第七章_數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 傅大豐

1、第七章第七章數(shù)數(shù)/ /模和模模和模/ /數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)轉(zhuǎn)換器江蘇省精品課程江蘇省精品課程南京航空航天大學(xué)南京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院自動化學(xué)院7-1第七章第七章 模模/數(shù)和數(shù)數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器模轉(zhuǎn)換器7.1 概述概述7.2 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器7.3 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器7-2一一. 用途用途 Analog - Digital Converter，簡稱簡稱 A/D 轉(zhuǎn)換器或轉(zhuǎn)換器或 ADC。 Digital - Analog Converter，簡稱簡稱 D/A 轉(zhuǎn)換器或轉(zhuǎn)換器或 DAC。 7.1 概述概述7-3二二. . 分類分類 DACDACDACTDACD/A雙極極性輸權(quán)電流型型電電阻網(wǎng)絡(luò)倒權(quán)電阻網(wǎng)

2、絡(luò) 變換型變換型變換型變換型間接型間接型反饋比較型反饋比較型并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型直接型直接型FUTUA/D7-47.2 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理轉(zhuǎn)換器的工作原理 7.2.1 D/A轉(zhuǎn)換器工作原理轉(zhuǎn)換器工作原理 7.2.2 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 7.2.3 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 7.2.4 權(quán)電流型權(quán)電流型D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 7.2.5 具有雙極性輸出的具有雙極性輸出的D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器二二. D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)三三. 典型集成典型集成D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器7-57.2.1 D/A轉(zhuǎn)換器工作原理轉(zhuǎn)換器工作

3、原理nOO)(KDiu 其中其中K為常數(shù)為常數(shù)001122n11nn2222 ddddDnn D/A轉(zhuǎn)換器的一般結(jié)構(gòu)框圖轉(zhuǎn)換器的一般結(jié)構(gòu)框圖7-67.2.2 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)求和放大器一一. . 電路結(jié)構(gòu)和工作原理電路結(jié)構(gòu)和工作原理基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓7-7REFiiii100Uudud 時，時，時，時，RUdiRUdiRUdi0REF1n1n1REF2n2n1nREF00222 權(quán)電流權(quán)電流求和放大器0 uuREFiiUdu 7-82FRR 求和放大器 iiF由由虛虛斷斷得得F012n1nFO)(RiiiiRiu 故故輸輸出出電電壓壓)2222(2001122n11n1FRE

4、F ddddRRUnnnnREF2DUn 7-9（1）優(yōu)點：電路簡單（2）缺點：電阻值相差大，難于保證精度，且大電阻不宜于集成在IC內(nèi)部二二. . 優(yōu)缺點優(yōu)缺點7-107.2.3 倒倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC希望用較少類型的電阻，仍希望用較少類型的電阻，仍然能得到一系列權(quán)電流然能得到一系列權(quán)電流7-11RRR從各端口向左看去，各端口對地的等效電阻均為從各端口向左看去，各端口對地的等效電阻均為 R。 由于運(yùn)放由于運(yùn)放A工作在線性區(qū)，其反相輸入端虛地，工作在線性區(qū)，其反相輸入端虛地，故無論開關(guān)故無論開關(guān)Si接至何種位置，與其相連的接至何種位置，與其相連的2R電阻電阻上端總是接地的，即流經(jīng)每條上

5、端總是接地的，即流經(jīng)每條2R電阻支路的電流電阻支路的電流與開關(guān)狀態(tài)無關(guān)。與開關(guān)狀態(tài)無關(guān)。 7-12)2222(01122n11nREFnnd dddRUi nFREFFO2DRRURiun RUI/REF nREF2 DRUn 7-13 各支路電流是同時直接流入到運(yùn)算放大器的各支路電流是同時直接流入到運(yùn)算放大器的反相輸入端，轉(zhuǎn)換速度快、便于集成，是目前反相輸入端，轉(zhuǎn)換速度快、便于集成，是目前D/A轉(zhuǎn)換器中使用最多的電路轉(zhuǎn)換器中使用最多的電路 。7-147.2.4 權(quán)電流型權(quán)電流型DACnFFO2DRIRiun 用恒流源來代替電阻網(wǎng)絡(luò)，各支用恒流源來代替電阻網(wǎng)絡(luò)，各支路權(quán)電流不受開關(guān)導(dǎo)通電阻和電

