第八章模擬量與數(shù)字量的相互轉(zhuǎn)換

1、一、數(shù)一、數(shù)/模和模模和模/數(shù)器是模擬、數(shù)字系統(tǒng)間的橋梁數(shù)器是模擬、數(shù)字系統(tǒng)間的橋梁模模 / 數(shù)數(shù)（A / D）轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換:Analog to Digital Converter （ADC）數(shù)數(shù) / 模（模（）轉(zhuǎn)換）轉(zhuǎn)換:Digital to Analog Converter （DAC）數(shù)字計(jì)算機(jī)數(shù)字計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)模擬系統(tǒng)A/DD/A二進(jìn)制二進(jìn)制線性線性存儲(chǔ)存儲(chǔ)分析分析控制控制物理物理 生物生物 化學(xué)化學(xué)二、二、 常見常見數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用系統(tǒng)舉例數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用系統(tǒng)舉例壓力傳感器壓力傳感器溫度傳感器溫度傳感器流量傳感器流量傳感器四四路路模模擬擬開開關(guān)關(guān)數(shù)數(shù)字字控控制制計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)DAC模

2、擬控制器模擬控制器模擬控制器模擬控制器液位傳感器液位傳感器DACDAC模擬控制器模擬控制器模擬控制器模擬控制器生生 產(chǎn)產(chǎn) 控控 制制 對(duì)對(duì) 象象DACADC三、三、A / D、D / A 轉(zhuǎn)換器的精度和速度轉(zhuǎn)換器的精度和速度精度精度保證轉(zhuǎn)換的保證轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性速度速度保證保證適時(shí)控制適時(shí)控制1.1 D / A轉(zhuǎn)換的基本要求轉(zhuǎn)換的基本要求1. D / A轉(zhuǎn)換思路轉(zhuǎn)換思路d0d1dn-1uO或或iOn 位位二進(jìn)制二進(jìn)制如如 ( (1101) )213148212121023 10210niiidN可利用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)運(yùn)算可利用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)運(yùn)算2. 轉(zhuǎn)換特性轉(zhuǎn)換特性DuO/V765432100

3、1 010 011 100 101 110 111一、輸入、輸出關(guān)系框圖一、輸入、輸出關(guān)系框圖二、二、D/A 轉(zhuǎn)換的電路組成（倒置轉(zhuǎn)換的電路組成（倒置R-2R T型網(wǎng)絡(luò)）型網(wǎng)絡(luò)）RRR2R2R2R2RUREFS0S1S2d0d0d1d2d1d2電子電子開關(guān)開關(guān)電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò)求和運(yùn)放求和運(yùn)放當(dāng)當(dāng) d2d1d0 = 100,II / 2I / 4I / 8I/2I = UREF / RRIu2O RRU2REF 23REF212 UuO三、工作原理三、工作原理當(dāng)當(dāng) d2d1d0 = 110,IRRR2R2R2R2RUREFuOI / 2I / 4I / 8RIIu)42(O )2121(2123

4、REF URRURU)42(REFREF 當(dāng)當(dāng) d2d1d0 = 111,IRRR2R2R2R2RUREFuOI / 2I / 4I / 8RIIIu)842(O )212121(20123REF URRURURU)842(REFREFREF 表達(dá)的一般形式表達(dá)的一般形式)222(20011223REFO dddUu三、輸入為三、輸入為 n 位二進(jìn)制數(shù)時(shí)的表達(dá)式位二進(jìn)制數(shù)時(shí)的表達(dá)式當(dāng)當(dāng) D = dn-1 dn-2 d1 d0 )22.2(2001111REFO dddUunnnDKDUun uREFO2Ku 轉(zhuǎn)換比例系數(shù)轉(zhuǎn)換比例系數(shù)nUK2REFu 1.2 DAC 的轉(zhuǎn)換精度、和主要參數(shù)的轉(zhuǎn)換

5、精度、和主要參數(shù)一、轉(zhuǎn)換精度一、轉(zhuǎn)換精度指指 D/A 轉(zhuǎn)換器模擬輸轉(zhuǎn)換器模擬輸出產(chǎn)生的最小電壓變化量出產(chǎn)生的最小電壓變化量與滿刻度輸出電壓之比，與滿刻度輸出電壓之比，也可用輸入的位數(shù)表示。也可用輸入的位數(shù)表示。為實(shí)際輸出模擬電壓與理想輸出模擬電壓間的最為實(shí)際輸出模擬電壓與理想輸出模擬電壓間的最大誤差。大誤差。 ULSBUFSR=12n1分辨率分辨率=LSB Least Significant Bit( (二二) )轉(zhuǎn)換誤差轉(zhuǎn)換誤差可用占輸出電壓滿刻度值的百分?jǐn)?shù)表示或可用最可用占輸出電壓滿刻度值的百分?jǐn)?shù)表示或可用最低有效位（低有效位（LSB）的倍數(shù)表示。）的倍數(shù)表示。如如: （LSB）= 輸入為

