數(shù)模轉(zhuǎn)換模數(shù)轉(zhuǎn)換

1、12.1 概述概述12.2 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器12 數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換12.3 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2)2)正確理解正確理解D/AD/A、A/DA/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù): :轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度, ,分辨率等分辨率等1)1)了解并行比較、逐次比較、雙積分了解并行比較、逐次比較、雙積分A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器(ADC)(ADC)的工作原理及其特點(diǎn)。的工作原理及其特點(diǎn)。教學(xué)基本要求教學(xué)基本要求作業(yè)：作業(yè)：12.1 12.1412.1 12.14電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)A/DA/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 D/AD/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 模擬模擬

2、控制器控制器 工業(yè)生產(chǎn)過程控制對象工業(yè)生產(chǎn)過程控制對象 模模 擬擬 傳感器傳感器 ADC和和DAC已成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中不可缺少的接口電路。已成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中不可缺少的接口電路。將溫度、壓力、流將溫度、壓力、流量、應(yīng)力等物理量量、應(yīng)力等物理量轉(zhuǎn)換為模擬電量。轉(zhuǎn)換為模擬電量。計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字處計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字處理（如計(jì)算、濾理（如計(jì)算、濾波）、保存等波）、保存等用模擬量作為用模擬量作為控制信號(hào)控制信號(hào)數(shù)字控制數(shù)字控制 計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)12.1 概述概述12 數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為與之成正比模擬量將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為與之成正

3、比模擬量 。n n位位數(shù)字量數(shù)字量DAC模擬量模擬量1 1）數(shù)）數(shù) / / 模轉(zhuǎn)換器模轉(zhuǎn)換器A = K D O = K NB 12.1 概述概述電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) 數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合而成的，數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合而成的， 對于有權(quán)碼，對于有權(quán)碼，每位代碼都有一定的權(quán)值，如能將每一位代碼按其權(quán)的大每位代碼都有一定的權(quán)值，如能將每一位代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量， 然后，將這些模擬量相加，即可然后，將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字量成正比的模擬量，得到與數(shù)字量成正比的模擬量， 從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字量從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字量-模

4、擬量模擬量的轉(zhuǎn)換。的轉(zhuǎn)換。 實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的基本思想轉(zhuǎn)換的基本思想 NDb424b323b222b121b020 124123022021120將二進(jìn)制數(shù)將二進(jìn)制數(shù)ND(11001)B轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。12.2.1 D/A轉(zhuǎn)換器的基本工作原理轉(zhuǎn)換器的基本工作原理12.2 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) D/A轉(zhuǎn)換器的組成轉(zhuǎn)換器的組成 數(shù)數(shù)碼碼 寄寄存存器器 n n位位模模擬擬開開關(guān)關(guān) 解解碼碼 網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò) 求求和和 電電路路 基基準(zhǔn)準(zhǔn)電電壓壓 n n位位數(shù)數(shù)字字量量輸輸入入 模模擬擬量量 輸輸出出 DAC的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可以

5、并行輸入也可串行輸入的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可以并行輸入也可串行輸入存放在寄存放在寄存器中的數(shù)存器中的數(shù)字量的各位字量的各位數(shù)碼數(shù)碼由輸入數(shù)由輸入數(shù)字量控制字量控制產(chǎn)生權(quán)電流產(chǎn)生權(quán)電流將權(quán)電流將權(quán)電流相加產(chǎn)生與相加產(chǎn)生與輸入成正比輸入成正比的模擬電壓的模擬電壓12.2.1 D/A轉(zhuǎn)換器的基本工作原理轉(zhuǎn)換器的基本工作原理電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) i Rf=R vO S0 VREF + S1 S2 S3 + 基基準(zhǔn)準(zhǔn)電電壓壓 電電子子開開關(guān)關(guān) R R /2 R /4 R /8 求求和和電電路路 (LSB) D2 D3 (MSBD0 D1 鎖鎖存存器器 數(shù)數(shù)字字量量

6、輸輸入入 電電阻阻網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò) i0 i1 I2 i2 i3 A 模模擬擬量量輸輸出出 實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的原理電路轉(zhuǎn)換的原理電路)iiii (R0123O fvRDVi33REF8 RDVi224REF R RD D2V2V1REF 1iRDVi0REF0 iiiODVDDDDV2)2222(3000112233 REFREFv v，, 12.2.1 D/A轉(zhuǎn)換器的基本工作原理轉(zhuǎn)換器的基本工作原理電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) D/A轉(zhuǎn)換器的分類轉(zhuǎn)換器的分類:按解碼網(wǎng)絡(luò)按解碼網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分類結(jié)構(gòu)分類 T型電阻網(wǎng)絡(luò)型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC倒倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)DA

