模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器

1、第一節(jié)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器111.1 11.1 概述概述 11.3 A/D11.3 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 11.2 D/A11.2 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器第一節(jié)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器2第一節(jié)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器311.1、 概述第一節(jié)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器4第一節(jié)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器53REF3dRVI ）時(shí)時(shí)，時(shí)時(shí)001(33REF33 IdRVId2REF22dRVI 12REF12dRVI 03REF02dRVI 二、權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器oFF0123()vR iRIIII OvA0S1S2S3S0I1I2I3I0d1d2d3d(LSB)(MSB)VViF( /2)R RRR2R22R32REFV第一節(jié)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)

2、換器6OFF3210()vR iR IIII ）（001122334REFO22222ddddVv nREF00112211nREFO222222DVddddVvnnnnn ）（3REF3dRVI 2REF22dRVI 12REF12dRVI 03REF02dRVI 取取RF = R/2 ，得，得對(duì)對(duì)n位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器取轉(zhuǎn)換器取RF = R/2 ，得，得第一節(jié)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器7A0S1S2S3S0I1I2I3I0d1d2d3dREFV(LSB)(MSB)VVOviF( /2)R RRR2R22R32第一節(jié)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器8三. 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器A0S1S2S3S4

3、I16I8IR20d1d2d3dREFV(LSB)(MSB)VVOviRR2R2R2R2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2I2I4I8I16II第一節(jié)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器9R2R2R2R2R2RRR16/I8/I4/I2/I2/I4/I8/I16/IIi0VREFVABCDABCD計(jì)算倒計(jì)算倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)支路電流的等效電路形電阻網(wǎng)絡(luò)支路電流的等效電路可計(jì)算出各支路中的電流可計(jì)算出各支路中的電流:RVIREF每個(gè)支路的電流依次為：每個(gè)支路的電流依次為：4I8I2I16I第一節(jié)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器10012316842dIdIdIdIi nnnnnnnDVddddVv2)2222(2REF00

4、112211REFO )2222(2001122334REFOddddVRiv A0S1S2S3S4I16I8IR20d1d2d3dREFV(LSB)(MSB)VVOviRR2R2R2R2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2I2I4I8I16II第一節(jié)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器11四. D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度在在D/A轉(zhuǎn)換器中常用轉(zhuǎn)換器中常用分辨率分辨率和和轉(zhuǎn)換誤差轉(zhuǎn)換誤差來描述來描述轉(zhuǎn)換精度。轉(zhuǎn)換精度。用輸入二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)給出。用輸入二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)給出。用用D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器能夠分辨出的最能夠分辨出的最小電壓與最大電壓之比給出。小電壓與最大電壓之比給出。121 n第一節(jié)模擬-數(shù)

5、字轉(zhuǎn)換器12實(shí)際實(shí)際D/A轉(zhuǎn)換特性和理想轉(zhuǎn)換特性和理想D/A轉(zhuǎn)換特性間的最大偏差。轉(zhuǎn)換特性間的最大偏差。一般用最低有效位的倍數(shù)表示。一般用最低有效位的倍數(shù)表示。也可用輸出電壓滿刻度也可用輸出電壓滿刻度FSR的百分?jǐn)?shù)。的百分?jǐn)?shù)。表示輸出電壓誤差絕對(duì)值的大小。表示輸出電壓誤差絕對(duì)值的大小。REF0011223341o)2222(21Vddddv 如果如果VREF偏離標(biāo)準(zhǔn)值偏離標(biāo)準(zhǔn)值 VREF ，則4位倒位倒T形電阻網(wǎng)形電阻網(wǎng)絡(luò)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓誤差為：轉(zhuǎn)換器的輸出電壓誤差為：第一節(jié)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器13通常用建立時(shí)間通常用建立時(shí)間tset來定量描述來定量描述D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換

6、速度。tset1LSB2voto穩(wěn)態(tài)值穩(wěn)態(tài)值第一節(jié)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器14第一節(jié)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器151. 1. 取樣定理取樣定理一、 A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理Svt0Ivt0對(duì)輸入模擬信號(hào)的取樣對(duì)輸入模擬信號(hào)的取樣模擬信號(hào)模擬信號(hào)取樣信號(hào)取樣信號(hào)(max)is2 ff 取樣頻率取樣頻率vI最高頻率最高頻率sf(max)if第一節(jié)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器16)( fA(max)ifS(max)ifff0還原取樣信號(hào)所用濾波器的頻率特性還原取樣信號(hào)所用濾波器的頻率特性滿足取樣定理?xiàng)l件下，滿足取樣定理?xiàng)l件下，可用低通濾波器將可用低通濾波器將取樣信號(hào)取樣信號(hào)還原為還原為輸入模擬信號(hào)。輸入模擬信號(hào)。第一節(jié)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)

