模電23(DA轉(zhuǎn)換器)

1、11掌握倒掌握倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的組成和工作原理轉(zhuǎn)換器的組成和工作原理2了解了解D/A轉(zhuǎn)換器的電壓輸出方式轉(zhuǎn)換器的電壓輸出方式3了解了解A/D轉(zhuǎn)換一般過(guò)程（四步：采樣、保持、量化、編碼）轉(zhuǎn)換一般過(guò)程（四步：采樣、保持、量化、編碼）4了解并行、逐次比較了解并行、逐次比較A/D轉(zhuǎn)換電路的組成、原理轉(zhuǎn)換電路的組成、原理5. 掌握雙積分掌握雙積分A/D轉(zhuǎn)換器的組成和工作原理轉(zhuǎn)換器的組成和工作原理基本要求基本要求數(shù)電數(shù)電10. 模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器概述：概述：A/D轉(zhuǎn)換：模擬量轉(zhuǎn)換：模擬量數(shù)字量；數(shù)字量；D/A轉(zhuǎn)換：數(shù)字量轉(zhuǎn)換：數(shù)字量模擬量。模擬量。2應(yīng)用舉例：應(yīng)用舉例：3

2、應(yīng)用舉例：應(yīng)用舉例：1、數(shù)字控制系統(tǒng)、數(shù)字控制系統(tǒng)A/D運(yùn)算運(yùn)算處理處理工業(yè)控工業(yè)控制對(duì)象制對(duì)象傳感傳感器器放大放大執(zhí)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)顯示顯示D/A發(fā)送端：發(fā)送端：模擬模擬信號(hào)信號(hào)放大放大A/D編碼編碼調(diào)制調(diào)制發(fā)射發(fā)射接收端：接收端：解調(diào)解調(diào)解碼解碼D/A放大放大執(zhí)行執(zhí)行2、數(shù)字通信系統(tǒng)、數(shù)字通信系統(tǒng)410.1 數(shù)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器模轉(zhuǎn)換器一、一、D/A轉(zhuǎn)換的基本原理轉(zhuǎn)換的基本原理1、需解決的問(wèn)題：、需解決的問(wèn)題：把輸入的數(shù)字量（把輸入的數(shù)字量（n位二進(jìn)制代碼）位二進(jìn)制代碼）轉(zhuǎn)換成與之成正比的模擬量（電流、電壓）。轉(zhuǎn)換成與之成正比的模擬量（電流、電壓）。2、思路：、思路：(1)將每一位二進(jìn)制碼按其權(quán)的

3、大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量；將每一位二進(jìn)制碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量；(2)將各位代碼轉(zhuǎn)換的模擬量求和。將各位代碼轉(zhuǎn)換的模擬量求和。NB=dn-1 2n-1+ dn-2 2n-2+ + d1 21 + d0 20DACd0d1Adn-1輸入輸入n位代碼位代碼kNB5數(shù)碼寄存器數(shù)碼寄存器基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓N位模擬位模擬 開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)解碼網(wǎng)絡(luò)解碼網(wǎng)絡(luò)求和電路求和電路N位位數(shù)數(shù)字字量量輸輸入入模模擬擬量量輸輸出出n位位D/A轉(zhuǎn)換器方框圖轉(zhuǎn)換器方框圖N位數(shù)字量控制位數(shù)字量控制N位模擬開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。位模擬開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。N位模擬開(kāi)關(guān)狀態(tài)控制解碼網(wǎng)絡(luò)位模擬開(kāi)關(guān)狀態(tài)控制解碼網(wǎng)絡(luò)是否把相應(yīng)位的權(quán)是否把相應(yīng)位的權(quán)對(duì)應(yīng)的模

4、擬量對(duì)應(yīng)的模擬量求和電路求和電路。6+VREFI2RR2I2R4I2R8I2R16IRR2R T型型電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò)有有RVIREF=各支路電流分別為各支路電流分別為2I22I32I42I3、分類(lèi)：、分類(lèi)：(1)按解碼網(wǎng)絡(luò)：按解碼網(wǎng)絡(luò)：(2)按電子開(kāi)關(guān)形式：按電子開(kāi)關(guān)形式：權(quán)電流型；權(quán)電流型；倒倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)型；型電阻網(wǎng)絡(luò)型；T型電阻網(wǎng)絡(luò)型；型電阻網(wǎng)絡(luò)型；CMOS開(kāi)關(guān)型開(kāi)關(guān)型 雙極型開(kāi)關(guān)型雙極型開(kāi)關(guān)型 710.1.1 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R-2R電阻解碼網(wǎng)絡(luò)呈倒電阻解碼網(wǎng)絡(luò)呈倒T形；形；D3D0：輸入數(shù)字量：輸入數(shù)字量S3 S0: 模擬開(kāi)關(guān)；模擬開(kāi)關(guān)； Si受受Di控制

