立時(shí)間； 3 3各支路電流直接流入運(yùn)算放大器的輸入端，不存在各支路電流直接流入運(yùn)算放大器的輸入端，不存在 傳輸時(shí)間差，因而提高了轉(zhuǎn)換速度，并減小了動(dòng)態(tài)傳輸時(shí)間差，因而提高了轉(zhuǎn)換速度，并減小了動(dòng)態(tài)

8、過程中輸出端可能出現(xiàn)的尖峰脈沖。過程中輸出端可能出現(xiàn)的尖峰脈沖。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程海南大學(xué)信息學(xué)院海南大學(xué)信息學(xué)院集成集成D/AD/A轉(zhuǎn)換器及主要技術(shù)參數(shù)轉(zhuǎn)換器及主要技術(shù)參數(shù) AD7520的電路的輸入為的電路的輸入為10位二進(jìn)制數(shù)，芯片內(nèi)只含倒位二進(jìn)制數(shù)，芯片內(nèi)只含倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)、形電阻網(wǎng)絡(luò)、CMOS電流開關(guān)和反饋電阻電流開關(guān)和反饋電阻 R（10K）。）。數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程海南大學(xué)信息學(xué)院海南大學(xué)信息學(xué)院設(shè)基準(zhǔn)電壓設(shè)基準(zhǔn)電壓V VREFREF= =-10V-10V，則，則10V/10k=1mAI 當(dāng)輸入數(shù)字量當(dāng)輸入數(shù)字量d d9 9d d8 8d d0 0均為均為1 1時(shí)，輸出電壓時(shí)，輸

9、出電壓 O255( 10)9.96V10V256V 當(dāng)輸入數(shù)字量當(dāng)輸入數(shù)字量d d9 9d d8 8d d0 0均為均為0 0時(shí)，輸出電壓時(shí)，輸出電壓 O0VV 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程海南大學(xué)信息學(xué)院海南大學(xué)信息學(xué)院11.2.711.2.7D/AD/A轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度 （1 1）轉(zhuǎn)換精度：分辨率、轉(zhuǎn)換誤差）轉(zhuǎn)換精度：分辨率、轉(zhuǎn)換誤差 分辨率：指對輸出最小電壓的分辨能力，定義為最小輸出電壓分辨率：指對輸出最小電壓的分辨能力，定義為最小輸出電壓 VLSB（此時(shí)輸入數(shù)字代碼中只有最低有效位為（此時(shí)輸入數(shù)字代碼中只有最低有效位為1 1，其余各位均，其余各位均為為0 0）與

10、最大輸出電壓）與最大輸出電壓VOM（或稱滿量程輸出電壓，即此時(shí)輸（或稱滿量程輸出電壓，即此時(shí)輸入數(shù)字代碼中各位均為入數(shù)字代碼中各位均為1 1）之比。）之比。 分辨率分辨率LSBOM121nVV如輸入數(shù)字代碼為如輸入數(shù)字代碼為10位的位的AD7520的分辨率的分辨率10110.001102321此時(shí)若輸出模擬電壓滿量程為此時(shí)若輸出模擬電壓滿量程為10V，則其能夠分辨的最小電壓為，則其能夠分辨的最小電壓為 100.01V1023數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程海南大學(xué)信息學(xué)院海南大學(xué)信息學(xué)院轉(zhuǎn)換誤差：通常用輸出電壓滿量程轉(zhuǎn)換誤差：通常用輸出電壓滿量程FSR（Full Scale Range的的縮寫）的百分?jǐn)?shù)表

11、示，也可以用最低有效位的倍數(shù)表示。縮寫）的百分?jǐn)?shù)表示，也可以用最低有效位的倍數(shù)表示。 如，轉(zhuǎn)換誤差為如，轉(zhuǎn)換誤差為 1LSB2表示輸出模擬電壓的絕對誤差等于最小輸出電壓表示輸出模擬電壓的絕對誤差等于最小輸出電壓 的一半。的一半。 LSBV（2）轉(zhuǎn)換速度）轉(zhuǎn)換速度 通常用建立時(shí)間通常用建立時(shí)間tset來定量來定量描述描述D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程海南大學(xué)信息學(xué)院海南大學(xué)信息學(xué)院11.3 A/D A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 11.3.1 A/D A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理轉(zhuǎn)換器的基本原理 A/DA/D轉(zhuǎn)換器的功能是將模擬量的輸入轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的輸出轉(zhuǎn)換器的功能是將模擬量的輸