7、C權(quán)電流權(quán)電流DAC 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC 按模擬電子開按模擬電子開關(guān)電路分類關(guān)電路分類 CMOS開關(guān)型開關(guān)型DAC雙極型開關(guān)型雙極型開關(guān)型DAC 電流開關(guān)型電流開關(guān)型DAC ECL電流開關(guān)型電流開關(guān)型DAC D/A 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器12.2.2 D/A轉(zhuǎn)換器的主要電路形式轉(zhuǎn)換器的主要電路形式電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) vO Rf +VREF 2R D0 D1 D2 D3 S0 S1 S2 S3 i 2R 2R 2R (LSB) (MSB) 8I 16I 4I 2I I 2R + R R R I/16 I/8 I/4 I/2 Di=0, Si則將

8、電阻則將電阻2R接地接地Di=1, Si接運(yùn)算放大器反相端，電流接運(yùn)算放大器反相端，電流Ii流入求和電路流入求和電路 電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò)模擬電子開關(guān)模擬電子開關(guān)求和運(yùn)算放大器求和運(yùn)算放大器輸輸出出模模擬擬電電壓壓輸入輸入4位二進(jìn)制數(shù)位二進(jìn)制數(shù)根據(jù)運(yùn)放線性運(yùn)用時(shí)虛地的概念可知，無論模擬開關(guān)根據(jù)運(yùn)放線性運(yùn)用時(shí)虛地的概念可知，無論模擬開關(guān)Si處于處于何種位置，與何種位置，與Si相連的相連的2R電阻將接電阻將接“地地” 或虛地或虛地。 2）倒）倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓12.2.2 D/A轉(zhuǎn)換器的主要電路形式轉(zhuǎn)換器的主要電路形式電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程數(shù)字

9、電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)D/A轉(zhuǎn)換器的倒轉(zhuǎn)換器的倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)電源基準(zhǔn)電源VREF提供的總電流為：提供的總電流為：I =？流過各開關(guān)支路的電流：流過各開關(guān)支路的電流：I3 =？I2 =？ I1 =？ I0 =？ 2R 2R 2R 2R 2R R R R VREF I A B C D A B C D RVIREF I/4I/8I/16RRRRI/2I/4I/8I/16I/2I3I2I1I0流入每個(gè)流入每個(gè)2R電阻的電流從高位到低位按電阻的電流從高位到低位按2的整數(shù)倍遞減。的整數(shù)倍遞減。I3= VREF / 2RI2= VREF / 4RI1= VREF / 8R I0= VRE

10、F /16 R12.2.2 D/A轉(zhuǎn)換器的主要電路形式轉(zhuǎn)換器的主要電路形式電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)流入運(yùn)放的總電流：流入運(yùn)放的總電流： i I0 + I1 + I2 + I3)2222(13223140REFDDDDRV 輸出模擬電壓：輸出模擬電壓： 1n0iifnREFO)2(2iDRRV 30ii4REFffO)2(2iDVRRRi (LSB) D2 D3 (MSB) i Rf O D0 D1 S0 S1 S2 S3 2R 2R 2R 2R 2R 8I 16I 4I 2I R R R I +VREF + 8I 16I 4I 2I 12.2.2

11、 D/A轉(zhuǎn)換器的主要電路形式轉(zhuǎn)換器的主要電路形式電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)2 2） 4 4位倒位倒T T形電阻形電阻網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)DAC的輸出模擬電壓的輸出模擬電壓 Ofi R 3ifREFi40(2 )2iRVDR n 位倒位倒T T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC有：有： n 1iREFfOin0(2 )2iVRDR REFfn,2VRKR令：令：n 1iBi0(2 )iND則則 O = K NB 在電路中輸入的每一個(gè)在電路中輸入的每一個(gè)二進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制數(shù)NB，均能得到與之成正比的，均能得到與之成正比的模擬電壓輸出。模擬電壓輸出。 12.2.2 D/A轉(zhuǎn)換器

12、的主要電路形式轉(zhuǎn)換器的主要電路形式電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) 定義為定義為D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分隔的等級(jí)數(shù)。轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分隔的等級(jí)數(shù)。n位位DAC最多有最多有2n個(gè)模擬輸出電壓分隔等級(jí)。位數(shù)越多個(gè)模擬輸出電壓分隔等級(jí)。位數(shù)越多D/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器的分辨率越高。換器的分辨率越高。-用用2n或或n位位表示表示 分辨率也可以用能分辨的最小輸出電壓分辨率也可以用能分辨的最小輸出電壓(1/2n)與最大輸出電與最大輸出電壓壓(2n-1)/2n)之比給出，即之比給出，即n位位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率可表示為轉(zhuǎn)換器的分辨率可表示為121n1）分辨率）分

