第17章 AD和DA轉(zhuǎn)換

1、第十七章 AD 和 DA 轉(zhuǎn)換17.117.217.3D/A轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換模-數(shù)和數(shù)-模轉(zhuǎn)換概述17.1 模-數(shù)和數(shù)-模轉(zhuǎn)換概述p 知識點復(fù)習(xí)知識點復(fù)習(xí)理想運放的性能指標(biāo)理想運放的性能指標(biāo) 開環(huán)差模增益：Aod = 差模輸入電阻：rid = 輸出電阻： rod = 0 0 共模抑制比：KCMR = 上限截止頻率：fH = 失調(diào)電壓（流）均為零，它們的溫漂均為零，無任何內(nèi)部噪聲17.1 模-數(shù)和數(shù)-模轉(zhuǎn)換概述p 知識點復(fù)習(xí)知識點復(fù)習(xí)理想運放的線性工作區(qū)理想運放的線性工作區(qū) A+-uPuouNuiuo+UOM-UOM 線性放大區(qū)線性放大區(qū)飽和區(qū)例：若Ec=12V，Ao=106，則 |uP - -

2、uN | VREFVTH時，時，S接通；接通；當(dāng)當(dāng)vL VREFVTH時，時，S斷開；斷開；VTH為閾值電壓，約為為閾值電壓，約為1.4V。17.3 A/D 轉(zhuǎn)換p A/DA/D轉(zhuǎn)換的基本原理轉(zhuǎn)換的基本原理D1和和D2構(gòu)成保護(hù)電路，當(dāng)保持時總有一個二極管是導(dǎo)通的，構(gòu)成保護(hù)電路，當(dāng)保持時總有一個二極管是導(dǎo)通的，保護(hù)開關(guān)電路不受過高的電壓；保護(hù)開關(guān)電路不受過高的電壓；當(dāng)取樣時，兩個二極管都截止，保護(hù)電路不起作用。當(dāng)取樣時，兩個二極管都截止，保護(hù)電路不起作用。17.3 A/D 轉(zhuǎn)換p A/DA/D轉(zhuǎn)換的基本原理轉(zhuǎn)換的基本原理VOS是失調(diào)電壓輸入端，此段可以通過外接電阻調(diào)整輸出電是失調(diào)電壓輸入端，此段

3、可以通過外接電阻調(diào)整輸出電壓的零點，使得壓的零點，使得vI=0時時 , vo=0 。p A/DA/D轉(zhuǎn)換的基本原理轉(zhuǎn)換的基本原理17.3 A/D 轉(zhuǎn)換量化和編碼量化和編碼量化單位：任意數(shù)字量的大小規(guī)定為最小數(shù)量單位的整數(shù)倍，用表示（即 1 ）。量化：把取樣后的保持信號化為量化單位的整數(shù)倍。量化誤差：因模擬電壓不一定能被 整除而引起的誤差。編碼：把量化的數(shù)值用二進(jìn)制代碼表示。劃分量化電平的方法劃分量化電平的方法p A/DA/D轉(zhuǎn)換的基本原理轉(zhuǎn)換的基本原理17.3 A/D 轉(zhuǎn)換01V1/82/83/84/85/86/87/80000010100111001011101110 = 01 = 1/82

4、 = 2/83 = 3/84 = 4/85 = 5/86 = 6/87= 7/ 81V1/153/155/157/159/15 11/15 13/150000010100111001011101110最大量化誤差 ： = (1 / 8) V ： / 2 = (1/15)V0 = 01 = 2/152 = 4/153 = 6/154 =8/155 = 10/156 = 12/157 =14/15p A/DA/D轉(zhuǎn)換的基本原理轉(zhuǎn)換的基本原理17.3 A/D 轉(zhuǎn)換01V1/82/83/84/85/86/87/80000010100111001011101110 = 01 = 1/82 = 2/83

