模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備

1、模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備電子信息系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)概述概述 計算機(jī)系統(tǒng)是一個數(shù)字系統(tǒng)、離散系統(tǒng)，而我們計算機(jī)系統(tǒng)是一個數(shù)字系統(tǒng)、離散系統(tǒng)，而我們生活的外部世界是一個模擬系統(tǒng)。為使計算機(jī)系統(tǒng)能生活的外部世界是一個模擬系統(tǒng)。為使計算機(jī)系統(tǒng)能夠了解外部世界，對外部事物進(jìn)行處理，就必須有一夠了解外部世界，對外部事物進(jìn)行處理，就必須有一個將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的個將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的接口，這就是常說的接口，這就是常說的 A/DA/D和和 D/AD/A。 雖然模擬量是無限可分的、連續(xù)的，數(shù)字量是離雖然模擬量是無限可分的、連續(xù)的，數(shù)字量是離散的，數(shù)字量永遠(yuǎn)也不能精確地描述模擬量，但

2、由于散的，數(shù)字量永遠(yuǎn)也不能精確地描述模擬量，但由于我們對客觀世界的了解、描述并不總需要極高的精度，我們對客觀世界的了解、描述并不總需要極高的精度，所以選擇適當(dāng)精度的數(shù)字量來描述模擬量是完全夠用所以選擇適當(dāng)精度的數(shù)字量來描述模擬量是完全夠用的。的。 ADCADC和和DACDAC是溝通模擬電路和數(shù)字電路的橋梁，也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?？煞Q之為兩者之間的接口。 能將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的電路稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡能將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的電路稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱稱A/DA/D轉(zhuǎn)換器或轉(zhuǎn)換器或ADCADC； 能將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，簡能將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬

3、量的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，簡稱稱D/AD/A轉(zhuǎn)換器或轉(zhuǎn)換器或DACDAC。 多路開關(guān)數(shù)字控制計算機(jī)DACADC功率放大功率放大執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)加熱爐加熱爐溫度傳感器溫度傳感器信號放大信號放大多路開關(guān) 本章將簡單介紹本章將簡單介紹D/AD/A轉(zhuǎn)換器和轉(zhuǎn)換器和A/DA/D轉(zhuǎn)換器的幾種主要形式。轉(zhuǎn)換器的幾種主要形式。1 D/A轉(zhuǎn)換器(DAC)一、一、D/AD/A轉(zhuǎn)換器的基本原理和轉(zhuǎn)換特性轉(zhuǎn)換器的基本原理和轉(zhuǎn)換特性將輸入的每一位二進(jìn)制代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)將輸入的每一位二進(jìn)制代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將代表各位的模擬換成相應(yīng)的模擬量，然后將代表各位的模擬量相加，所得的總模擬量就與數(shù)字量成正比，

4、量相加，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。這樣便實現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。uo或 io輸出D/Ad0d1dn1輸入)2222(00112211oddddKunnnnu給定數(shù)字量的給定數(shù)字量的D/AD/A轉(zhuǎn)換過程：轉(zhuǎn)換過程：按權(quán)展開，求相應(yīng)位的模擬量；按權(quán)展開，求相應(yīng)位的模擬量；相加求和，求總的模擬量；相加求和，求總的模擬量；電阻網(wǎng)絡(luò)：實現(xiàn)按權(quán)展開；電阻網(wǎng)絡(luò)：實現(xiàn)按權(quán)展開；電子開關(guān)電子開關(guān): : 給定數(shù)字量；給定數(shù)字量；求和電路求和電路: : 完成模擬量相加。完成模擬量相加。DACDAC的一般構(gòu)成：的一般構(gòu)成：存在多種網(wǎng)絡(luò)存在多種網(wǎng)絡(luò)形式。形式。由由晶體管或