5、：控制：Di=1時(shí)，時(shí)， Si接運(yùn)放反相端；接運(yùn)放反相端；Di=0時(shí)，時(shí)， Si將將2R接地。接地。運(yùn)放運(yùn)放A接成反相比例運(yùn)接成反相比例運(yùn)算電路（外接）算電路（外接）VREF ：參考電壓；：參考電壓；v vo：輸出模擬電壓：輸出模擬電壓+VREF+AvORfI2R2R2R2R2RRRR D0D1D2 D3S0S1S2S34I2I8I16I I1、電路組成：、電路組成：82、工作原理：、工作原理：由由“虛地虛地”可知，可知，開(kāi)關(guān)狀態(tài)不影響電阻支路電流開(kāi)關(guān)狀態(tài)不影響電阻支路電流 即有即有RVIREF=各支路電流分別為各支路電流分別為2I22I32I42I+VREF+AvORfI2R2R2R2R2R

6、RRR D0D1D2 D3S0S1S2S34I2I8I16I I9+VREF+AvORfI2R2R2R2R2RRRR D0D1D2 D3S0S1S2S34I2I8I16I I流入運(yùn)放反相端的總電流流入運(yùn)放反相端的總電流推廣到推廣到n位，有位，有)2222(200112211DDDDRVInnnnnREF )2(2)2222(30413223140 iiiREFREFDRVDDDDRVINB10(3)反相比例放大器的輸出：反相比例放大器的輸出：v vo=Rf IBnfREFNR2RV=BnREFN2V=取取Rf =R輸出模擬電壓與輸入數(shù)字量成正比。輸出模擬電壓與輸入數(shù)字量成正比。比例系數(shù)比例系數(shù)

7、K為為R2RVnfREF集成電路有：集成電路有：AD7520（10位）位）DAC1212 （12位）位）AK7546 （16位）位）+VREF+AvORfI2R2R2R2R2RRRR D0D1D2 D3S0S1S2S34I2I8I16I I11AD7533D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 D2 D7 O D0 D1 2R 2R 2R 2R R R D8 D9 R R R 2R 2R 2R + R IOUT1 IOUT2 VREF AD7520 RF 10K 10K 20K 使用使用:1):1)要外接運(yùn)放，要外接運(yùn)放， 2)2)運(yùn)放的反饋電阻可使用內(nèi)部電阻運(yùn)放的反饋電阻可使用內(nèi)部電阻 ， 也可采用外接電阻也可

8、采用外接電阻例：例：集成集成D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器10位位CMOS電流開(kāi)關(guān)型電流開(kāi)關(guān)型D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 9iREFfOi100(2 )2iVRDR 123、倒、倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)：轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)：(1)模擬開(kāi)關(guān)在地與輸入之間轉(zhuǎn)換，無(wú)論開(kāi)關(guān)狀態(tài)如何變化，模擬開(kāi)關(guān)在地與輸入之間轉(zhuǎn)換，無(wú)論開(kāi)關(guān)狀態(tài)如何變化，各支路電流始終不變，即不需要電流建立時(shí)間各支路電流始終不變，即不需要電流建立時(shí)間。(2)各支路電流直接流入運(yùn)放的輸入端，不存在傳輸時(shí)間差，各支路電流直接流入運(yùn)放的輸入端，不存在傳輸時(shí)間差，因而提高了轉(zhuǎn)換速度因而提高了轉(zhuǎn)換速度，并減少了動(dòng)態(tài)過(guò)程中輸出電壓的尖峰脈沖。，并減少了動(dòng)態(tài)

9、過(guò)程中輸出電壓的尖峰脈沖。此種此種D/A轉(zhuǎn)換器是目前轉(zhuǎn)換器是目前速度最高速度最高，應(yīng)用最多應(yīng)用最多的一種。的一種。問(wèn)題問(wèn)題: S開(kāi)關(guān)導(dǎo)通壓降若不完全相同，將影響轉(zhuǎn)換精度。開(kāi)關(guān)導(dǎo)通壓降若不完全相同，將影響轉(zhuǎn)換精度。13關(guān)于關(guān)于D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器精度精度的討論的討論(1) 基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定性好；基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定性好；(2) 倒倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)中形電阻網(wǎng)絡(luò)中R和和2R電阻比值的精度要高；電阻比值的精度要高； 為實(shí)現(xiàn)電流從高位到低位按為實(shí)現(xiàn)電流從高位到低位按2的整數(shù)倍遞減，模擬開(kāi)關(guān)的整數(shù)倍遞減，模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻也相應(yīng)地按的導(dǎo)通電阻也相應(yīng)地按2的整數(shù)倍遞增。的整數(shù)倍遞增。為進(jìn)一步提高為進(jìn)一步提高D/A轉(zhuǎn)換器的精