5、= 3/84 = 4/85 = 5/86 = 6/87= 7/ 8 只舍不入量化方式以以3位位A/D轉(zhuǎn)換器為例轉(zhuǎn)換器為例量化單位量化單位1/8 V若 ui 0, 1/8V )量化為: 0若 ui 1/8, 2/8V )編碼為:001向下取整向下取整量化誤差為： 編碼為:000量化為: 1p A/DA/D轉(zhuǎn)換的基本原理轉(zhuǎn)換的基本原理17.3 A/D 轉(zhuǎn)換 四舍五入量化方式以以3位位A/D轉(zhuǎn)換器為例轉(zhuǎn)換器為例量化單位量化單位2/15 V若 ui 0, 1/15V )量化為:0若 ui 1/15, 3/15V )量化為: 1四舍五入四舍五入量化誤差為： 1/2 1V1/153/155/157/159

6、/15 11/15 13/1500000101001110010111011100 = 01 = 2/152 = 4/153 = 6/154 =8/155 = 10/156 = 12/157 =14/15編碼為:000編碼為:001p 并聯(lián)比較型ADCADC17.3 A/D 轉(zhuǎn)換將輸入模擬電壓直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，不經(jīng)過中間變量。構(gòu)成構(gòu)成：電壓比較器、寄存器和代碼轉(zhuǎn)換電路三部分組成。不包括取樣保持電路，即假定輸入的模擬電壓 vI為取樣保持電路的輸出。輸入為 0VREF 間的模擬電壓，輸出為3位二進(jìn)制代碼d2d1d0。p 并聯(lián)比較型ADCADC17.3 A/D 轉(zhuǎn)換7 7個串聯(lián)電阻將基準(zhǔn)電壓V VR

7、EFREF分成 1/1513/15 V VREF REF 8 8個參考電壓，其中前 7 7個電壓分別接的7 7個比較器的反相輸入端；輸入 uI 同時接到比較器的同相輸入端，與參考電壓比較。p 并聯(lián)比較型ADCADC17.3 A/D 轉(zhuǎn)換采用第二種量化方案1 = 2VREF / 15p 并聯(lián)比較型ADCADC17.3 A/D 轉(zhuǎn)換代碼轉(zhuǎn)換為組合邏輯電路p 并聯(lián)比較型ADCADC17.3 A/D 轉(zhuǎn)換工作過程：則比較器輸出均為低電平，當(dāng)CLK上升沿到來后，所有的觸發(fā)器狀態(tài)置成0，即 d2 d1 d0000若若p 并聯(lián)比較型ADCADC17.3 A/D 轉(zhuǎn)換工作過程：若若則比較器C1輸出為高電平，其

8、他為低電平。當(dāng)CLK上升沿到來后，觸發(fā)器的狀態(tài)置成0000001，則d2 d1 d0001。依此類推。依此類推。p 并聯(lián)比較型ADCADC17.3 A/D 轉(zhuǎn)換1. 優(yōu)點優(yōu)點是轉(zhuǎn)換速度快，轉(zhuǎn)換時間可達(dá)是轉(zhuǎn)換速度快，轉(zhuǎn)換時間可達(dá)50ns以下。另外此以下。另外此電路可不用取樣保持電路，因為比較器和寄存器有這電路可不用取樣保持電路，因為比較器和寄存器有這樣的功能；樣的功能；特點：特點：2. 缺點缺點是需要較多的電壓比較器和觸發(fā)器是需要較多的電壓比較器和觸發(fā)器, n 位需要位需要2n-1個個比較器；比較器；3. 精度精度主要取決于量化電平的劃分，劃分越細(xì)，精度越高，主要取決于量化電平的劃分，劃分越細(xì)，