6、路權(quán)電流不受開關(guān)導(dǎo)通電阻和電壓的影響，故轉(zhuǎn)換精度高。壓的影響，故轉(zhuǎn)換精度高。7-157.2.5 具有雙極性輸出的具有雙極性輸出的DAC補(bǔ)碼輸入對應(yīng)的十進(jìn)制要求的輸出D2 D1 D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V設(shè)輸入為三位二設(shè)輸入為三位二進(jìn)制補(bǔ)碼。最高進(jìn)制補(bǔ)碼。最高位為符號位，正位為符號位，正數(shù)為數(shù)為0，負(fù)數(shù)為，負(fù)數(shù)為1一一. .基本原理基本原理7-16原碼輸入對應(yīng)的輸出偏移后的輸出D2 D1 D0111+7V+3V110+6V+2V101+5V+1V100+4V0V011+3V-1V010+2V-2

7、V001+1V-3V0000V-4V補(bǔ)碼輸入對應(yīng)的十進(jìn)制要求的輸出D2 D1 D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4VD/A* *將符號位反相后接至高位輸入將符號位反相后接至高位輸入* *將輸出偏移使輸入為將輸出偏移使輸入為100100時，輸出為時，輸出為0 017-17二. 電路實現(xiàn)V7111V4100V1001V0000)222(28V8. 1OOOO0120011223OFREF uuuudddddduRRU則則則則，且，且設(shè)設(shè)0 0 0組成的偏移電路組成的偏移電路和和加入加入時，時，使輸入使輸入偏移

8、偏移令令BBOO0100,V4. 2URuu 7-180 0 1即可即可故令故令時，時，輸入輸入RUIRUiIRUIi2222100. 3REFBBBREF 7-194.將符號位反相后接至高位輸入將符號位反相后接至高位輸入0 0 00V0o uB2IIi 0F i7-204 4.將符號位反相后接至高位輸入將符號位反相后接至高位輸入0 0 1-4V-4VFFo Riu0 iRUIi2REFBF 7-214 4.將符號位反相后接至高位輸入將符號位反相后接至高位輸入1 1 03V3VFFo RiuIIIIi87248 IIii83BF 輸入輸入d2d1d0為補(bǔ)碼，輸出為補(bǔ)碼，輸出uo為對應(yīng)的正負(fù)極性

9、的電壓。為對應(yīng)的正負(fù)極性的電壓。 補(bǔ)碼輸入對應(yīng)的十進(jìn)制要求的輸出D2 D1 D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V7-227.2.6 DAC的主要技術(shù)參數(shù)的主要技術(shù)參數(shù)一一. . 分辨率（理論精度）分辨率（理論精度）（1）定義：分辨率為D/A轉(zhuǎn)換器對輸入量微小變化的敏感程度的描述。（2）表示方法 1)用輸入數(shù)字量的二進(jìn)制數(shù)碼位數(shù)給出 2)用輸入數(shù)字量中最低位（LSB）d0變化所引起的輸出電壓變化量與滿刻度輸出電壓之比給出 121mLSB nuu7-23nREFOnREFOREF22. 1DUuDUuUnn

