第9章 數模及模數轉換電路

1、9.1.1 數數/模和模模和模/數器是模擬、數字系統(tǒng)間的橋梁數器是模擬、數字系統(tǒng)間的橋梁數字計算機數字計算機模擬系統(tǒng)模擬系統(tǒng)A/DD/A二進制二進制線性線性存儲存儲分析分析控制控制物理物理 生物生物 化學化學9.1.2 常見常見數模、模數轉換器應用系統(tǒng)舉例數模、模數轉換器應用系統(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關數數字字控控制制計計算算機機DAC模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 產產 控控 制制 對對 象象DACADCA / D、D / A 轉換器的精度和速

2、度轉換器的精度和速度精度精度保證轉換的保證轉換的準確性準確性速度速度保證保證適時控制適時控制9.2.1 D / A轉換的基本原理轉換的基本原理1. D / A轉換思路轉換思路d0d1dn-1uO或或iOn 位位二進制二進制如如 ( (1101) )213148212121023 10210niiidN可利用運算放大器實現運算可利用運算放大器實現運算2. 轉換特性轉換特性DuO/V7654321001 010 011 100 101 110 1119.2.2 04RA2dUU 開路電壓開路電壓04R2dU 04R2dU 04RA2dUU 開路電壓開路電壓13RA2dUU 開路電壓開路電壓22RA

3、2dUU 開路電壓開路電壓31RA2dUU 開路電壓開路電壓13R2dU 04R13R22R31REA2222dUdUdUdUUU )2222(2001122334R ddddUEF3URRU 輸出電壓輸出電壓)2222(23001122334RF ddddRUR)222(23002211RFo dddRURUnnnnn)222(2002211Ro dddUUnnnnn)222(23002211RFo dddRURUnnnnn9.2.3 倒倒T型電阻網絡型電阻網絡D/A 轉換器轉換器RRR2R2R2R2RUREFS0S1S2d0d0d1d2d1d2電子電子開關開關電阻網絡電阻網絡求和運放求和運

4、放當當 d2d1d0 = 100,II / 2I / 4I / 8I/2I = UREF / RRIu2O RRU2REF 23REF212 UuO1、工作原理、工作原理當當 d2d1d0 = 110,IRRR2R2R2R2RUREFuOI / 2I / 4I / 8RIIu)42(O )2121(2123REF URRURU)42(REFREF 當當 d2d1d0 = 111,IRRR2R2R2R2RUREFuOI / 2I / 4I / 8RIIIu)842(O )212121(20123REF URRURURU)842(REFREFREF 表達的一般形式表達的一般形式)222(20011

5、223REFO dddUu2、輸入為、輸入為 n 位二進制數時的表達式位二進制數時的表達式當當 D = dn-1 dn-2 d1 d0 )22.2(2001111REFO dddUunnnDKDUun uREFO2Ku 轉換比例系數轉換比例系數nUK2REFu 9.2.4 DAC 的主要參數的主要參數1. 轉換精度轉換精度指指 D/A 轉換器模擬輸轉換器模擬輸出產生的最小電壓變化量出產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，也可用輸入的位數表示。也可用輸入的位數表示。為實際輸出模擬電壓與理想輸出模擬電壓間的最為實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。 UL

6、SBUFSR=12n1分辨率分辨率=LSB Least Significant Bit2)2)轉換誤差轉換誤差可用占輸出電壓滿刻度值的百分數表示或可用最可用占輸出電壓滿刻度值的百分數表示或可用最低有效位（低有效位（LSB）的倍數表示。）的倍數表示。如如: （LSB）= 輸入為輸入為 0001 時輸出模擬電壓時輸出模擬電壓的一半。的一半。1)1)分辨率分辨率（Resolution）FSR Full Scale Range2. 轉換速度轉換速度1)1)建立時間建立時間 ts ts 為在大信號工作下（輸入由為在大信號工作下（輸入由全全 0 變?yōu)槿優(yōu)槿?1，或由或由全全 1 變?yōu)槿優(yōu)槿?0）, 輸