5、晶體管或MOS管組成。管組成。由運放組成由運放組成 。R2R4R8RRFI1I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo+RVIRVIRVIRVIREFREFREFREF3210248 二、二進(jìn)制權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)二、二進(jìn)制權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DACDAC參參考考電電壓壓電子開關(guān)：電子開關(guān)：d d11接接“-”;d=0 -”;d=0 接接“+”+”不論不論d d接哪端（虛地或?qū)嵉兀?，各支路電流不變。接哪端（虛地或?qū)嵉兀?，各支路電流不變。求和求和電路電路電路電路R2R4R8RRFI1I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo+)2222(224800112

6、2333321033221100ddddRVdRVdRVdRVdRVdIdIdIdIiREFREFREFREFREFBREFREFFFNVddddViRiRu40011223342)2222(22o設(shè)RF=R/2 轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理輸出輸出 R R R 2R 2R 2R 2R 2R RF I S0 S3 S2 S1 d3 d0 d1 d2 +VR uo + B C D A P 2R 三、三、T T型電阻網(wǎng)絡(luò)型電阻網(wǎng)絡(luò)DACDAC電路電路電子開關(guān)：電子開關(guān)：d d11接接“V VR R”;d=0 ”;d=0 接接“地地” 2R 2R R +VA B 2R 2R 2R +VR A 轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理

7、R R R 2R 2R 2R 2R 2R RF I S0 S3 S2 S1 d3 d0 d1 d2 +VR uo + B C D A P 2R V VR R通過通過S S0 0到到D D點點 的電壓值的電壓值等效電路：等效電路：32RRAVVRRRVS S0 0接接V VR RS S1 1 S S2 2 S S3 3接地接地3212RAABVVVRRRV3412RBCVVV3812RCDVVV同理：同理：所以，所以，當(dāng)當(dāng)d d3 3d d2 2d d1 1d d0 000010001時時381RDVV R R R 2R 2R 2R 2R 2R RF I S0 S3 S2 S1 d3 d0 d1

8、 d2 +VR uo + B C D A P 2R 同理，當(dāng)同理，當(dāng)d d3 3d d2 2d d1 1d d0 000100010時時341RDVV當(dāng)當(dāng)d d3 3d d2 2d d1 1d d0 001000100時時321RDVV當(dāng)當(dāng)d d3 3d d2 2d d1 1d d0 010001000時時3RDVV d d3 3d d2 2d d1 1d d0 0為任意值時為任意值時 D D點的電壓值點的電壓值BRRRRRRDNVddddVdVdVdVdVV32)2222(32383432330011223330123 輸出：輸出：BRfDfONVRRVRRV32223BRONVV42取取R

9、 Rf f3R 3R ： R R R 2R 2R 2R 2R 2R I1 I1 I2 I3 I0 I0 I2 I I d0 d3 d2 d1 VR B C D A RF uo + S3 S0 S1 S2 I3 P P 電路電路注注：1、電子開關(guān)置于電阻網(wǎng)絡(luò)和運放之間。電子開關(guān)置于電阻網(wǎng)絡(luò)和運放之間。 d di i1 1電流入電流入P P點（虛地），點（虛地）， d di i0 0電流入地（實地）。電流入地（實地）。 2 2、無論開關(guān)在左（實地）還是在右（虛地），、無論開關(guān)在左（實地）還是在右（虛地）， 電流不變，故無需電流建立時間。電流不變，故無需電流建立時間。四、倒四、倒T T型電阻網(wǎng)絡(luò)型電

10、阻網(wǎng)絡(luò)DACDAC 轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理 R R R 2R 2R 2R 2R 2R I1 I1 I2 I3 I0 I0 I2 I I d0 d3 d2 d1 VR B C D A RF uo + S3 S0 S1 S2 I3 P P 節(jié)點節(jié)點A、B、C、D以左，等效電阻為以左，等效電阻為2R。 總等效電阻為總等效電阻為R?？傠娏骺傠娏鱎VIR 轉(zhuǎn)換原理（續(xù)）轉(zhuǎn)換原理（續(xù)） R R R 2R 2R 2R 2R 2R I1 I1 I2 I3 I0 I0 I2 I I d0 d3 d2 d1 VR B C D A RF uo + S3 S0 S1 S2 I3 P P RVIIR223每過一個節(jié)點，電流被