10、度，可采用權(quán)電流型轉(zhuǎn)換器的精度，可采用權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。 n 1iREFfOin0(2 )2iVRDR 為提高為提高D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換器的精度，對(duì)電路參數(shù)的要求：精度，對(duì)電路參數(shù)的要求： (3) 每個(gè)模擬開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)電壓降要相等每個(gè)模擬開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)電壓降要相等142. 特點(diǎn)：特點(diǎn)： (1)共性：開(kāi)關(guān)支路電流與權(quán)成正比，電流相加共性：開(kāi)關(guān)支路電流與權(quán)成正比，電流相加 (2)不同：產(chǎn)生支路電流的方法不同；不同：產(chǎn)生支路電流的方法不同；圖圖9.1.8(P437) 實(shí)際的權(quán)電流型實(shí)際的權(quán)電流型D/A電路（電路（BJT恒流源電路）恒流源電路） (3)優(yōu)點(diǎn)：速度快；恒流源，對(duì)開(kāi)關(guān)要求低；優(yōu)點(diǎn)：速度

11、快；恒流源，對(duì)開(kāi)關(guān)要求低；iiiDIDIDIDIDIi22168423040123 iiiFFODIRiRv22304 1. 分析：分析：權(quán)電流型權(quán)電流型D/AD Di i =1, S=1, Si i接通反相輸入端接通反相輸入端D Di i =0, S=0, Si i接通同相輸入端接通同相輸入端1510.1.3 D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式轉(zhuǎn)換器的輸出方式由解碼網(wǎng)絡(luò)得到的是與輸入由解碼網(wǎng)絡(luò)得到的是與輸入數(shù)字量成正比的電流信號(hào)，數(shù)字量成正比的電流信號(hào)，為得到電壓信號(hào)，還要選擇為得到電壓信號(hào)，還要選擇合適的輸出電路。合適的輸出電路。1、單極性輸出：、單極性輸出：(1) 反相輸出反相輸出fBnREFORN

12、R2V vBnREFN2V (若若R=RF)vO與與VREF反相、反相、 單極性單極性vOD0D1Dn-1i+Rf倒倒T形形電阻網(wǎng)電阻網(wǎng)絡(luò)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器VREFDvO /VLSB01234567輸入：無(wú)符號(hào)位二進(jìn)制碼輸入：無(wú)符號(hào)位二進(jìn)制碼輸出：?jiǎn)螛O性模擬信號(hào)輸出：?jiǎn)螛O性模擬信號(hào)VLSB16(2) 同相輸出同相輸出)RR(1Ri12O vVREFD0D1Dn-1iRR1R2倒倒T形形電阻網(wǎng)電阻網(wǎng)絡(luò)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器+vO)RR(1RNR2V12BnREF )RR(1N2V12BnREF 同相比例放大器同相比例放大器VO與與VREF同相同相172、雙極性輸出、雙極性輸出輸入：有符號(hào)位的數(shù)字

13、量（常用補(bǔ)碼表示）輸入：有符號(hào)位的數(shù)字量（常用補(bǔ)碼表示）輸出：正、負(fù)極性的模擬電壓。輸出：正、負(fù)極性的模擬電壓。此時(shí)，此時(shí)，D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器工作于雙極性輸出方式。工作于雙極性輸出方式。常見(jiàn)的編碼方式有：補(bǔ)碼、偏移二進(jìn)制碼或符號(hào)常見(jiàn)的編碼方式有：補(bǔ)碼、偏移二進(jìn)制碼或符號(hào)-數(shù)值碼等。數(shù)值碼等。P437P439（不作要求，感興趣者自學(xué)）（不作要求，感興趣者自學(xué)）1810.1.4 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)分辨率：其定義為分辨率：其定義為D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級(jí)數(shù)。級(jí)數(shù)。n位位DAC最多有最多有2n個(gè)模擬輸出電壓。位數(shù)越多個(gè)模擬輸出

14、電壓。位數(shù)越多D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器的分辨率越高。器的分辨率越高。 分辨率也可以用能分辨的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比分辨率也可以用能分辨的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比給出。給出。n位位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率可表示為轉(zhuǎn)換器的分辨率可表示為121n1、分辨率、分辨率192、轉(zhuǎn)換精度：、轉(zhuǎn)換精度： 轉(zhuǎn)換精度是指對(duì)給定的數(shù)字量，轉(zhuǎn)換精度是指對(duì)給定的數(shù)字量，D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際值轉(zhuǎn)換器實(shí)際值與理論值之間的最大偏差。與理論值之間的最大偏差。 產(chǎn)生原因：由于產(chǎn)生原因：由于D/A轉(zhuǎn)換器中各元件參數(shù)值存在轉(zhuǎn)換器中各元件參數(shù)值存在誤差，如基準(zhǔn)電壓不夠穩(wěn)定或運(yùn)算放大器的零漂誤差，如基準(zhǔn)電壓不夠穩(wěn)定或運(yùn)算放大器的零漂等各種