10、 引起的誤差引起的誤差二二. . 轉(zhuǎn)換誤差（實際精度）轉(zhuǎn)換誤差（實際精度） 用最低有效位的倍數(shù)來表示；有時也用絕對誤差與用最低有效位的倍數(shù)來表示；有時也用絕對誤差與輸出電壓滿刻度的百分?jǐn)?shù)來表示。輸出電壓滿刻度的百分?jǐn)?shù)來表示。7-24移移零零點點漂漂移移導(dǎo)導(dǎo)致致的的曲曲線線漂漂由由漂漂移移誤誤差差OpA. 27-25，電電阻阻網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)的的偏偏差差引引起起為為模模擬擬開開關(guān)關(guān)的的壓壓降降內(nèi)內(nèi)阻阻不不非非線線性性誤誤差差0. 3對對值值相相加加總總誤誤差差：幾幾種種誤誤差差的的絕絕*7-2611REF10REFOnnREFO2LSB2121,2LSB21UUuDDUun產(chǎn)生的輸出電壓為：產(chǎn)生的輸出電

11、壓為：）時，時，（在輸出端產(chǎn)生的電壓為在輸出端產(chǎn)生的電壓為 解：解：(1)REF1010OnnREFOOREF2)12(12,2UuDDUuuUnn 最大誤差時對應(yīng)最大誤差時對應(yīng)為為產(chǎn)生的產(chǎn)生的由由(2)例例7.2.1 10位倒位倒T型型DAC中，若保證由中，若保證由UREF偏差偏差引起的誤差小于引起的誤差小于0.5LSB，試求，試求UREF的相對穩(wěn)定度。的相對穩(wěn)定度。7-27%05. 021122212212211101011REFREF11REFREF101011REFOUUUUUu故即要求（3）7-28三. 轉(zhuǎn)換時間（1）建立時間tS -輸入數(shù)據(jù)變化量是滿度值（輸入由全0變?yōu)槿?或全1變

12、為全0）時，其輸出電壓量達(dá)到距終值0.5LSB時所需的時間。 （2）轉(zhuǎn)換速率）轉(zhuǎn)換速率SR -輸出電壓的變化率輸出電壓的變化率 。7-297.2.7 典型集成典型集成DAC1. DAC08328位位DAC兩級緩沖兩級緩沖倒倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC電流輸出，需外接運(yùn)電流輸出，需外接運(yùn)算放大器算放大器7-30DAC0832的典型應(yīng)用接線圖的典型應(yīng)用接線圖7-312. DAC121012位位DAC兩級緩沖兩級緩沖三個寄存器：三個寄存器：8位、位、4位、位、12位位電流輸出，需外接運(yùn)電流輸出，需外接運(yùn)算放大器算放大器7-327.3 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理轉(zhuǎn)換器的工作原理 7.

13、3.1 A/D轉(zhuǎn)換器工作原理轉(zhuǎn)換器工作原理 7.3.2 并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 7.3.3 逐次漸近型逐次漸近型A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 7.3.4 雙積分型雙積分型A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 7.3.5 -型型A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器二二. A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)三三. 典型集成典型集成A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器7-337.3.1 A/D轉(zhuǎn)換的基本原理轉(zhuǎn)換的基本原理A/D轉(zhuǎn)換器的一般框圖轉(zhuǎn)換器的一般框圖7-34(max)iS(max)iS)53(,2ffff 一一般般取取采采樣樣定定理理IuSu7-35一. 采樣保持電路（S/H電路 Sample-Hold）IuSu7-3

14、6二. 量化和編碼量化：將取樣電壓表示為最小數(shù)量單位（）的整數(shù)倍編碼：將量化的結(jié)果用代碼表示出來（二進(jìn)制，二-十進(jìn)制）1. 量化誤差：當(dāng)采樣電壓不能被整除時，將引入量化誤差最大量化誤差最大量化誤差 = = (1/8)V最大量化誤差最大量化誤差 = /2 = (1/15)V7-377.3.2 并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型ADC00000001510REFU0000001153151REFREFUU0000011155153REFREFUU0000111157155REFREFUU0001111159157REFREFUU00111111511159REFREFUU011111115131511REFRE