11、分流每過一個節(jié)點，電流被分流1/2。RVIIR4232RVIIR8221RVIIR16210 轉(zhuǎn)換原理（續(xù)）轉(zhuǎn)換原理（續(xù)） R R R 2R 2R 2R 2R 2R I1 I1 I2 I3 I0 I0 I2 I I d0 d3 d2 d1 VR B C D A RF uo + S3 S0 S1 S2 I3 P P RVIIR223RVIIR4232RVIIR8221RVIIR16210流入流入P點總電流點總電流）（001122332222161ddddRVIR輸出電壓輸出電壓）（001122334222221ddddFRFORRVRIVRRF取取BRRONVVV4001122334222222

12、）（dddd2 采樣：以一定的周期讀取輸入電壓信號。采樣定理：fs2, fAmax 工程上： fs10fAmax保持：使讀取的信號在周期內(nèi)不變。轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理 模擬信號（模擬信號（A A）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號（轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號（D D）需要時間，所以轉(zhuǎn)需要時間，所以轉(zhuǎn)換時間上是離散的；另一方面，模擬信號輻值連續(xù)，數(shù)字信換時間上是離散的；另一方面，模擬信號輻值連續(xù)，數(shù)字信號輻值離散。所以號輻值離散。所以ADAD轉(zhuǎn)換需要做的是對模擬信號進(jìn)行輻值離轉(zhuǎn)換需要做的是對模擬信號進(jìn)行輻值離散和時間離散。散和時間離散。 dn-1d1d0數(shù)字量輸出(n位)ADC的數(shù)字化編碼電路 CPS SCADC采樣-保持電路采樣展

13、寬信號輸入模擬電壓ui(t)us(t)時間離散時間離散采樣定理采樣定理輻值離散輻值離散量化編碼量化編碼Vref要求要求在采樣時間內(nèi)，信號維持不變，以提供足夠的轉(zhuǎn)換時間。在采樣時間內(nèi)，信號維持不變，以提供足夠的轉(zhuǎn)換時間。采樣后保持原信號特征。采樣后保持原信號特征。采樣定理采樣定理max2iSff 采樣頻率大于采樣頻率大于2倍輸入倍輸入信號頻率的最大值。信號頻率的最大值。主要參數(shù)n參考電壓： AD轉(zhuǎn)換最大數(shù)值n輸出字段： 轉(zhuǎn)換后的字節(jié)各個位數(shù)的含義n轉(zhuǎn)換精度： 由參考電壓和輸出字段長度共同決定，為ADC的最小步進(jìn)電壓，反映了ADC對最小電壓變化的檢測能力。模數(shù)轉(zhuǎn)換器類型n跟蹤式模數(shù)轉(zhuǎn)換器n快速模數(shù)

14、轉(zhuǎn)換器n逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器n雙斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換器n-模數(shù)轉(zhuǎn)換器nHalf-Flash模數(shù)轉(zhuǎn)換器1 跟蹤式模數(shù)轉(zhuǎn)換器n組成：n 一個比較器，一個計數(shù)器，一個DACn缺點： (1)轉(zhuǎn)換速度慢 (2)最高時鐘頻率取決于DAC和比較器的信號延時速度2、快速A/D轉(zhuǎn)換器REFREFREFREFREFREFREFREFVvVvVvVvVvVvVvVv16151613161116916716516316187654321快速A/D轉(zhuǎn)換器特點n優(yōu)點：轉(zhuǎn)換速率快n缺點：耗費了大量比較器和邏輯電路， 功耗大3 3、逐次比較、逐次比較型型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器特點：轉(zhuǎn)換速度中速（幾十K到幾百KHz）， 成本較低。對分查找