15、因素的影響。等各種因素的影響。 幾種轉(zhuǎn)換誤差：有如比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差和幾種轉(zhuǎn)換誤差：有如比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差和非線性誤差等非線性誤差等20比例系數(shù)誤差：比例系數(shù)誤差：指實(shí)際轉(zhuǎn)換特性曲線的斜率與理想轉(zhuǎn)換指實(shí)際轉(zhuǎn)換特性曲線的斜率與理想轉(zhuǎn)換特性曲線斜率的偏差。特性曲線斜率的偏差。當(dāng)當(dāng)VREF偏離標(biāo)準(zhǔn)值偏離標(biāo)準(zhǔn)值VREF時(shí)，時(shí)，在輸出端產(chǎn)生的誤差電壓在輸出端產(chǎn)生的誤差電壓V Vo即為比例系數(shù)誤差。即為比例系數(shù)誤差。V Vo = 10nREF22VniiifDRRBnfREFNR2RV=VO21失調(diào)誤差失調(diào)誤差：由運(yùn)放的零漂引起，其大小與輸入數(shù)字量無(wú)由運(yùn)放的零漂引起，其大小與輸入數(shù)字量無(wú)關(guān)。使輸出

16、電壓的轉(zhuǎn)移特性曲線發(fā)生平移。關(guān)。使輸出電壓的轉(zhuǎn)移特性曲線發(fā)生平移。非線性誤差：非線性誤差：產(chǎn)生的原因有：解碼網(wǎng)絡(luò)的支產(chǎn)生的原因有：解碼網(wǎng)絡(luò)的支路電阻誤差、模擬開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電路電阻誤差、模擬開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻、開(kāi)關(guān)壓降的誤差等。阻、開(kāi)關(guān)壓降的誤差等。結(jié)論：結(jié)論：為獲得為獲得高精度的高精度的D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換，不僅應(yīng)選擇位數(shù)較多，不僅應(yīng)選擇位數(shù)較多的的高分辨率高分辨率D/A轉(zhuǎn)換器，而轉(zhuǎn)換器，而且，還需要選用且，還需要選用高穩(wěn)定度的高穩(wěn)定度的VREF和和低溫漂的運(yùn)算放大器低溫漂的運(yùn)算放大器等器件與之配合。等器件與之配合。223.轉(zhuǎn)換速率：轉(zhuǎn)換速率： 實(shí)際應(yīng)用中，要實(shí)現(xiàn)快速實(shí)際應(yīng)用中，要實(shí)現(xiàn)快速D/A轉(zhuǎn)換，不僅需要

17、轉(zhuǎn)換，不僅需要D/A轉(zhuǎn)換器有轉(zhuǎn)換器有較高的較高的轉(zhuǎn)換速率，還應(yīng)選用轉(zhuǎn)換速率較高的轉(zhuǎn)換速率，還應(yīng)選用轉(zhuǎn)換速率較高的集成運(yùn)放與之配合使用。集成運(yùn)放與之配合使用。 建立時(shí)間建立時(shí)間（滿(mǎn)量程建立時(shí)間）（滿(mǎn)量程建立時(shí)間）tset：D從全從全0變?yōu)槿優(yōu)槿?（vo從從0變?yōu)樽優(yōu)閂om規(guī)定誤差范圍內(nèi)（規(guī)定誤差范圍內(nèi)（1/2VLSB）所需時(shí)間所需時(shí)間。 D/A D/A轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)參數(shù)轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)參數(shù)23 D2 D7 O D0 D1 2R 2R 2R 2R R R D8 D9 R R R 2R 2R 2R + R IOUT1 IOUT2 VREF AD7520 RF 10K 10K 20K 10.1.5 集成集

18、成D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器AD7533及其應(yīng)用及其應(yīng)用1. 符號(hào)、功能符號(hào)、功能D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0RfVREFVGNDAD7533IOUT1IOUT2-25V+25V+5V+15V地地外接外接(10k)內(nèi)接內(nèi)接內(nèi)部?jī)H含內(nèi)部?jī)H含倒倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)、型電阻網(wǎng)絡(luò)、 電流開(kāi)關(guān)、電流開(kāi)關(guān)、 反饋電阻反饋電阻RF=R需外接需外接集成運(yùn)放集成運(yùn)放A 參考電壓參考電壓VREF242. 應(yīng)用應(yīng)用1） 單極性電壓輸出電路單極性電壓輸出電路Vom (D0D9 全全1):B10REFOmN2V vV99910231024V10. VLSB (D0=1其余全其余全0):B10REFLSB

19、N2V vV0098011024V10. RfAD7533VREFD0D1D5D2D3D4D6D7D8D9IOUT1IOUT2V+GND+vOA-10V +5VD0D1D9252） 單極性電壓輸出應(yīng)用單極性電壓輸出應(yīng)用 階梯波產(chǎn)生器階梯波產(chǎn)生器RfAD7533VREFD0D1D5D2D3D4D6D7D8D9IOUT1IOUT2V+GND+voA-10V+5VR0(1)R0(2)R9(2)R9(1)CPBCPAQA74LS290QBQCQDR11C多諧振蕩器多諧振蕩器5進(jìn)制計(jì)數(shù)器進(jìn)制計(jì)數(shù)器D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器DvO /VLSB01234000 001 010 011 100 000 00126vO