6、輸入為 0001 時(shí)輸出模擬電壓時(shí)輸出模擬電壓的一半。的一半。( (一一) )分辨率分辨率（Resolution）FSR Full Scale Range二、主要參數(shù)二、主要參數(shù)D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 5G7520 的主要參數(shù)的主要參數(shù)參數(shù)名稱參數(shù)名稱單單 位位參數(shù)值參數(shù)值分辨率分辨率位位10非線性度非線性度轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間UREF全量程的全量程的 % 0.05 %ns 500VV電源電壓電源電壓25 +255 35功功 耗耗mW 20溫度系數(shù)溫度系數(shù)FSR 106/CuI(t)CADC的的量化編碼量化編碼電路電路dn-1d1d0u I(t)S模擬量模擬量數(shù)字量數(shù)字量量化編碼量化編碼取樣：取樣：

7、把時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)變換為時(shí)間離散的信號(hào)。把時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)變換為時(shí)間離散的信號(hào)。保持：保持：保持取樣信號(hào)保持取樣信號(hào),使有充分時(shí)間將其變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。使有充分時(shí)間將其變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。取樣保持取樣保持（S / H Sample / Hold）當(dāng)滿足當(dāng)滿足 fs 2 fimax 時(shí)時(shí), 取樣信號(hào)可恢復(fù)原信號(hào)。取樣信號(hào)可恢復(fù)原信號(hào)。fs 取樣頻率。取樣頻率。 fimax 信號(hào)的最高頻率分量。信號(hào)的最高頻率分量。 tOuIuI tO三、量化和編碼三、量化和編碼量化單位量化單位數(shù)字信號(hào)最低位數(shù)字信號(hào)最低位LSB所對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)大小，所對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)大小，用用 表示（即表示（即 1 ）。）。量化量化把取樣

8、后的保持信號(hào)化為量化單位的整數(shù)倍。把取樣后的保持信號(hào)化為量化單位的整數(shù)倍。量化誤差量化誤差因模擬電壓不一定能被因模擬電壓不一定能被 整除而引起的誤差。整除而引起的誤差。編碼編碼把量化的數(shù)值用二進(jìn)制代碼表示。把量化的數(shù)值用二進(jìn)制代碼表示。劃分量化電平的兩種方法劃分量化電平的兩種方法01V1/82/83/84/85/86/87/8000001010011100101110111模擬模擬電平電平二進(jìn)制二進(jìn)制代碼代碼代表的代表的模擬電平模擬電平0 = 01 = 1/82 = 2/83 = 3/84 = 4/85 = 5/86 = 6/87 = 7/ 81V1/153/155/157/159/15 11

9、/15 13/150000010100111001011101110模擬模擬電平電平二進(jìn)制二進(jìn)制代碼代碼代表的代表的模擬電平模擬電平0 = 01 = 2/152 = 4/153 = 6/154 =8/155 = 10/156 = 12/157 =14/15最大量化誤差最大量化誤差 = = (1 / 8) V = / 2 = (1/15)V2.2 取樣取樣 - 保持電路保持電路電路組成及工作原理電路組成及工作原理當(dāng)當(dāng) uL 為為高高電平：電平：RfChRiuIuOuLTRf = RiT 導(dǎo)通，導(dǎo)通，Ch 充電至：充電至：uO = uI = uC當(dāng)當(dāng) uL 為為低低電平：電平：T 截止，截止，Ch

10、 基本不放電。基本不放電。uO 保持保持一一 、基本工作原理電路、基本工作原理電路D/AuI逐次漸近逐次漸近寄存器寄存器比較器比較器參考參考電源電源時(shí)鐘時(shí)鐘信號(hào)信號(hào)MSBLSBMSBLSB并行數(shù)字輸出并行數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換控制信號(hào)轉(zhuǎn)換控制信號(hào)10003.2V8V101117V01106V01015V01004V00113V000112.3 逐次漸近型逐次漸近型 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器讀出控制讀出控制控制邏輯控制邏輯電路電路逐次漸近逐次漸近寄存器寄存器比比較較器器 二、轉(zhuǎn)換過程舉例二、轉(zhuǎn)換過程舉例3 位位 D/AQ1S1Rd0 +CPd1d2 1Q1S1RFFBFFC1 d0d1d2uIuOuCC5位環(huán)