15、對分查找逐次比較逐次比較型型A/D轉(zhuǎn)換器特點轉(zhuǎn)換器特點n通過對分查找得到輸出數(shù)值，相比于快速ADC,節(jié)省了大量的比較器。nN位的ADC需N個時鐘單元內(nèi)完成一次轉(zhuǎn)換 雙積分型雙積分型ADCADC的轉(zhuǎn)換原理是先將模擬電壓的轉(zhuǎn)換原理是先將模擬電壓U UI I轉(zhuǎn)換成與其大轉(zhuǎn)換成與其大小成正比的時間間隔小成正比的時間間隔T T，再利用基準(zhǔn)時鐘脈沖通過計數(shù)器將再利用基準(zhǔn)時鐘脈沖通過計數(shù)器將T T變變換成數(shù)字量。換成數(shù)字量。 4 雙積分型雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 雙積分型雙積分型ADC雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器特點n首先，其轉(zhuǎn)換結(jié)果與時間常數(shù)首先，其轉(zhuǎn)換結(jié)果與時間常數(shù)RC無關(guān)，從而消除了由無關(guān)，從而消除了由于斜

16、波電壓非線性帶來的誤差，允許積分電容在一個于斜波電壓非線性帶來的誤差，允許積分電容在一個較寬范圍內(nèi)變化，而不影響轉(zhuǎn)換結(jié)果。較寬范圍內(nèi)變化，而不影響轉(zhuǎn)換結(jié)果。n其次，由于輸入信號積分的時間較長，且是一個固定其次，由于輸入信號積分的時間較長，且是一個固定值值T1，而，而T2正比于輸入信號在正比于輸入信號在T1內(nèi)的平均值，這對于內(nèi)的平均值，這對于疊加在輸入信號上的干擾信號有很強(qiáng)的抑制能力。疊加在輸入信號上的干擾信號有很強(qiáng)的抑制能力。n最后，這種最后，這種A/D轉(zhuǎn)換器不必采用高穩(wěn)定度的時鐘源，轉(zhuǎn)換器不必采用高穩(wěn)定度的時鐘源，它只要求時鐘源在一個轉(zhuǎn)換周期（它只要求時鐘源在一個轉(zhuǎn)換周期（T1+T2）內(nèi)保持

17、穩(wěn)）內(nèi)保持穩(wěn)定即可。這種轉(zhuǎn)換器被廣泛定即可。這種轉(zhuǎn)換器被廣泛應(yīng)用于要求精度較高而轉(zhuǎn)應(yīng)用于要求精度較高而轉(zhuǎn)換速度要求不高的儀器中換速度要求不高的儀器中。 5 、 -型ADCn -ADC的基本思想是用數(shù)字化速度來換取位數(shù)，即采用高速、低位數(shù)(通常是1位)的ADC來實現(xiàn)低速、高位數(shù)的ADC。其主要組成是-調(diào)制器及低通數(shù)字濾波器，如圖所示。 -調(diào)制器由差動器、積分器和比較器構(gòu)成，它們一起構(gòu)成一個反饋環(huán)路。調(diào)制器以遠(yuǎn)大于奈奎斯特頻率的采樣率對模擬信號進(jìn)行采樣和量化，輸出一位數(shù)字位流。數(shù)字低通濾波器完成低通濾波和抽取功能。n-調(diào)制器的特點在于它的噪聲整型特性。它將模擬輸入與反饋信號(誤差信號)進(jìn)行差動(d

18、elta)比較，將比較產(chǎn)生的差動輸出饋送到積分器(sigma)中，然后將積分器的輸出饋送到比較器中。比較器的輸出同時將反饋信號(誤差信號)通過一位DAC后傳送到差動器，而自身被饋送到數(shù)字濾波器中。一種集成-型ADC原理框圖-調(diào)制器-型A/D轉(zhuǎn)換器特點n1、精度很高。n2、轉(zhuǎn)換速率不夠高,適于音頻采樣。n3、需設(shè)計數(shù)字濾波器。6 Half-Flash模擬轉(zhuǎn)換器n將轉(zhuǎn)化比特分為高字節(jié)和低字節(jié)，以FLASH型ADC級聯(lián)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換n轉(zhuǎn)換速度處于FLASH和逐次比較型之間，減小了驅(qū)動電流。7 各種ADC的比較n書上圖2.8n性能比較的方面 a.轉(zhuǎn)換精度 b.最大轉(zhuǎn)換速度 采樣和保持n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