20、1vO23） 三角波、拋物波產(chǎn)生器三角波、拋物波產(chǎn)生器B10REF1ON2V vB10B10REF2ON2)N2V(- v210BREF)2N(V 2710.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換器概述：概述：1、A/D轉(zhuǎn)換：將隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為與之相應(yīng)的數(shù)轉(zhuǎn)換：將隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為與之相應(yīng)的數(shù)字量。字量。模擬量是時(shí)間、幅值均連續(xù)；而數(shù)字量則為時(shí)間、幅值均離散，模擬量是時(shí)間、幅值均連續(xù)；而數(shù)字量則為時(shí)間、幅值均離散，實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn) A/D轉(zhuǎn)換，首先必須在一系列選定的瞬間，對(duì)輸入的模擬信轉(zhuǎn)換，首先必須在一系列選定的瞬間，對(duì)輸入的模擬信號(hào)取樣號(hào)取樣變?yōu)闀r(shí)間的離散量；變?yōu)闀r(shí)間的離散量；取樣后要保持一段

21、時(shí)間，在此時(shí)間內(nèi)，將取樣的電壓量化為數(shù)字取樣后要保持一段時(shí)間，在此時(shí)間內(nèi)，將取樣的電壓量化為數(shù)字量量變?yōu)闀r(shí)間、幅值的離散量；變?yōu)闀r(shí)間、幅值的離散量；然后，按一定的編碼方式給出結(jié)果。然后，按一定的編碼方式給出結(jié)果。即實(shí)現(xiàn)即實(shí)現(xiàn) A/D轉(zhuǎn)換，一般要經(jīng)過(guò)取樣、保持、量化、編碼轉(zhuǎn)換，一般要經(jīng)過(guò)取樣、保持、量化、編碼4個(gè)過(guò)程。個(gè)過(guò)程。實(shí)際電路中，取樣和保持、量化和編碼往往同時(shí)進(jìn)行。實(shí)際電路中，取樣和保持、量化和編碼往往同時(shí)進(jìn)行。28模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成時(shí)間離散的信號(hào)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成時(shí)間離散的信號(hào)l 取樣電路：取樣電路：SvIvOS(t)TSt0vIt0S(t)t0vOTC：取樣時(shí)間；：取樣時(shí)間； 開(kāi)關(guān)閉合，開(kāi)關(guān)

22、閉合，vO=vITS：取樣周期：取樣周期fS：取樣頻率：取樣頻率TS-TC：開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，：開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，vO=0TCfS2fmax取取樣保持樣保持AA取取樣保持樣保持量化編碼量化編碼D D取樣信號(hào)取樣信號(hào)S（t）頻率越高，所取頻率越高，所取得的信號(hào)經(jīng)低通得的信號(hào)經(jīng)低通濾波器后，越能濾波器后，越能真實(shí)地復(fù)現(xiàn)輸入真實(shí)地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)，合理的取信號(hào)，合理的取樣頻率由取樣定樣頻率由取樣定理決定。理決定。f fmax為輸入模擬電壓最高為輸入模擬電壓最高頻率分量的頻率。頻率分量的頻率。29時(shí)間離散信號(hào)與數(shù)字信號(hào)間的轉(zhuǎn)換時(shí)間離散信號(hào)與數(shù)字信號(hào)間的轉(zhuǎn)換0121DDDDDnn l 量化將樣值化成最小單位的整數(shù)倍量化將樣

23、值化成最小單位的整數(shù)倍N的過(guò)程的過(guò)程l 量化單位量化單位 - -量化的最小單位量化的最小單位(D(D00001 1時(shí)所代表的數(shù)值時(shí)所代表的數(shù)值( (VLSB) )）l 量化誤差量化誤差:由于模擬電壓是連續(xù)的，所以由于模擬電壓是連續(xù)的，所以取樣電壓不一定能被整除，取樣電壓不一定能被整除，因此，量化過(guò)程不可避免地會(huì)引入誤差，稱(chēng)為量化誤差。因此，量化過(guò)程不可避免地會(huì)引入誤差，稱(chēng)為量化誤差。 屬于原理誤差，無(wú)法消除。位數(shù)越多，誤差越小。屬于原理誤差，無(wú)法消除。位數(shù)越多，誤差越小。1時(shí)間離散信號(hào)時(shí)間離散信號(hào)數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)30(1)只舍不入（舍尾求整法）只舍不入（舍尾求整法）例：采樣得到時(shí)間離散信號(hào)例：

24、采樣得到時(shí)間離散信號(hào)vi ：最大值為：最大值為1V，最小值為，最小值為0V，要，要求將其轉(zhuǎn)換成為求將其轉(zhuǎn)換成為3位二進(jìn)制數(shù)字量。位二進(jìn)制數(shù)字量。解：解： 取量化單位取量化單位=1/8 V，則將，則將vi /舍尾求整，得到舍尾求整，得到vi與數(shù)字信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間的關(guān)系是之間的關(guān)系是)0(000810 V)1(0018281 VV)2(0108382VV)7(1118887 VV最大最大量化量化誤差誤差： A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入輸出特性及量化誤差vi 3位二進(jìn)制數(shù)字量位二進(jìn)制數(shù)字量31(2) 有舍有入（四舍五入法）有舍有入（四舍五入法）例：采樣得到時(shí)間離散信號(hào)例：采樣得到時(shí)間離散信號(hào)vi ：最大值