12、入轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的輸出。 一個(gè)完整的一個(gè)完整的A/DA/D轉(zhuǎn)換過程轉(zhuǎn)換過程，通常要經(jīng)過通常要經(jīng)過取樣取樣和和保持保持、量化量化和和編碼編碼步驟步驟。 取樣：取樣：將時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成時(shí)間上離散的模將時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成時(shí)間上離散的模 擬量過程擬量過程。保持：保持：保持取樣信號，使有充分時(shí)間轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。保持取樣信號，使有充分時(shí)間轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程海南大學(xué)信息學(xué)院海南大學(xué)信息學(xué)院取樣保持電路取樣保持電路 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程海南大學(xué)信息學(xué)院海南大學(xué)信息學(xué)院量化：量化：把取樣保持電路的輸出信號用單位量化電壓的整數(shù)把取樣保持電路的輸出信號用單位量化電壓的整數(shù) 倍表

13、示。方法一般有兩種：只舍不入、有舍有入。倍表示。方法一般有兩種：只舍不入、有舍有入。編碼：編碼：把量化的結(jié)果用二進(jìn)制代碼表示。把量化的結(jié)果用二進(jìn)制代碼表示。只舍不入只舍不入 取量化單位取量化單位 nm/2V 0 0之間的模擬電壓歸并到之間的模擬電壓歸并到0 0 2之間的模擬電壓歸并到之間的模擬電壓歸并到1 1 此此方法產(chǎn)生的最大量化誤差為方法產(chǎn)生的最大量化誤差為 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程海南大學(xué)信息學(xué)院海南大學(xué)信息學(xué)院有舍有入有舍有入取量化單位取量化單位 n+1m2/(21)V 0 0/2之間的模擬電壓歸并到之間的模擬電壓歸并到0 0 /23/2之間的模擬電壓歸并到之間的模擬電壓歸并到1 1 此此

14、方法產(chǎn)生的最大量化誤差為方法產(chǎn)生的最大量化誤差為/2 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程海南大學(xué)信息學(xué)院海南大學(xué)信息學(xué)院按工作原理：按工作原理： 直接直接A/DA/D轉(zhuǎn)換器和間接轉(zhuǎn)換器和間接A/DA/D轉(zhuǎn)換器兩類。轉(zhuǎn)換器兩類。 直接直接A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器： 并行比較型并行比較型A/DA/D轉(zhuǎn)換器和逐次比較型轉(zhuǎn)換器和逐次比較型A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 間接間接A/DA/D轉(zhuǎn)換器：轉(zhuǎn)換器： 雙積分型雙積分型A/DA/D轉(zhuǎn)換器、電壓頻率轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器、電壓頻率轉(zhuǎn)換型型A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程海南大學(xué)信息學(xué)院海南大學(xué)信息學(xué)院11.3.3 并聯(lián)比較并聯(lián)比較型型A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 數(shù)字電子

15、技術(shù)基礎(chǔ)課程海南大學(xué)信息學(xué)院海南大學(xué)信息學(xué)院數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程海南大學(xué)信息學(xué)院海南大學(xué)信息學(xué)院三、主要特點(diǎn)三、主要特點(diǎn) （一）轉(zhuǎn)換精度 并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度主要取決于量化電平的劃分，分得越細(xì)即越小，精度越高。（二）轉(zhuǎn)換速度快 并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的最大優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快。如果從CP信號上升沿時(shí)刻算起，（三）用比較器和觸發(fā)器多 并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的主要缺點(diǎn)是要使用的比較器和觸發(fā)器很多，尤其是輸出數(shù)字量的位數(shù)較多時(shí)。這種轉(zhuǎn)換器適用于速度高、精度低場合。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程海南大學(xué)信息學(xué)院海南大學(xué)信息學(xué)院11.3.4 反饋比較型反饋比較型A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 主要由主要由電壓