7、換器172. 2. 量化和編碼量化和編碼量化：量化： 進(jìn)行進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)，取樣電壓表示為數(shù)字信號(hào)所取的最小數(shù)量單位的整數(shù)倍取樣電壓表示為數(shù)字信號(hào)所取的最小數(shù)量單位的整數(shù)倍,所取最小數(shù)量叫做所取最小數(shù)量叫做量化單位量化單位，用，用表示。表示。數(shù)字信號(hào)最低有效位的數(shù)字信號(hào)最低有效位的1所代表的數(shù)量大小就等于所代表的數(shù)量大小就等于。編碼：編碼：把量化的結(jié)果用代碼表示出來，把量化的結(jié)果用代碼表示出來， 這些代碼是這些代碼是A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。轉(zhuǎn)換的結(jié)果。量化誤差：量化誤差：量化過程引入的誤差。量化過程引入的誤差。當(dāng)輸入的模擬電壓在正、負(fù)范圍內(nèi)變化時(shí)，當(dāng)輸入的模擬電壓在正、負(fù)范圍內(nèi)變化時(shí)，一般要

8、求采用二進(jìn)制一般要求采用二進(jìn)制補(bǔ)碼補(bǔ)碼的形式編碼。的形式編碼。第一節(jié)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器18二、取樣-保持電路vL為高電平時(shí)為高電平時(shí)T導(dǎo)通，取樣。導(dǎo)通，取樣。vL返回低電平后返回低電平后T截止，保持。截止，保持。AIvOvLvIRFRTHC取樣取樣保持電路的基本形式保持電路的基本形式以上電路很不完善，取樣速度受限制。以上電路很不完善，取樣速度受限制。第一節(jié)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器19集成取樣集成取樣- -保持電路保持電路LF398LF398vL為高電平時(shí)為高電平時(shí)S閉合，電路處于取樣工作狀態(tài)。閉合，電路處于取樣工作狀態(tài)。vL返回低電平后返回低電平后S 斷開，電路進(jìn)入保持狀態(tài)。斷開，電路進(jìn)入保持狀態(tài)。典型

9、接法典型接法LF398IvOvLvVHCOSV23876514V1AIvOvLv1R2RSHC2AL1D2DOSVREFV238765電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)第一節(jié)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器20模擬輸入三、并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器屬于直接屬于直接A/DA/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器，它能將輸入的模擬電它能將輸入的模擬電壓直接轉(zhuǎn)換為輸出的壓直接轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字量而不需要經(jīng)過數(shù)字量而不需要經(jīng)過中間變量。中間變量。圖示電路輸入為圖示電路輸入為0VREF間間的模擬電壓，輸出為的模擬電壓，輸出為3位位二進(jìn)制數(shù)碼二進(jìn)制數(shù)碼d2d1d0。第一節(jié)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器21四、反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器1.

10、 計(jì)數(shù)型計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換開始前先用復(fù)位信號(hào)將計(jì)數(shù)器置零，轉(zhuǎn)換開始前先用復(fù)位信號(hào)將計(jì)數(shù)器置零，而且轉(zhuǎn)換控制信號(hào)應(yīng)停留在而且轉(zhuǎn)換控制信號(hào)應(yīng)停留在vL=0的狀態(tài)。的狀態(tài)。 CDAC(MSB)(LSB)(MSB)(LSB)CLKIvOvLv脈沖源模擬輸入并并行行數(shù)數(shù)字字輸輸出出計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器輸輸出出寄寄存存器器GBv第一節(jié)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器22當(dāng)當(dāng)vL變?yōu)楦唠娖綍r(shí)開始轉(zhuǎn)換，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，變?yōu)楦唠娖綍r(shí)開始轉(zhuǎn)換，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)， vO不不斷增加。斷增加。當(dāng)增至當(dāng)增至vO = vI時(shí)，時(shí)， vB=0將門封鎖，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，將門封鎖，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，這時(shí)計(jì)數(shù)器中所存的數(shù)字就是所求的輸出數(shù)字信號(hào)。這