25、為：最大值為1V，最小值為，最小值為0V，要求將其轉(zhuǎn)換成為要求將其轉(zhuǎn)換成為3位二進(jìn)制數(shù)字量。位二進(jìn)制數(shù)字量。解：取量化單位解：取量化單位=2/15 V ，則將，則將vi /四舍五入，得到四舍五入，得到vi與數(shù)字與數(shù)字信號(hào)之間的關(guān)系是信號(hào)之間的關(guān)系是)0(0001510 V)1(001153151 VV)2(010155153 VV)7(11115151513 VV最大量化誤差最大量化誤差: /2 改進(jìn)的A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入輸出特性及量化誤差.vi 3位二進(jìn)制數(shù)字量位二進(jìn)制數(shù)字量320: 0 vi / 0.51: 0.5 vi / 1.5 2: 1.5 vi / 2.5 3: 2.5 vi /

26、3.5 4: 3.5 vi / 4.5 5: 4.5 vi / 5.5 6: 5.5 vi / 6.5 7: 6.5 vi / 7.5 vmax /=7.5= vmax / 7.5 = 2/15V當(dāng)要轉(zhuǎn)換成當(dāng)要轉(zhuǎn)換成n位二進(jìn)制數(shù)時(shí)，位二進(jìn)制數(shù)時(shí)，= vmax / (2n-1+0.5) = vmax / (2n-0.5) 332、A/D轉(zhuǎn)換器的分類(lèi)：轉(zhuǎn)換器的分類(lèi)：（1）直接）直接A/D轉(zhuǎn)換器：轉(zhuǎn)換器：將輸入的模擬電壓直接（不需要中將輸入的模擬電壓直接（不需要中間變量）轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。間變量）轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。并行比較型并行比較型:由電壓比較器、寄存器、編碼器構(gòu)成，可以不由電壓比較器、寄存器、編碼器構(gòu)成

27、，可以不附加取樣附加取樣-保持電路。保持電路。特點(diǎn)特點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度快，但隨著輸出代碼數(shù)位的增加，電路規(guī)模：轉(zhuǎn)換速度快，但隨著輸出代碼數(shù)位的增加，電路規(guī)模急劇膨脹。急劇膨脹。34并行并行A/D1 13 3位并行位并行A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器組成組成(1)(1)分壓器分壓器 (2)(2)比較器比較器(3)(3)寄存器寄存器 (4)(4)編碼器編碼器2 2工作原理工作原理優(yōu)先級(jí)別：優(yōu)先級(jí)別：I I7 7最高。最高。REFV1510REFVV153151REFVV155153REFVV15151513.vIvC1Q1vC2Q2vC7Q7.0001000101110011.D2 D1 D00 0 00 0

28、 10 1 01 1 1.這種這種A/D 變換器的變換器的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快，優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快，缺點(diǎn)缺點(diǎn) 是所需比較器是所需比較器數(shù)目多，位數(shù)越多數(shù)目多，位數(shù)越多矛盾越突出。矛盾越突出。圖圖8.3.3 8.3.3 并行并行ADCADC原理框圖原理框圖-+C1C2C3C4C5C6C7RRRRRRRR/2VREFv1REFV1513REFV1511REFV159REFV157REFV155REFV153REFV151CP寄存器寄存器優(yōu)優(yōu)先先編編碼碼電電路路Q(chēng)1Q2Q3Q4Q5Q6Q7D2D1D0-+-+-+-+-+-+352、A/D轉(zhuǎn)換器的分類(lèi)：轉(zhuǎn)換器的分類(lèi)：（1）直接）直接A/D轉(zhuǎn)換器：轉(zhuǎn)換器：將

29、輸入的模擬電壓直接（不需要中將輸入的模擬電壓直接（不需要中間變量）轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。間變量）轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。反饋比較型反饋比較型：由：由D/A轉(zhuǎn)換器、電壓比較器、轉(zhuǎn)換器、電壓比較器、寄存器等構(gòu)成，寄存器等構(gòu)成，其思路是其思路是: 取一個(gè)數(shù)字量加到取一個(gè)數(shù)字量加到D/A轉(zhuǎn)換器上，得到一個(gè)對(duì)應(yīng)的模轉(zhuǎn)換器上，得到一個(gè)對(duì)應(yīng)的模擬輸出電壓，將其與待轉(zhuǎn)換的模擬電壓相比較，若兩者不等，則擬輸出電壓，將其與待轉(zhuǎn)換的模擬電壓相比較，若兩者不等，則調(diào)整所取的數(shù)字量，直到兩個(gè)模擬電壓相等為止，此時(shí)所取的數(shù)調(diào)整所取的數(shù)字量，直到兩個(gè)模擬電壓相等為止，此時(shí)所取的數(shù)字量即為轉(zhuǎn)換結(jié)果。字量即為轉(zhuǎn)換結(jié)果。常用、典型電路為逐次比較型