9、精度越高，但所用的比較器和觸發(fā)器的數(shù)目越多。另外轉(zhuǎn)換精度與參但所用的比較器和觸發(fā)器的數(shù)目越多。另外轉(zhuǎn)換精度與參考電壓、電阻及運放也有關(guān)?？茧妷?、電阻及運放也有關(guān)。p 反饋比較型ADCADC17.3 A/D 轉(zhuǎn)換原理：取一個數(shù)字量加到D/A轉(zhuǎn)換器上，則可得到一個對應(yīng)的輸出模擬電壓。將這個模擬電壓和輸入的模擬電壓信號相比較。如果兩者不相等，則調(diào)整所取得數(shù)字量，直到兩個模擬電壓相等為止，最后所取得數(shù)字量即為所求的轉(zhuǎn)換結(jié)果。分類：計數(shù)型和逐次漸進(jìn)型。p 計數(shù)型ADCADC17.3 A/D 轉(zhuǎn)換構(gòu)成：比較器C、D/A轉(zhuǎn)換器、計數(shù)器、脈沖源、控制門G以及輸出寄存器。p 計數(shù)型ADCADC17.3 A/D

10、轉(zhuǎn)換原理：當(dāng)前計數(shù)器的計數(shù)結(jié)果經(jīng)過DAC得得到 vo，與輸入電壓進(jìn)行比較，比較結(jié)果來決定是否封鎖控制門G。最后寄存器輸出最終的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果。p 計數(shù)型ADCADC17.3 A/D 轉(zhuǎn)換特點：特點： 優(yōu)點：電路結(jié)構(gòu)簡單； 缺點：轉(zhuǎn)換時間長；n位DAC的最長轉(zhuǎn)換時間是時鐘的2n-1倍； 應(yīng)用：對轉(zhuǎn)換速度要求不高的場合。p 逐次漸近型ADCADC17.3 A/D 轉(zhuǎn)換逼近次數(shù)砝碼比 較砝碼的去留轉(zhuǎn)換結(jié)果假設(shè)有一個13g的重物，有砝碼 8g、4g、2g、1g。1 8g 8g13g 留留 1000 2 4g 4+8g13g 去去 1100 4 1g 1+4+8g=13g 留留 1101 折半查找算法折半

11、查找算法p 逐次漸近型ADCADC17.3 A/D 轉(zhuǎn)換組成: 比較器C、D/A轉(zhuǎn)換器、寄存器、時鐘脈沖源和控制邏輯等。工作原理： 轉(zhuǎn)換前寄存器清零；vL 為高電平時開始轉(zhuǎn)換，時鐘信號將寄存器的最高位置為1，寄存器輸出1000； 該值經(jīng)DAC后加載到比較器的同向輸入端；p 逐次漸近型ADCADC17.3 A/D 轉(zhuǎn)換組成: 比較器C、D/A轉(zhuǎn)換器、寄存器、時鐘脈沖源和控制邏輯等。工作原理： 若vo vI ，則去掉這個1; 若vo vI ，則保留這個1 ； 然后再將次高位設(shè)置成1 ，再進(jìn)行比較，逐位比較下去，直到最低位為止； 最后，寄存器所存的數(shù)碼即為 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果；p 逐次漸近型ADCAD

12、C17.3 A/D 轉(zhuǎn)換FF1FF5構(gòu)成順序脈沖發(fā)生器FFAFFC構(gòu)成3位數(shù)碼寄存器，其輸出為三位二進(jìn)制數(shù)d2d1d0.G1G9組成控制邏輯電路p 逐次漸近型ADCADC17.3 A/D 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換時間比計數(shù)器型的要少(n+2個脈沖），），轉(zhuǎn)換速度高，當(dāng)然比并聯(lián)型的要低，但電路要簡單的多；特點：特點：目前是集成ADC中用的最多的一種電路；p 雙積分型ADCADC17.3 A/D 轉(zhuǎn)換雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器屬于間接A/D轉(zhuǎn)換器 VT變換型：將輸入的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成與之成正比的時間寬度信號，然后在這個時間寬度里對固定頻率的時鐘脈沖計數(shù)，計數(shù)的結(jié)果就是正比于輸入模擬電壓的數(shù)字信號。 VF變換型：將輸入