11、行移位寄存器位環(huán)行移位寄存器Q1Q2 Q3Q4Q5QFFA1S1R /2輸出偏移輸出偏移Q n+1 1 1 1 0 0 1 0 0功能功能R SQ n10不用不用保持保持置置1置置0不許不許CP 12345Q1 Q2Q3 Q4 Q5QA QB QCuI/VuO/V u O/VuCd2 d1 d00 0 0 0 1 0 0 05.90 0.500 0 01 0 0 0 01 0 043.500 0 00 1 0 0 0 1 1 065.500 0 00 0 1 0 0 1 1 176.510 0 00 0 0 1 01 1 065.500 0 00 0 0 0 1 1 1 065.501 1 0

12、7.2.6 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度一、轉(zhuǎn)換精度一、轉(zhuǎn)換精度分辨率分辨率1. 用二進(jìn)制或十進(jìn)制位數(shù)表示用二進(jìn)制或十進(jìn)制位數(shù)表示( (設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)) )LSB變化一個(gè)數(shù)碼時(shí)，對(duì)應(yīng)輸入模擬量的變化量變化一個(gè)數(shù)碼時(shí)，對(duì)應(yīng)輸入模擬量的變化量 ( (測(cè)量參數(shù)測(cè)量參數(shù)) )如最大輸出電壓為如最大輸出電壓為 5 V 的的 8 位位 A/D的分辨率為：的分辨率為：mV 6 .192/V58 轉(zhuǎn)換誤差：轉(zhuǎn)換誤差：表示實(shí)際輸出與理想輸出數(shù)字量的差別表示實(shí)際輸出與理想輸出數(shù)字量的差別以相對(duì)誤差的形式（以相對(duì)誤差的形式（LSB的倍數(shù)的倍數(shù)）給出。）給出。如：如：相對(duì)誤差不大于（

13、相對(duì)誤差不大于（1/2）LSB二、轉(zhuǎn)換速度二、轉(zhuǎn)換速度并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型 逐次比較型逐次比較型 雙積分型雙積分型一、一、D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器1. 功能：功能：將輸入的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成與之成正比將輸入的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成與之成正比的模擬電量。的模擬電量。2. 種類：種類：權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、R - 2R T 形電阻網(wǎng)絡(luò)和形電阻網(wǎng)絡(luò)和 R - 2R 倒倒 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。實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換有多種方式，常用的是實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換有多種方式，常用的是電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò) D/A 轉(zhuǎn)換器，包括轉(zhuǎn)換器，包括 其中以其中以 R - 2R 倒倒 T 形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò) D/A 轉(zhuǎn)換器為重點(diǎn)

14、作了詳轉(zhuǎn)換器為重點(diǎn)作了詳細(xì)介紹，它的特點(diǎn)是速度快、性能好，適合于集成工藝制造，細(xì)介紹，它的特點(diǎn)是速度快、性能好，適合于集成工藝制造，因而被廣泛采用。因而被廣泛采用。3. 分辨率和轉(zhuǎn)換精度：分辨率和轉(zhuǎn)換精度： 與與 D/A 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換器的位數(shù)位數(shù)有關(guān)，位數(shù)越多，分辨率和精度越高。有關(guān)，位數(shù)越多，分辨率和精度越高。二、二、A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器1. 功功 能：能： 將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與之成正比將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與之成正比的二進(jìn)制數(shù)。的二進(jìn)制數(shù)。2. 轉(zhuǎn)換過程：轉(zhuǎn)換過程： 采樣、保持、量化、編碼。采樣、保持、量化、編碼。采樣采樣 保持保持電路電路A / D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器采樣采樣 - 保持電路：保持電路： 對(duì)輸入模擬信號(hào)抽取樣值，并展寬（保持）。對(duì)輸入模擬信號(hào)抽取樣值，并展寬（保持）。采樣時(shí)必須滿足采樣定理，即采樣時(shí)必須滿足采樣定理，即 fs 2 fImax 。量化量化 對(duì)樣值脈沖進(jìn)行分級(jí)。對(duì)樣值脈沖進(jìn)行分級(jí)。編碼編碼 將分級(jí)后的信號(hào)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制代碼。將分級(jí)后的信號(hào)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制代碼。A / D 轉(zhuǎn)換器：轉(zhuǎn)換器：二、二、A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器3. 種類：種類：直接轉(zhuǎn)換型和間接轉(zhuǎn)換型。直接轉(zhuǎn)換型和間接轉(zhuǎn)換型。直接轉(zhuǎn)換型直接轉(zhuǎn)換型 并聯(lián)比較型（速度快、精度低）并聯(lián)比較型（速度快、精度低