第10章 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換

1、 1 %大連理工大學(xué)出版社地址：大連市軟件園路80號發(fā)行-mail : (基礎(chǔ)篇 第二版)新世紀(jì)高職高專教材編審委員會(huì) 組編主編：李春林 鮑祖尚新世紀(jì)高職高專電子信息類課程規(guī)劃教材ISBN 978-7-5611-2314-0 2 績效概述績效管理績效管理實(shí)施過程KPI與BSC第 2 頁 目錄頁 CONTENTS PAGE 目 錄 常用常用半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體器件基本放大電路基本放大電路直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源數(shù)字電路基礎(chǔ)知識數(shù)字電路基礎(chǔ)知識組合邏輯電路組合邏輯電路 負(fù)反饋放大器及集成運(yùn)算放大器負(fù)反饋放大器及集成運(yùn)算放大器脈沖波形的產(chǎn)生和整形脈沖波形的產(chǎn)生和整形大規(guī)模集

2、成電路大規(guī)模集成電路數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)序時(shí)序邏輯電路邏輯電路 3 過渡頁TRANSITION PAGE第 3 頁 第10章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換本章導(dǎo)讀 模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程叫做模數(shù)轉(zhuǎn)換，簡稱A/D，把完成這種功能的電路叫模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱ADC。把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的過程叫做數(shù)模轉(zhuǎn)換，簡稱D/A，完成這種功能的電路叫做數(shù)模轉(zhuǎn)換器，簡稱DAC。本章簡單介紹DAC、ADC的基本工作原理及典型器件。 4 第十章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換10.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）10.1.1 DAC的基本概念數(shù)模轉(zhuǎn)換有兩種轉(zhuǎn)換方式：并行數(shù)模轉(zhuǎn)換和串行數(shù)模轉(zhuǎn)換。數(shù)模轉(zhuǎn)換器是將二進(jìn)制數(shù)字量形式的離散信號轉(zhuǎn)換成以標(biāo)

3、準(zhǔn)量（或參考量）為基準(zhǔn)的模擬量的轉(zhuǎn)換器，簡稱 DAC 。圖圖10-1 數(shù)模轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)框圖數(shù)模轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)框圖圖圖10.2 三位三位DAC示意圖示意圖 5 第十章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換10.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）10.1.1 DAC的基本概念 來自控制器的三位數(shù)字輸入端分別輸入數(shù)字的三位，轉(zhuǎn)換后的對應(yīng)輸出模擬信號從模擬端輸出，送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。三位數(shù)字信號有8種組合，對應(yīng)輸出8個(gè)模擬信號。 6 第十章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換10.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）10.1.1 DAC的基本概念一般地，DAC輸入數(shù)字量與輸出模擬量之間的關(guān)系如下：1. 一個(gè)n位的DAC,共有 個(gè)模擬輸出。2. 若模擬滿度值設(shè)為1，數(shù)字輸入為n位，那么

4、，轉(zhuǎn)換的最小模擬量為 ，即： 1LSB= 3.最小輸出為0，最大輸出為滿度值減1LSB。級： =滿度值-1LSB。若n=3，滿度值為10，則最大輸出模擬電壓為： =滿度值-1LSB=10-10 =8.75（V）n2n21n21maxVmaxV321 7 第十章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換10.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）10.1.2 權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換器1.電路組成圖圖10-4 權(quán)電阻權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 8 第十章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換10.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）10.1.2 權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換器2.工作原理 如圖所示，權(quán)電阻分別是R、2R、4R、8R，電子開關(guān)受四位二進(jìn)制數(shù)控制，當(dāng)二進(jìn)制d3d2d1d0某一位是1

5、時(shí)間，對應(yīng)的開關(guān)閉合，反之，對應(yīng)的開關(guān)斷開。根據(jù)所在的位不同，放大器輸出的電壓是不同的。 9 第十章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換10.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）10.1.3 R-2R T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC1.電路組成 10 第十章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換10.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）10.1.3 R-2R T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC2.工作原理模擬電子開關(guān)受數(shù)字量的相應(yīng)位控制，代碼為0時(shí)，開關(guān)接地，代碼為1時(shí)，開關(guān)接高電平。無論從哪一個(gè)節(jié)點(diǎn)向上或向下看，等效電阻均是R。從d0d3看進(jìn)去，等效輸入電阻都是3R，所以，從每一開關(guān)流入的電流可以認(rèn)為是相等的 11 第十章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換10.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）10.1.4 DAC的