7、出輸出 電壓達到某一規(guī)定值所需時間電壓達到某一規(guī)定值所需時間 。不包含不包含 UREF 和運放的單片和運放的單片 DAC 最短最短 ts 0.1 s；包含包含UREF 和運放的單片和運放的單片 DAC 最短最短 t s 0，uO 0 3. 分辨率分辨率單極性輸出單極性輸出： 分辨率分辨率121 n分辨率分辨率 = =1211 n5G7520 為為 10 位位 D / A 轉換器，轉換器，分辨率分辨率 = =000978. 01023112110 當當 UREF = 10 V時，時，最小輸出電壓最小輸出電壓 uO = 9.76 mV雙極性輸出雙極性輸出：對于對于 5G7520分辨率分辨率=001

8、96. 051111219 當當 UREF = 10 V 時，時，最小輸出電壓最小輸出電壓 uO = 19.6 mVuI(t)CADC的的量化編碼量化編碼電路電路dn-1d1d0u I(t)S模擬量模擬量數字量數字量量化編碼量化編碼取樣：取樣：把時間連續(xù)變化的信號變換為時間離散的信號。把時間連續(xù)變化的信號變換為時間離散的信號。保持：保持：保持取樣信號保持取樣信號,使有充分時間將其變?yōu)閿底中盘?。使有充分時間將其變?yōu)閿底中盘?。取樣保持取樣保持（S / H Sample / Hold）當滿足當滿足 fs 2 fimax 時時, 取樣信號可恢復原信號。取樣信號可恢復原信號。fs 取樣頻率。取樣頻率。

9、fimax 信號的最高頻率分量。信號的最高頻率分量。 tOuIfO)( fAfs fimax fimaxuI tO3. 量化和編碼量化和編碼量化單位量化單位數字信號最低位數字信號最低位LSB所對應的模擬信號大小，所對應的模擬信號大小，用用 表示（即表示（即 1 ）。）。量化量化把取樣后的保持信號化為量化單位的整數倍。把取樣后的保持信號化為量化單位的整數倍。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值用二進制代碼表示。把量化的數值用二進制代碼表示。劃分量化電平的兩種方法劃分量化電平的兩種方法01V1/82/83/84/85/8

10、6/87/8000001010011100101110111模擬模擬電平電平二進制二進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 11/15 13/150000010100111001011101110模擬模擬電平電平二進制二進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 = /

11、 2 = (1/15)V4. 取樣取樣 - 保持電路保持電路1）電路組成及工作原理）電路組成及工作原理當當 uL 為為高高電平：電平：RfChRiuIuOuLTRf = RiT 導通，導通，Ch 充電至：充電至：uO = uI = uC當當 uL 為為低低電平：電平：T 截止，截止，Ch 基本不放電?；静环烹姟O 保持保持：為使為使 Ch 充電快充電快，Ri 越越小小越越好；好；為使電路輸入電阻高為使電路輸入電阻高，Ri 越越大大越越好。好。2）改進電路）改進電路 (LF198) 及工作原理及工作原理R2ChR1uIuOuLu O300 30 k D1D2S當當 uL = 1， S 閉合閉

12、合 uO = u O = uI ， uC = uI 當當 uL = 0， S 斷開斷開 uO 保持保持D1 、D2的作用的作用：限制：限制 u O 在在 uI + uD以內，起保護作用。以內，起保護作用。6 2145387uOuIuLChLF198&9.3.2 快速并行快速并行A/D轉換器轉換器R /2RRRRRRR /2UREFuI比較器比較器1D1D1D1D1D1D1DCP寄存器寄存器d2d1d0編碼器編碼器REF151UREF153UREF155UREF1513UREF157UREF159UREF1511UuIuIuIuIuIuIuIuI1)工作原理工作原理D/AuI逐次漸近逐次