13、辨率-表征表征DAC對輸入微小變化量的敏感程度對輸入微小變化量的敏感程度 n位位DAC的分辨率可表示為的分辨率可表示為-n位位 -2n -1/(2n-1)12.2.3 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)2) 轉(zhuǎn)換精度（誤差）轉(zhuǎn)換精度（誤差） 轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度是指對給定的數(shù)字量，是指對給定的數(shù)字量，D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際值與轉(zhuǎn)換器實(shí)際值與理論值之間的最大偏差。理論值之間的最大偏差。 產(chǎn)生原因：由于產(chǎn)生原因：由于D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器中各元件參數(shù)值存在誤差，如基中各元件參數(shù)值存在誤差，如基準(zhǔn)電壓不夠穩(wěn)定或運(yùn)算放大器的零漂等各

14、種因素的影響。準(zhǔn)電壓不夠穩(wěn)定或運(yùn)算放大器的零漂等各種因素的影響。 幾種轉(zhuǎn)換誤差：有如比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差和非線性誤幾種轉(zhuǎn)換誤差：有如比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差和非線性誤差等差等12.2.3 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)3) 轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)12.2.4 集成集成D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器0832(MSB)7ID6ID5ID4ID3ID2ID1ID0ID(LSB)ILECS1RW2RWXFER當(dāng)當(dāng)LE=1時(shí)時(shí), ,輸輸出出數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)隨隨輸輸入入變變化化。LE2FERV1TUOI2TUOIRfbAGNDDGNDCCVDQ

15、DQDQDQ 8位位 輸輸入入寄寄存存器器 8位 DAC寄存器 8位 DAC轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器圖 3-3 DAC0832原理框圖及引腳當(dāng)當(dāng)LE=0時(shí)時(shí), ,輸輸出出數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)被被鎖鎖存存。LE1電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)概述概述ADCDnD0輸出數(shù)字量輸出數(shù)字量I 輸入模擬電壓輸入模擬電壓能將模擬電壓成正比地轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字量。能將模擬電壓成正比地轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字量。 A/D功能功能12.3 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)取樣取樣時(shí)間上離散的信號(hào)時(shí)間上離散的信號(hào)保持、量化保持、量化量值上也離散的

16、信號(hào)量值上也離散的信號(hào)編碼編碼模擬信號(hào)模擬信號(hào)時(shí)間上和量值上都連續(xù)時(shí)間上和量值上都連續(xù)數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)時(shí)間上和量值上都離散時(shí)間上和量值上都離散 A/D轉(zhuǎn)換器一般要包括轉(zhuǎn)換器一般要包括取樣，取樣， 保持，量化及編碼保持，量化及編碼4個(gè)過程個(gè)過程。12.3.1 A/D 轉(zhuǎn)換器基本工作原理轉(zhuǎn)換器基本工作原理電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) 并聯(lián)（并行）比較型并聯(lián)（并行）比較型 特點(diǎn)特點(diǎn): 轉(zhuǎn)換速度快轉(zhuǎn)換速度快,轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間 10ns 1 s, 但電路復(fù)雜。但電路復(fù)雜。 逐次逼近型逐次逼近型 特點(diǎn)特點(diǎn): 轉(zhuǎn)換速度適中轉(zhuǎn)換速度適中,轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間 為幾為幾

17、s 100 s, 轉(zhuǎn)換精度高，在轉(zhuǎn)換精度高，在轉(zhuǎn)換速度和硬件復(fù)雜度之間達(dá)到一個(gè)很好的平衡轉(zhuǎn)換速度和硬件復(fù)雜度之間達(dá)到一個(gè)很好的平衡。 雙積分型雙積分型 特點(diǎn)特點(diǎn): 轉(zhuǎn)換速度慢轉(zhuǎn)換速度慢,轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間 幾百幾百 s 幾幾ms,但抗干擾能力最強(qiáng)。但抗干擾能力最強(qiáng)。12.3.2 A/D 轉(zhuǎn)換器主要電路形式轉(zhuǎn)換器主要電路形式電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) 并聯(lián)并聯(lián)(并行并行)比較型比較型12.3.2 A/D 轉(zhuǎn)換器主要電路形式轉(zhuǎn)換器主要電路形式 R I VREF VREF 13 15 R CP VREF 11 15 R R R VREF 3 15 VREF

18、 1 15 R R R/2 + C1 + C2 + C3 + C4 + C5 + C6 + C7 C01 C02 C03 C04 C05 C06 C07 1D C1 Q I1 1D C1 Q I2 1D C1 Q I3 1D C1 Q I4 1D C1 Q I5 1D C1 Q I6 1D C1 Q I7 D0 D1 D2 優(yōu)優(yōu)先先編編碼碼器器 (LSB(M SB)0 電壓比較器電壓比較器輸入模輸入模擬電壓擬電壓精密電阻精密電阻網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)精密參考精密參考電壓電壓VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15輸出數(shù)輸出數(shù)字量字量電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程電子技術(shù)基礎(chǔ)精品課程數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)2) 轉(zhuǎn)換誤差轉(zhuǎn)換誤差 1) 分辨率分辨率 說明說明A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號(hào)的分辨能力。通常以輸出二進(jìn)轉(zhuǎn)