30、常用、典型電路為逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器：轉(zhuǎn)換器：由由D/A轉(zhuǎn)換器、電壓比較器、轉(zhuǎn)換器、電壓比較器、寄存器、時(shí)鐘寄存器、時(shí)鐘脈沖源、控制邏輯脈沖源、控制邏輯等等5部分構(gòu)成。部分構(gòu)成。特點(diǎn)：特點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度較慢，數(shù)位較多時(shí)，電路規(guī)模比并行比較型轉(zhuǎn)換速度較慢，數(shù)位較多時(shí)，電路規(guī)模比并行比較型小得多小得多是目前集成是目前集成A/D轉(zhuǎn)換器中應(yīng)用最多的一種。轉(zhuǎn)換器中應(yīng)用最多的一種。36逐次比較型逐次比較型 其工作原理可用天平秤重作比喻。其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四個(gè)砝碼共重若有四個(gè)砝碼共重15克，每個(gè)重量分別克，每個(gè)重量分別為為8、4、2、1克。設(shè)待秤重量克。設(shè)待秤重量Wx = 13克，克，可以用下

31、表步驟來(lái)秤量：可以用下表步驟來(lái)秤量：砝碼重砝碼重第一次第一次第二次第二次第三次第三次第四次第四次加加4克克加加2克克加加1克克8 克克砝碼總重砝碼總重 待測(cè)重量待測(cè)重量Wx ，故保留，故保留砝碼總重仍砝碼總重仍 待測(cè)重量待測(cè)重量Wx ，故撤除，故撤除砝碼總重砝碼總重 待測(cè)重量待測(cè)重量Wx ，故保留，故保留暫時(shí)結(jié)果暫時(shí)結(jié)果8 克克12 克克12 克克13 克克 結(jié)結(jié) 論論372工作原理工作原理(1) 轉(zhuǎn)換前轉(zhuǎn)換前: 寄存器清零寄存器清零 D=0，vREF= 0(2) 轉(zhuǎn)換信號(hào)到來(lái)轉(zhuǎn)換信號(hào)到來(lái)(3) 第一步：第一步： 控制邏輯將寄存器控制邏輯將寄存器 最高位置最高位置1， Dn-1=1，D1000

32、 經(jīng)經(jīng)D/A控制控制 vREF=VREF / 2 與與vI比較：比較：-控制邏輯控制邏輯寄存器寄存器DAC時(shí)鐘時(shí)鐘Dn-1Dn-2D0VREFv1vCvREF比較器比較器清零清零轉(zhuǎn)換控制信號(hào)轉(zhuǎn)換控制信號(hào)圖8 .3.5逐 次逼近式A D C 的原理框 圖圖8 .3.5逐 次逼近式A D C 的原理框 圖HvC 01 nD若若vREF vILvC 11 nDREFREFIVVv21 REFIVv210 1逐次比較逐次比較A/D組成框圖組成框圖若若vREF vI38(4) 第二步：控制邏輯將第二步：控制邏輯將寄存器次高位置寄存器次高位置1 Dn-2=1, D=*100.0 . . 第第n步：步：D0

33、=1-控制邏輯控制邏輯寄存器寄存器DAC時(shí)鐘時(shí)鐘Dn-1Dn-2D0VREFv1vCvREF比較器比較器清零清零轉(zhuǎn)換控制信號(hào)轉(zhuǎn)換控制信號(hào)圖8 .3.5逐 次逼近式A D C 的原理框 圖圖8 .3.5逐 次逼近式A D C 的原理框 圖若若vREF vILvC 12 nDREFREFIVVv2141 若最高位已存若最高位已存0，則，則此時(shí)此時(shí)vREF=1/4 vREFHvC 02 nDREFIVv410 若若vREF vI若最高位已存若最高位已存1，則此時(shí)，則此時(shí)vREF=3/4 vREF39t30011t2t1t0D2t0D1t0D0t0D3t0tvREF/V012vI = 1.2V0000

34、00000100110011-控制邏輯控制邏輯寄存器寄存器DAC時(shí)鐘時(shí)鐘Dn-1Dn-2D0VREFv1vCvREF比較器比較器清零清零轉(zhuǎn)換控制信號(hào)轉(zhuǎn)換控制信號(hào)圖8 .3.5逐 次逼近式A D C 的原理框 圖圖8 .3.5逐 次逼近式A D C 的原理框 圖3. 3. 特點(diǎn)特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：元件少優(yōu)點(diǎn)：元件少缺點(diǎn)：速度慢（比較缺點(diǎn)：速度慢（比較n n次）次）適于速度低、精度高的電路適于速度低、精度高的電路40（2）間接）間接A/D轉(zhuǎn)換器：轉(zhuǎn)換器： 電壓電壓-頻率變換型（頻率變換型（V-F變換型）變換型）首先將輸入模擬電壓轉(zhuǎn)換為與之成正比的頻率信號(hào)，然后在固首先將輸入模擬電壓轉(zhuǎn)換為與之成正比的頻率信號(hào)