15、FUU111111115151513REFREFUU一一. .工作原理工作原理REF151UREF153UREF155UREF157UREF159UREF1511UREF1513U量化量化7-38輸入輸入量化量化 編碼編碼11111010110001101000100000000001510REFU0000001153151REFREFUU0000011155153REFREFUU0000111157155REFREFUU0001111159157REFREFUU00111111511159REFREFUU011111115131511REFREFUU111111115151513REFREF

16、UU7-39二. 電路特點（1）快，CP觸發(fā)信號到達(dá)到輸出穩(wěn)定建立只需幾十ns（2）精度，受參考電壓、分壓網(wǎng)絡(luò)等因素影響（3）有存儲器，不需要S/H電路（4）電路規(guī)模，n位需要2n-1比較器，觸發(fā)器。7-407.3.3 逐次漸近型逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器次次就就夠夠了了只只要要比比較較 n電路不太復(fù)雜電路不太復(fù)雜轉(zhuǎn)換速度較快轉(zhuǎn)換速度較快反饋比較型反饋比較型一一. .工作原理工作原理.1)2(01,1,1)1(IOIOnuuuu”再將次高位置“再將次高位置“”，改為“”，改為“則去掉“則去掉“則保留則保留若若”高位先置“高位先置“ 7-411 0 0 0 03位：位：5個個CPn位位: (

17、n+2)個個CP二二. .實現(xiàn)電路實現(xiàn)電路7-427.3.4 雙積分型雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器先將U轉(zhuǎn)換成與之成正比的時間寬度信號，然后在這個時間內(nèi)用固定頻率脈沖計數(shù)閉閉合合充充分分放放電電后后斷斷開開。起起始始狀狀態(tài)態(tài)：計計數(shù)數(shù)器器清清零零2S,. 1一一. .工作原理工作原理7-43的的積積分分，積積分分器器作作固固定定時時間間1I1S, 0. 2Tut 設(shè)設(shè)UI為為T1時間內(nèi)時間內(nèi)uI的平均值的平均值IO0I1IO11UuURCTdtRuCuT 即即uI0uO0時，比較器的輸出時，比較器的輸出uC =1； uB 0時，時， uC =0。比較器將積分器的輸出進(jìn)行了量化，。比較器將積分器的

18、輸出進(jìn)行了量化，得到一個串行的數(shù)據(jù)流即位串。得到一個串行的數(shù)據(jù)流即位串。 uC =1時，時，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出轉(zhuǎn)換器的輸出uD =UREF； uC =0時，時， uD =-UREF 。7-49 設(shè)uI=0.6V， UREF=1V， uB和uD的初始電壓為零，則可得各點采樣輸出結(jié)果如表所示。CuDu采采樣樣（V）(V)(V)10.60.6112-0.40.2113-0.4-0.20-141.61.4115-0.41116-0.40.6117-0.40.2118-0.4-0.20-17-50 設(shè)uI=0.6V， UREF=1V， uB和uD的初始電壓為零，則可得各點采樣輸出波形如圖所示。mmUmU

19、u2REF1REFD ）（式中式中m1為為1的個數(shù)，的個數(shù)，m2為為0的的個數(shù)。個數(shù)。7-51二. 電路特點（1）電路簡單，不需要有采樣）電路簡單，不需要有采樣-保持電路，易于保持電路，易于集成集成 。（2）采用過采樣頻率，且閉環(huán)負(fù)反饋回路有噪）采用過采樣頻率，且閉環(huán)負(fù)反饋回路有噪聲抑制作用，其信噪比遠(yuǎn)大于其他聲抑制作用，其信噪比遠(yuǎn)大于其他A/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。 7-527.3.6 ADC的主要技術(shù)參數(shù)的主要技術(shù)參數(shù)一. . 轉(zhuǎn)換精度1. 分辨率：以輸出二進(jìn)制或十進(jìn)制的位數(shù)表示，表征A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號的分辨能力。2. 轉(zhuǎn)換誤差：通常以輸出誤差最大值的形式給出，表示實際輸出的數(shù)字量和理論上應(yīng)