13、漸近寄存器寄存器比較器比較器參考參考電源電源時鐘時鐘信號信號MSBLSBMSBLSB并行數字輸出并行數字輸出轉換控制信號轉換控制信號10003.2V8V101117V01106V01015V01004V00113V000119.3.3 逐次比較型逐次比較型 A/D 轉換器轉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 2)轉換過程舉例轉換過程舉例3 位位 D/AQ1S1Rd0 +CPd1d2 1Q1S1RFFBFFC1 d0d1d2uIuOuCC5位環(huán)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

14、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轉換思路：轉換思路：模擬輸入模擬輸入 uI t t 控制計數控制計數 CP 個數個數輸出二進制數輸出二進

15、制數9.3.5 雙積分型雙積分型 A/D 轉換器轉換器CO 00 000 101 001 110 010 111 1100 000 101 101每進行完一次每進行完一次 2n 進制計數，定時器置進制計數，定時器置 1， S1 合向合向基準電壓基準電壓電容電容 C 放電放電S2CS1uI邏輯邏輯控制門控制門C定時器定時器n 位二進制位二進制計數器計數器&dn1d0uCP基準電壓基準電壓 逐次比較型逐次比較型 雙積分型雙積分型9.3.7 幾種幾種A/D轉換器的性能比較轉換器的性能比較1. A/D類型：類型：直接直接 A/D反饋比較型：反饋比較型：逐次比較型逐次比較型，計數型。，計數型。間

16、接間接 A/D電壓電壓-時間變換型（時間變換型（V -T）：）：雙積分型雙積分型電壓電壓-頻率變換型（頻率變換型（V- F）并聯比較型并聯比較型2. 性能比較：性能比較：優(yōu)點優(yōu)點缺點缺點并聯比較型并聯比較型轉換速度高轉換速度高轉換精度差轉換精度差逐次比較型逐次比較型分辨率高、誤差低分辨率高、誤差低轉換速度較快轉換速度較快雙積分型雙積分型性能穩(wěn)定性能穩(wěn)定轉換精度高轉換精度高抗干擾能力強抗干擾能力強轉換速度低轉換速度低一、一、D/A 轉換器轉換器1. 功能：功能：將輸入的二進制數轉換成與之成正比將輸入的二進制數轉換成與之成正比的模擬電量。的模擬電量。2. 種類：種類：權電阻網絡、權電阻網絡、R -

17、 2R T 形電阻網絡和形電阻網絡和 R - 2R 倒倒 T 形電阻網絡形電阻網絡 D/A 轉換器。轉換器。實現數模轉換有多種方式，常用的是實現數模轉換有多種方式，常用的是電阻網絡電阻網絡 D/A 轉換器，包括轉換器，包括 其中以其中以 R - 2R 倒倒 T 形電阻網絡形電阻網絡 D/A 轉換器為重點作了詳轉換器為重點作了詳細介紹，它的特點是速度快、性能好，適合于集成工藝制造，細介紹，它的特點是速度快、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. 分辨率和轉換精度：分辨率和轉換精度： 與與 D/A 轉換器的轉換器的位數位數有關，位數越多，分辨率和精度越高。有關，位數越多，

18、分辨率和精度越高。二、二、A/D 轉換器轉換器1. 功功 能：能： 將輸入的模擬電壓轉換成與之成正比將輸入的模擬電壓轉換成與之成正比的二進制數。的二進制數。2. 轉換過程：轉換過程： 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轉換器轉換器采樣采樣 - 保持電路：保持電路： 對輸入模擬信號抽取樣值，并展寬（保持）。對輸入模擬信號抽取樣值，并展寬（保持）。采樣時必須滿足采樣定理，即采樣時必須滿足采樣定理，即 fs 2 fImax 。量化量化 對樣值脈沖進行分級。對樣值脈沖進行分級。編碼編碼 將分級后的信號轉換成二進制代碼。將分級后的信號轉換成二進制代碼。A / D 轉換器：轉換器：二、二、A/D 轉換器轉換器3. 種類：種類：直接轉換型和間接轉換