35、，然后在固定的時(shí)間間隔內(nèi)，對(duì)頻率信號(hào)計(jì)數(shù)，其結(jié)果即為所求。定的時(shí)間間隔內(nèi)，對(duì)頻率信號(hào)計(jì)數(shù)，其結(jié)果即為所求。R5_+311vaR2v1C1_+351R8R4R7RWR2VXR3D1330k360k1.8k560k15k330p24k10k1mX45121XXVVRR C2R11 T1f t41（2）間接）間接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（V-T變換型）變換型）首先將輸入模擬電壓轉(zhuǎn)換為與之成正比的時(shí)間間隔，然后首先將輸入模擬電壓轉(zhuǎn)換為與之成正比的時(shí)間間隔，然后用固定的時(shí)鐘脈沖測(cè)定該時(shí)間間隔，其結(jié)果即為所求。用固定的時(shí)鐘脈沖測(cè)定該時(shí)間間隔，其結(jié)果即為所求。典型電路為雙積分典

36、型電路為雙積分A/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。間接間接A/D轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)：轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度較慢，但工作性能比較穩(wěn)定，特別是轉(zhuǎn)換速度較慢，但工作性能比較穩(wěn)定，特別是雙積分雙積分A/D轉(zhuǎn)換器抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)元器件的要求較低，所以在數(shù)字轉(zhuǎn)換器抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)元器件的要求較低，所以在數(shù)字儀表中應(yīng)用非常廣泛。儀表中應(yīng)用非常廣泛。42 + + + I S1 S2 R FFn S1 VREF O C 1 FF1 Q1 Qn-1 Qn FF1 FF1 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R CP Cr Dn-1 D1 D0 & 數(shù)字量輸出數(shù)字量輸出 C A

37、B G G n 級(jí)計(jì)數(shù)器級(jí)計(jì)數(shù)器 定定時(shí)時(shí)信信號(hào)號(hào) (MSB) (LSB) Tc 1、電路組成、電路組成43 + + + I S1 S2 R FFn S1 VREF O C 1 FF1 Q1 Qn-1 Qn FF1 FF1 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R CP Cr Dn-1 D1 D0 & 數(shù)字量輸數(shù)字量輸C A B G G n 級(jí)計(jì)數(shù)器級(jí)計(jì)數(shù)器 定定時(shí)時(shí)信信號(hào)號(hào) (MSB) (LSB) Tc 0 00 00 00 00 0 開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)S2閉合，待積分電容放電完畢后，斷開(kāi)閉合，待積分電容放電完畢后，斷開(kāi)S2 使電容的初使電容的初始

38、電壓為始電壓為0。此時(shí)可認(rèn)為。此時(shí)可認(rèn)為vo=0。 t =0 時(shí)，時(shí)，Cr信號(hào)將計(jì)數(shù)器清信號(hào)將計(jì)數(shù)器清零，零，Qn=0；開(kāi)關(guān)；開(kāi)關(guān)S1與與A端相接。端相接。2、工作原理、工作原理準(zhǔn)備階段：準(zhǔn)備階段：44 tIOdt01 經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)2n個(gè)個(gè)CP11TVI (2) 第一次積分：第一次積分：從從t =0開(kāi)始，開(kāi)關(guān)開(kāi)始，開(kāi)關(guān)S1與與A端相接，積分器開(kāi)始對(duì)端相接，積分器開(kāi)始對(duì) I積分，積分， vo從從0開(kāi)始下降，開(kāi)始下降， vC 0 ,與門(mén)與門(mén)G打開(kāi)。經(jīng)打開(kāi)。經(jīng)2n個(gè)個(gè)CP后后, Qn由由0變?yōu)樽優(yōu)?，開(kāi)關(guān)切換到開(kāi)關(guān)切換到B， vo =VP。第一段積分時(shí)間第一段積分時(shí)間T1為為2nTC 。 + + + I

39、 S1 S2 R FFn S1 VREF O C 1 FF1 Q1 Qn-1 Qn FF1 FF1 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R 1J C1 1K R CP Cr Dn-1 D1 D0 & C A B G G n 級(jí)計(jì)數(shù)器級(jí)計(jì)數(shù)器 定定時(shí)時(shí)信信號(hào)號(hào) 45-VREF加到積分器的輸入端，積分器反方向進(jìn)行第二次積分；加到積分器的輸入端，積分器反方向進(jìn)行第二次積分；當(dāng)當(dāng)t=t2時(shí)積分器輸出電壓時(shí)積分器輸出電壓 O0，比較器輸出，比較器輸出 C=0，時(shí)鐘脈沖控，時(shí)鐘脈沖控制門(mén)制門(mén)G被關(guān)閉，計(jì)數(shù)停止。被關(guān)閉，計(jì)數(shù)停止。(3) (3) 第二次積分：第二次積分： + + + I S1