16、比較器電壓比較器、D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器、控制邏輯控制邏輯、逐次逼近寄存逐次逼近寄存器器和和輸出緩沖器輸出緩沖器等部分組成。等部分組成。 逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器是直接轉(zhuǎn)換是直接轉(zhuǎn)換A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器的一種電路的一種電路。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程海南大學(xué)信息學(xué)院海南大學(xué)信息學(xué)院（1 1）轉(zhuǎn)換開始前先將寄存器清零。）轉(zhuǎn)換開始前先將寄存器清零。 工作原理工作原理（2 2）轉(zhuǎn)換控制信號）轉(zhuǎn)換控制信號VS變?yōu)楦唠娖綍r(shí)開始轉(zhuǎn)換，時(shí)鐘信號首先變?yōu)楦唠娖綍r(shí)開始轉(zhuǎn)換，時(shí)鐘信號首先 將寄存器的最高位置為將寄存器的最高位置為1 1，其它位置置，其它位置置0 0，使寄存器的輸，使寄存器的輸

17、 出為出為1001000000。 （3 3）將該數(shù)字量被）將該數(shù)字量被D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓VR。 （4 4）比較，若）比較，若VRVi，說明數(shù)字過大了，則這個(gè)，說明數(shù)字過大了，則這個(gè)1 1應(yīng)取掉；若應(yīng)取掉；若 VR Vi，說明數(shù)字還不夠大，這個(gè)，說明數(shù)字還不夠大，這個(gè)1 1應(yīng)予保留。應(yīng)予保留。 （5 5）再按同樣的方法將次高位置）再按同樣的方法將次高位置1 1，并比較，并比較VR與與Vi的大小以確的大小以確 定這一位的定這一位的1 1是否應(yīng)當(dāng)保留。是否應(yīng)當(dāng)保留。 （6 6）依次逐位比較下去，直到最低位比較完為止，這時(shí)寄存）依次逐位比較下去，直到最低位

18、比較完為止，這時(shí)寄存 器里所存的數(shù)碼就是所求的輸出數(shù)字量。器里所存的數(shù)碼就是所求的輸出數(shù)字量。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程海南大學(xué)信息學(xué)院海南大學(xué)信息學(xué)院3位逐次逼近型位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程海南大學(xué)信息學(xué)院海南大學(xué)信息學(xué)院11.3.5 雙積分型雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 主要由主要由積分器積分器、過零比較器過零比較器、計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器、控制邏輯控制邏輯和和時(shí)鐘脈時(shí)鐘脈沖源沖源等幾個(gè)部分組成。等幾個(gè)部分組成。 雙積分型雙積分型A/DA/D轉(zhuǎn)換器是常用的一種間接轉(zhuǎn)換器是常用的一種間接A/DA/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程海南大學(xué)信息學(xué)院海南大學(xué)信息學(xué)院 轉(zhuǎn)換控制信號轉(zhuǎn)

19、換控制信號VS=0，將計(jì)數(shù)器清零，并接通開關(guān)，將計(jì)數(shù)器清零，并接通開關(guān)S0，使積分，使積分電容電容C完全放電，同時(shí)開關(guān)完全放電，同時(shí)開關(guān)S1合到輸入信號合到輸入信號Vi一側(cè)。一側(cè)。 轉(zhuǎn)換控制信號轉(zhuǎn)換控制信號VS=1時(shí)開始轉(zhuǎn)換：時(shí)開始轉(zhuǎn)換： 第一次積分階段，第一次積分階段，S0斷開，積斷開，積分器對分器對Vi進(jìn)行固定時(shí)間進(jìn)行固定時(shí)間T1的積分。的積分。 1i1Oi01TVTVdtVCRRC 第二次積分階段，令開關(guān)第二次積分階段，令開關(guān)S1轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)接至基準(zhǔn)電壓接至基準(zhǔn)電壓 -VREF一側(cè)，積分器一側(cè)，積分器向相反方向積分。向相反方向積分。 2REF1Oi010TVTVdtVCRRC數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程海南大學(xué)信息學(xué)院海南大學(xué)信息學(xué)院故得到故得到 21iCCREFTTDVTT V21REFiTTVVRCRC，12iREFTTVV，1CTNT若取若取 1CTNTiREFNDVV則則 為了實(shí)現(xiàn)對上述雙積分過程的控制，可以用下圖所示的為了實(shí)現(xiàn)對上述雙積分過程的控制，可以用下圖所示的邏輯電路來完成。邏輯電路來完成。 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程海南大學(xué)信息學(xué)院海南大學(xué)信息學(xué)院此時(shí)此時(shí) 1C2nTT則則iREF2nDVV數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程海南大學(xué)信息學(xué)院海南大學(xué)信息學(xué)院11.3.7 11.3.7 主要技術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù) （1 1）轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換