11、時(shí)計(jì)數(shù)器中所存的數(shù)字就是所求的輸出數(shù)字信號(hào)。 CDAC(MSB)(LSB)(MSB)(LSB)CLKIvOvLv脈沖源模擬輸入并并行行數(shù)數(shù)字字輸輸出出計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器輸輸出出寄寄存存器器GBv這種方案的明顯缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換時(shí)間太長。這種方案的明顯缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換時(shí)間太長。第一節(jié)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器23CDAC(MSB)(LSB)(MSB)(LSB)CLKIvOvLv逐次漸近寄存器控制邏輯脈沖源轉(zhuǎn)換控制信號(hào)模擬輸入2. 逐次漸近型逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器并并行行數(shù)數(shù)字字輸輸出出轉(zhuǎn)換開始前先將寄存器清零，所以加給轉(zhuǎn)換開始前先將寄存器清零，所以加給D/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量也全是換器的數(shù)字量也全是0。第一節(jié)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)

12、換器24CDAC(MSB)(LSB)(MSB)(LSB)CLKIvOvLv逐次漸近寄存器控制邏輯脈沖源轉(zhuǎn)換控制信號(hào)模擬輸入并并行行數(shù)數(shù)字字輸輸出出轉(zhuǎn)換控制信號(hào)轉(zhuǎn)換控制信號(hào)vL變?yōu)楦唠娖綍r(shí)開始轉(zhuǎn)換，時(shí)鐘信號(hào)變?yōu)楦唠娖綍r(shí)開始轉(zhuǎn)換，時(shí)鐘信號(hào)首先將寄存器的最高位置成首先將寄存器的最高位置成1，使寄存器的輸出為，使寄存器的輸出為10000。這個(gè)數(shù)字量被。這個(gè)數(shù)字量被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓擬電壓vO，并送到比較器與輸入信號(hào)，并送到比較器與輸入信號(hào)vI進(jìn)行比較。進(jìn)行比較。第一節(jié)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器25如果如果vO vI，說明數(shù)字過大了，則這個(gè)，說明數(shù)字過大了，則這個(gè)1應(yīng)去掉；應(yīng)去掉

13、；如果如果vO vI ，說明數(shù)字還不夠大，這個(gè)，說明數(shù)字還不夠大，這個(gè)1應(yīng)保留。應(yīng)保留。然后，再按同樣的方法將次高位置然后，再按同樣的方法將次高位置1，并比較，并比較vO與與vI的的大小以確定這一位的大小以確定這一位的1是否應(yīng)當(dāng)保留。是否應(yīng)當(dāng)保留。這樣逐位比較下去，直到最低位比較完為止。這時(shí)寄這樣逐位比較下去，直到最低位比較完為止。這時(shí)寄存器里所存的數(shù)碼就是所求的輸出數(shù)字量。存器里所存的數(shù)碼就是所求的輸出數(shù)字量。逐次漸近型逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度比并聯(lián)比較型轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度比并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器低，但比計(jì)數(shù)型換器低，但比計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度要高得多。轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度要高得多

14、。而且在輸出位數(shù)較多時(shí)，逐次漸近型而且在輸出位數(shù)較多時(shí)，逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器的電轉(zhuǎn)換器的電路規(guī)模要比并聯(lián)比較型小得多。路規(guī)模要比并聯(lián)比較型小得多。因此逐次漸近型因此逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器是目前集成轉(zhuǎn)換器是目前集成A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品中用得最多的一種轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品中用得最多的一種電路。電路。第一節(jié)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器26GT(LSB)(MSB)GvIvoutf（）G計(jì)計(jì)數(shù)數(shù)器器寄寄存存器器五、V- F變換型A/D轉(zhuǎn)換器并并行行數(shù)數(shù)字字輸輸出出單穩(wěn)態(tài)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器觸發(fā)器DRCLK計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)脈沖脈沖V-F變換器變換器V-F變換型變換型A/D轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)框圖轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)框圖第一節(jié)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器27六、A/

15、D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度單片集成的單片集成的A/D轉(zhuǎn)換器采用轉(zhuǎn)換器采用分辨率分辨率和和轉(zhuǎn)換誤差轉(zhuǎn)換誤差來描述。來描述。分辨率：分辨率：以輸出二進(jìn)制或十進(jìn)制的位數(shù)表示，以輸出二進(jìn)制或十進(jìn)制的位數(shù)表示， 說明說明A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的分辨能力。轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的分辨能力。轉(zhuǎn)換誤差：轉(zhuǎn)換誤差：通常以輸出誤差最大值的形式給出，通常以輸出誤差最大值的形式給出， 表示實(shí)際輸出的數(shù)字量表示實(shí)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。和理論上應(yīng)有的輸出數(shù)字量之間的差別。1. A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度第一節(jié)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器28A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度主要取決于轉(zhuǎn)換電路的類型，轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度