6、主要技術(shù)參數(shù)1、分辨率D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率指最小輸出電壓（對應(yīng)輸入數(shù)字量1）與最大輸出電壓之比。2、線性度通常用非線性誤差的大小表示D/A轉(zhuǎn)換器的線性度。非線性誤差指把理想的輸入/輸出特性的偏差與滿刻度輸出之比的百分?jǐn)?shù)。3、轉(zhuǎn)換速度（建立時(shí)間）D/A轉(zhuǎn)換器從二進(jìn)制數(shù)據(jù)輸入到模擬電壓的穩(wěn)定輸出所需要的時(shí)間，稱為轉(zhuǎn)換速度，也成建立時(shí)間。一般在幾十微秒到幾百微秒之間。 12 第十章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換10.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）10.1.4 DAC的主要技術(shù)參數(shù)4、失調(diào)誤差失調(diào)誤差定義為數(shù)字輸入全為0時(shí)，其模擬輸出值與理想輸出值之偏差。對于單極性D/A轉(zhuǎn)換器，模擬輸出的理想值為0伏，對于雙極性D/A轉(zhuǎn)換

7、，此理想值為負(fù)域滿量程。偏差值的大小一般用LSB的份數(shù)或用偏差值相對于滿量程的百分?jǐn)?shù)表示。5、輸出極性及范圍D/A轉(zhuǎn)換器的輸出范圍與參考電壓有關(guān)。對于電流輸出型的D/A轉(zhuǎn)換器，要用轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換成電壓?？梢姡敵龇秶€與轉(zhuǎn)換電路有關(guān)。輸出極性有單極性和雙極性兩種。 13 第十章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換10.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的裝置就是A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器按其輸出數(shù)字信號的有效位不同可以分為8位、10位、12位、14位、16位和BCD碼輸出的3 位、4 位、5 位等多種；按其轉(zhuǎn)換速度可以分為超高速、（轉(zhuǎn)換時(shí)間1ns）、高速（轉(zhuǎn)換時(shí)間1s）、中速（轉(zhuǎn)換時(shí)間1ms）、低速

8、（轉(zhuǎn)換時(shí)間1s）等幾種。為了適應(yīng)集成的需要有些轉(zhuǎn)換芯片內(nèi)還包括多路轉(zhuǎn)換開關(guān)、時(shí)鐘電路、基準(zhǔn)電壓源和二十進(jìn)制譯碼器等。212121 14 第十章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換10.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）分類如下：A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器直接型直接型間接型間接型逐次逼近型逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器并行并行A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器電壓電壓/時(shí)間變換型時(shí)間變換型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器電壓電壓/頻率變換型頻率變換型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 15 第十章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換10.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）10.2.1 采樣/保持和ADC的基本概念1.采樣/保持的基本概念將隨時(shí)間連續(xù)變換的模擬信號變換成對時(shí)間的離散信號，即采樣，然后通過ADC把離散

9、型號的幅值數(shù)字化，即量化。在時(shí)間t 內(nèi)使采樣時(shí)刻得到的信號幅值保持不變，即保持。 16 第十章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換10.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）10.2.1 采樣/保持和ADC的基本概念（1）采樣/保持電路采樣開關(guān)是一個(gè)電子開關(guān)，受采樣時(shí)鐘脈沖控制，按照時(shí)鐘電平閉合和斷開，電容器C為保持電路，輸出放大器為放大與隔離負(fù)載的作用。（2）工作原理當(dāng)CP=1時(shí)，采樣電子開關(guān)接通，Vt信號被送到C上，C充電（放電）保存Vt的電平。當(dāng)CP=0時(shí)，采樣電子開關(guān)斷開，C上繼續(xù)保持前一個(gè)閉合時(shí)刻得到的Vt 信號電平，直到下一個(gè)采樣循環(huán)CP=1，采集相應(yīng)新的信號電平。 17 第十章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換10.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A

10、DC）10.2.1 采樣/保持和ADC的基本概念圖圖10-8 采樣保持電路示意圖采樣保持電路示意圖圖圖10-9 采樣保持波形采樣保持波形 18 第十章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換10.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）10.2.1 采樣/保持和ADC的基本概念2.ADC的基本概念圖圖10-10 三位三位ADC示意圖示意圖圖圖10-11 三位三位ADC輸入輸出關(guān)系輸入輸出關(guān)系 19 第十章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換10.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）10.2.1 采樣/保持和ADC的基本概念A(yù)DC輸入輸出關(guān)系如下（1）n位ADC有2n個(gè)輸出。（2）最小量化值1LSB為（假設(shè)滿度模擬量為N） 1LSB= 這就是轉(zhuǎn)換器的分辨率。量化精度取決