20、有的輸出數(shù)字量之間的差別。二. . 轉(zhuǎn)換速度-取決于電路結(jié)構(gòu)類型并聯(lián)比較型：1uS逐次逼近型：幾100uS/次雙積分型：幾十mS/次7-537.3.7 典型集成典型集成ADC1. ADC08098位逐次漸近型位逐次漸近型ADC8路模擬通道輸入路模擬通道輸入三態(tài)輸出鎖存緩沖器三態(tài)輸出鎖存緩沖器 7-542. AD574A12位逐次漸近型位逐次漸近型ADC，也可用作，也可用作8位位ADC輸入模擬電壓可以是單極性、雙極性輸入模擬電壓可以是單極性、雙極性 7-553. MC144333+1/2位雙積分型位雙積分型ADC速度較慢速度較慢BCD碼數(shù)據(jù)輸出碼數(shù)據(jù)輸出7-56本章小結(jié)（1）本章主要內(nèi)容）本章主

21、要內(nèi)容 本章主要介紹數(shù)本章主要介紹數(shù)/模轉(zhuǎn)換和模模轉(zhuǎn)換和模/數(shù)轉(zhuǎn)換的基本原理、數(shù)轉(zhuǎn)換的基本原理、主要技術(shù)指標(biāo)及幾種常用集成電路。主要技術(shù)指標(biāo)及幾種常用集成電路。 7-57（2）D/A 轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理 D/A 轉(zhuǎn)換是將輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為與之成正轉(zhuǎn)換是將輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為與之成正比的模擬電量。比的模擬電量。 倒倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)型型電阻網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器中，電阻網(wǎng)絡(luò)只轉(zhuǎn)換器中，電阻網(wǎng)絡(luò)只有有R和和2R兩種阻值的電阻，適合集成工藝，因此兩種阻值的電阻，適合集成工藝，因此在集成在集成D/A轉(zhuǎn)換器中應(yīng)用得較多，如轉(zhuǎn)換器中應(yīng)用得較多，如DAC0832。權(quán)電流型權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器中由于使用了恒流源，因此轉(zhuǎn)換

22、器中由于使用了恒流源，因此具有精度高、轉(zhuǎn)換速度快的優(yōu)點，在雙極型單片具有精度高、轉(zhuǎn)換速度快的優(yōu)點，在雙極型單片集成集成D/A轉(zhuǎn)換器中用得較多。轉(zhuǎn)換器中用得較多。7-58（3） A/D 轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理 A/D 轉(zhuǎn)換是將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換為與之成正比轉(zhuǎn)換是將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換為與之成正比的數(shù)字量。的數(shù)字量。 并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型ADC屬于直接轉(zhuǎn)換型，其轉(zhuǎn)換速度最屬于直接轉(zhuǎn)換型，其轉(zhuǎn)換速度最快，但價格貴；雙積分型快，但價格貴；雙積分型ADC屬于間接轉(zhuǎn)換型，其屬于間接轉(zhuǎn)換型，其速度慢，但精度高、抗干擾能力強(qiáng)；逐次逼近型也速度慢，但精度高、抗干擾能力強(qiáng)；逐次逼近型也屬于直接轉(zhuǎn)換型，其速度較快、精度較高、價格適屬于直接轉(zhuǎn)換型，其速度較快、精度較高、價格適中，因而被廣泛采用。中，因而被廣泛采用。-型型A/D轉(zhuǎn)換器采用過采樣轉(zhuǎn)換器采用過采樣頻率，不僅取得了高精度，還能平滑模擬輸入電壓頻率，不僅取得了高精度，還能平滑模擬輸入電壓的噪聲，在數(shù)字音頻領(lǐng)域得到了廣范應(yīng)用。的噪聲，在數(shù)字