13、的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成與之成正比的頻率信號，然后在一個固定的時間間隔里對得到的頻率信號計數(shù)，計數(shù)的結(jié)果就是正比于輸入模擬電壓的數(shù)字信號。p 雙積分型ADCADC17.3 A/D 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換開始前 vL=0 將計數(shù)器清零，并接通開關(guān)So，使電容完全放電。當(dāng) vL=1 ，S0斷開，轉(zhuǎn)換開始，其步驟如下p 雙積分型ADCADC17.3 A/D 轉(zhuǎn)換a. 使開關(guān)S1接到輸入信號vI 一側(cè):積分器對vI在固定時間T1進(jìn)行積分，其輸出電壓為： 若T1固定, 積分器的輸出電壓vo與輸入電壓vI 成正比 p 雙積分型ADCADC17.3 A/D 轉(zhuǎn)換b. 開關(guān) S1 接在 VREF :此時積分器反向積分若設(shè)積分器

14、輸出電壓到零時所需時間為T2，則p 雙積分型ADCADC17.3 A/D 轉(zhuǎn)換若計數(shù)器在時間T2內(nèi)對固定頻率fC（ fC1/TC）的時鐘脈沖進(jìn)行計數(shù)，則計數(shù)結(jié)果也一定與vI 成正比。即設(shè)T1=NTC，則p 雙積分型ADCADC17.3 A/D 轉(zhuǎn)換p 雙積分型ADCADC17.3 A/D 轉(zhuǎn)換特點：特點： 優(yōu)點：工作性能穩(wěn)定；抗干擾能力強； 缺點：轉(zhuǎn)換時間長；n位DAC的轉(zhuǎn)換時間是2n+1TC ；轉(zhuǎn)換速度一般都在每秒幾十次以內(nèi) 應(yīng)用：對轉(zhuǎn)換速度要求不高的場合。p 雙積分型ADCADC17.3 A/D 轉(zhuǎn)換p 雙積分型ADCADC17.3 A/D 轉(zhuǎn)換V-F變換型A/D轉(zhuǎn)換器V-F變換型ADC的

15、構(gòu)成：VF變換器（壓控振蕩器）、計數(shù)器及其時鐘信號控制閘門、寄存器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器等組成p 雙積分型ADCADC17.3 A/D 轉(zhuǎn)換V-F變換型A/D轉(zhuǎn)換器當(dāng)vG變成高電平后轉(zhuǎn)換開始。VF變換器輸出的脈沖通過門G加到計數(shù)器進(jìn)行計數(shù)。由于VF變換器輸出頻率fout與輸入電壓vI成正比，故在每個固定脈寬TG時間內(nèi)記錄的脈沖數(shù)目也與輸入的電壓vI成正比p 雙積分型ADCADC17.3 A/D 轉(zhuǎn)換特點：特點： 優(yōu)點：轉(zhuǎn)換精度高；抗干擾能力強； 缺點：轉(zhuǎn)換速度慢； 應(yīng)用：常用于遙測、遙控系統(tǒng)中。V-F變換型A/D轉(zhuǎn)換器p ADC ADC的的轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換精度精度17.3 A/D 轉(zhuǎn)換在單片集成的A/D轉(zhuǎn)換器

16、中轉(zhuǎn)換精度采用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述。A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率是輸出二進(jìn)制數(shù)或十進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示。它表示A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號的分辨能力。轉(zhuǎn)換誤差是以輸出誤差的最大值形式給出。它表示A/D轉(zhuǎn)換器實際輸出的數(shù)字量和理論上應(yīng)有的輸出數(shù)字量之間的差別。p ADC ADC的的轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度17.3 A/D 轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度是用轉(zhuǎn)換時間來描述。轉(zhuǎn)換時間定義為A/D轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控制信號到來時起，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號所經(jīng)過的時間。 A/D轉(zhuǎn)換器類型不同，轉(zhuǎn)換速度差別很大。其中并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最快，次之的是逐位漸近型A/D轉(zhuǎn)換器，間接A/D轉(zhuǎn)換器的速度最慢。在實際應(yīng)用中，應(yīng)從系統(tǒng)數(shù)據(jù)總的位數(shù)、精度要求、輸入模擬信號的范圍及輸出