11、于最小量化值，輸出數(shù)字量的位數(shù)越度多，則量化精度越高。（3）每個(gè)數(shù)字量代表一個(gè)范圍的模擬量，而不是一個(gè)精確地模擬量。例如。三位ADC中，如果滿度模擬量是1，則011代表（ - LSB）V（ + LSB）V, 是中心值。以中心值為基準(zhǔn)，最大量化誤差為1LSB。nN28383832121 20 第十章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換10.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）10.2.1 采樣/保持和ADC的基本概念（4）最大輸出數(shù)字量對應(yīng)的輸入模擬電壓并非滿度模擬電壓，而是： 滿度模擬量（1- ）. 若滿度模擬量為1V，對于三位ADC，111數(shù)字量對應(yīng)的輸出模擬電壓為 1（1- ）= （V）。n2132187 21 第十章數(shù)模

12、與模數(shù)轉(zhuǎn)換10.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）10.2.2 逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器1. 逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換原理圖10-12是逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的原理圖。它由寄存器、D/A轉(zhuǎn)換器、比較器和控制邏輯等組成。 22 第十章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換10.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）10.2.2 逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的主要原理是：將一待轉(zhuǎn)換的模擬信號UIN與一個(gè)推測信號Ui比較，根據(jù)推測信號是大于還是小于輸入信號來決定增大還是減少該推測信號，以便向輸入的模擬的信號靠近，推測信號由D/A轉(zhuǎn)換器輸出獲得，當(dāng)推測信號與模擬信號相等時(shí)，向D/A轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字信號就是該輸入模擬信號的轉(zhuǎn)換結(jié)果。其“推測

13、”的過程如下：使二進(jìn)制計(jì)數(shù)器中（輸出鎖存器）的每一位從最高位起依此置1，每接一位時(shí)，都要進(jìn)行測試。若模擬輸入信號UIN小于推測信號Ui，則比較器輸出為0，并使該位清0；若模擬輸入信號大于推測信號Ui，比較器輸出1，并使該為保持為1。繼續(xù)比較下一位，直到8位比較完成。此時(shí)，D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸入就是我們所需要的數(shù)字信號，至此，整個(gè)轉(zhuǎn)換就完成了。 23 第十章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換10.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）10.2.2 逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器2.集成ADC-ADC0808/0809ADC0808/0801型A/D轉(zhuǎn)換器是8位8路轉(zhuǎn)換芯片，其引腳圖如圖10-13 所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖10-14所示。片內(nèi)帶

14、有鎖存功能的8路模擬多路開關(guān)，可對8路05V的輸入模擬電壓分時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，片內(nèi)具有多路開關(guān)的地址譯碼和鎖存電路、比較器、256R電阻T型網(wǎng)絡(luò)、樹狀電子開關(guān)、逐次逼近寄存器SAR、控制與時(shí)序電路等。輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可以直接與單片機(jī)接口。 圖圖10-13 ADC0809芯片引腳圖芯片引腳圖 24 第十章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換10.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）10.2.3 雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器,由電子開關(guān)、積分器、比較器、計(jì)數(shù)器和邏輯門等部分組成。雙積分就是進(jìn)行一次A/D轉(zhuǎn)換需要進(jìn)行兩次積分。轉(zhuǎn)換時(shí)間，邏輯控制門控制電子開關(guān)把被測電壓V1加到積分器的輸入端，積分器從0V開始，在固定時(shí)

15、間T1內(nèi)對V1進(jìn)行積分（稱為定時(shí)積分），積分的最終值與V1成正比。然后，邏輯控制門將電子開關(guān)換到極性與V1相反的基準(zhǔn)電壓VR上，進(jìn)行反向積分，因?yàn)榛鶞?zhǔn)電壓VR是恒定的，所以積分輸出將以T1期間的積分值為初值，以恒定的斜率下降（稱為定值積分），由比較器檢測到積分輸出過零時(shí)，停止積分器工作，反向積分的時(shí)間T2與定時(shí)積分的終值成比例關(guān)系，有： 25 第十章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換10.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）10.2.3 雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器 26 第十章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換10.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）10.2.3 雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器雙積分DAC具有以下特點(diǎn)：（1）由于采用了去測量電壓平均值的原理，因此具有很強(qiáng)的工頻抗

16、干擾能力。尤其對等于T1或幾分之一T1的對稱干擾，即對整個(gè)周期內(nèi)平均值為零的干擾，理論上說，有無窮大的抑制能力。（2）由于在轉(zhuǎn)換過程中，前后兩次采用的是同一積分器。因此，在兩次積分期間(一般為幾十至幾百毫秒)，R、C和脈沖源等器件參數(shù)變化可以忽略，即使這些參數(shù)的長期穩(wěn)定性不好，也不會(huì)影響其轉(zhuǎn)換精度。 （3）在工業(yè)系統(tǒng)中，經(jīng)常發(fā)生工頻或工頻的倍頻干擾，若選取T1為工頻電源周期的倍數(shù)，如20ms、40ms等，則可以有效抑制干擾。 27 第十章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換10.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）10.2.4 并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器直接A/D轉(zhuǎn)換器能把輸入的模擬電壓直接轉(zhuǎn)換成輸出的數(shù)字量而不需要經(jīng)過中間變量.常用的電

17、路有并聯(lián)比較型和反饋比較型兩類。圖圖10-17 直接直接ADC示意圖示意圖 28 第十章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換10.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）10.2.4 并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器表10-3三位并行A/D轉(zhuǎn)換器輸入與輸出轉(zhuǎn)換關(guān)系對照表REFV151REFV151REFV153REFV153REFV155REFV155REFV157REFV157REFV159REFV159REFV1511REFV1511REFV1513REFV1513REFV 29 第十章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換10.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）10.2.4 并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器CCCCCCC4CCCCO4CCCRRRRRRRR/2VREFVREFREFVVREFV

18、REF15151515131131DQQC11D1D碼QD(MSB)編1DQ先2QQQ1D1D優(yōu)C1器C11D01D(LSB)C11C1C1C1DICPv電壓比較器寄存器代碼轉(zhuǎn)換器O7O1O2O6O5O31762531234567IIIIIII7654321圖圖10-18 三位并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器三位并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器 30 第十章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換10.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）10.2.5 ADC主要技術(shù)參數(shù)1.分辨率A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率表示輸出數(shù)字量變化一個(gè)相鄰數(shù)碼所需輸入電壓的變化量。習(xí)慣上以二進(jìn)制位數(shù)或以BCD碼位數(shù)表示。例如，分辨率為10位的A/D轉(zhuǎn)換器表示該轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)據(jù)可以用210個(gè)二進(jìn)制數(shù)

19、進(jìn)行量化。2量化誤差量化誤差是由A/D轉(zhuǎn)換器的有限分辨率而引起的誤差，在不計(jì)其它誤差的情況下，一個(gè)分辨率有限的A/D轉(zhuǎn)換器的階梯狀轉(zhuǎn)移特性曲線與具有無限分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換特性曲線之間的最大誤差，稱為量化誤差。分辨率高的轉(zhuǎn)換器具有較小的量化誤差。 31 第十章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換10.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）10.2.5 ADC主要技術(shù)參數(shù)3轉(zhuǎn)換精度A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度反映了一個(gè)實(shí)際A/D轉(zhuǎn)換器在量化值上與一個(gè)理想的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的差值，可表示成絕對誤差或相對誤差，與一般測試儀表的定義相似。4轉(zhuǎn)換時(shí)間與轉(zhuǎn)換速度A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間成為轉(zhuǎn)換時(shí)間。轉(zhuǎn)換速度是轉(zhuǎn)換時(shí)間的倒

20、數(shù)。 32 第十章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換10.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）10.2.6 電子模擬開關(guān)1.電子模擬開關(guān)基本概念模擬開關(guān)(有時(shí)簡稱為“開關(guān)”)是根據(jù)數(shù)字控制信號的電平切換或路由模擬信號(信號可以是規(guī)定范圍內(nèi)的任何電平)的開關(guān)器件。通常由“傳輸門電路”構(gòu)成，模擬開關(guān)的功能類似于繼電器。模擬開關(guān)是一種三穩(wěn)態(tài)電路，它可以根據(jù)選通端的電平，決定輸人端與輸出端的狀態(tài)。當(dāng)選通端處在選通狀態(tài)時(shí)，輸出端的狀態(tài)取決于輸人端的狀態(tài)；當(dāng)選通端處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，則不管輸人端電平如何，輸出端都呈高阻狀態(tài)。模擬開關(guān)在電子設(shè)備中主要起接通信號或斷開信號的作用。 33 第十章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換10.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）10.2

21、.6 電子模擬開關(guān)模擬開關(guān)具有以下特性：（1）信號可雙向傳輸模擬開關(guān)大多可以使信號雙向傳輸，如果忽略這一點(diǎn)，就很容易使電路生成問題，比如將電壓反向偏置、電流倒灌等。（2）開關(guān)斷開后漏電流極小模擬開關(guān)在斷開(OFF)時(shí)會(huì)呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，兩傳輸端間的漏電流極小，一般只有納安級以下，如SGM3001、SGM3002和SGM3005系列模擬開關(guān)，其斷開后的漏電流均為1nA。這么微弱的電流在應(yīng)用中可忽略不計(jì)，模擬開關(guān)此時(shí)可被認(rèn)為是理想斷開的。 34 第十章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換10.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）10.2.6 電子模擬開關(guān)2.數(shù)模轉(zhuǎn)換器和模數(shù)轉(zhuǎn)換其中的電子模擬開關(guān)數(shù)模轉(zhuǎn)換器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器中的電子開關(guān)分為CMOS電子開關(guān)和雙極型電子開關(guān)兩大類，CMOS型模擬開關(guān)轉(zhuǎn)換速度較低，建立時(shí)間較長，如5G7520芯