第8章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器

1、耕種自己田地的，必得飽食；耕種自己田地的，必得飽食；追隨虛浮的，足受窮乏。追隨虛浮的，足受窮乏。 箴言28:198.1 概述概述能將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的電路稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱能將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的電路稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或轉(zhuǎn)換器或ADC；能將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的電路稱為；能將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，簡稱數(shù)模轉(zhuǎn)換器，簡稱D/A轉(zhuǎn)換器或轉(zhuǎn)換器或DAC。ADC和和DAC是溝是溝通模擬電路和數(shù)字電路的橋梁，也可稱之為兩者之間的接通模擬電路和數(shù)字電路的橋梁，也可稱之為兩者之間的接口?？?。多路開關(guān)數(shù)字控制計(jì)算機(jī)DACADC功率放大功率放大執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)加熱爐加熱爐溫度傳感

2、器溫度傳感器信號放大信號放大多路開關(guān)8.2.1 D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理轉(zhuǎn)換器的基本原理1D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理和轉(zhuǎn)換特性將輸入的每一位二進(jìn)制代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換將輸入的每一位二進(jìn)制代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將代表各位的模擬量相成相應(yīng)的模擬量，然后將代表各位的模擬量相加，所得的總模擬量就與數(shù)字量成正比，這樣加，所得的總模擬量就與數(shù)字量成正比，這樣便實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。便實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。uo或 io輸出D/Ad0d1dn1輸入)2222(00112211oddddKunnnnu76543210000 001 010 011 100 101 110 111uo(

3、V)DD/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性，是指其輸出模擬量和輸入數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。圖示是輸入為3位二進(jìn)制數(shù)時(shí)的D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性。理想的D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性，應(yīng)是輸出模擬量與輸入數(shù)字量成正比。如果輸入為n位二進(jìn)制數(shù)dn-1dn-2d1d0，則輸出模擬電壓為：)2222(00112211oddddKunnnnu8.2.2 D/A轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成1二進(jìn)制權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò) D/A轉(zhuǎn)換器R2R4R8RRFI1I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo+RVIRVIRVIRVIREFREFREFREF3210 2 4 8不論模擬開關(guān)接到運(yùn)算放大器的反相輸入端（虛地）還是接到

4、地，也就是不論輸入數(shù)字信號是1還是0，各支路的電流不變的。R2R4R8RRFI1I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo+)2222(2248001122333321033221100ddddRVdRVdRVdRVdRVdIdIdIdIiREFREFREFREFREF)2222(22001122334oddddViRiRuREFFF設(shè)RF=R/22倒 T 型電阻網(wǎng)絡(luò) D/A轉(zhuǎn)換器RRR2R2R2R2R2RRFI1I1I2I3I0I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo+BCDA分別從虛線A、B、C、D處向右看的二端網(wǎng)絡(luò)等效電阻都是

5、R。不論模擬開關(guān)接到運(yùn)算放大器的反相輸入端（虛地）還是接到地，也就是不論輸入數(shù)字信號是1還是0，各支路的電流不變。從 參 考 電 壓 端 輸 入 的 電 流 為 ：RVIREFREFRVIIRVIIRVIIRVIIREFREFREFREFREFREFREFREF16161 881441 2210123RRR2R2R2R2R2RRFI1I1I2I3I0I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo+BCDARVIREFREF)2222(2)214181161(001122334321033221100ddddRVRVdddddIdIdIdIiREFREF)2222(20

6、01122334oddddRRViRiRuFREFFFFRRR2R2R2R2R2RRFI1I1I2I3I0I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo+BCDA誤差分析誤差分析 1 1、因參考電壓的偏離引起的誤差、因參考電壓的偏離引起的誤差 2 2、實(shí)際運(yùn)放的偏離引起的誤差、實(shí)際運(yùn)放的偏離引起的誤差 3 3、模擬開關(guān)的導(dǎo)通壓降引起的誤差、模擬開關(guān)的導(dǎo)通壓降引起的誤差 4 4、電阻阻值的偏差引起的誤差、電阻阻值的偏差引起的誤差一種簡化的CMOS開關(guān)型D/A轉(zhuǎn)換器CMOSCMOS開關(guān)電路的組成及工作原理開關(guān)電路的組成及工作原理2D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)（1）分辨率分辨

7、率用輸入二進(jìn)制數(shù)的有效位數(shù)表示。在分辨率為n位的D/A轉(zhuǎn)換器中，輸出電壓能區(qū)分2n個(gè)不同的輸入二進(jìn)制代碼狀態(tài)，能給出2n個(gè)不同等級的輸出模擬電壓。分辨率也可以用D/A轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓的比值來表示。10位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為：（2）轉(zhuǎn)換精度D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是指輸出模擬電壓的實(shí)際值與理想值之差，即最大靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。（3）輸出建立時(shí)間從輸入數(shù)字信號起，到輸出電壓或電流到達(dá)穩(wěn)定值時(shí)所需要的時(shí)間，稱為輸出建立時(shí)間。001. 01023112110 D/A D/A轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)含義轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)含義 1 1、分辨率：所能產(chǎn)生的最小電壓變化量與滿刻度輸、分辨率：所能產(chǎn)生的最小電

8、壓變化量與滿刻度輸出電壓之比。位數(shù)越高，分辨能力就越強(qiáng)，分辨率出電壓之比。位數(shù)越高，分辨能力就越強(qiáng)，分辨率的值越低（?。５闹翟降停ㄐ。?。 2 2、轉(zhuǎn)換精度（絕對精度）：實(shí)際輸出的模擬電壓與、轉(zhuǎn)換精度（絕對精度）：實(shí)際輸出的模擬電壓與理論輸出模擬電壓間的最大誤差。與元件參數(shù)的精理論輸出模擬電壓間的最大誤差。與元件參數(shù)的精度、工作溫度、運(yùn)放的溫度漂移及轉(zhuǎn)換位數(shù)有關(guān)。度、工作溫度、運(yùn)放的溫度漂移及轉(zhuǎn)換位數(shù)有關(guān)。通常要求小于最小電壓變化量的一半。通常要求小于最小電壓變化量的一半。 3 3、轉(zhuǎn)換時(shí)間：衡量轉(zhuǎn)換速度。、轉(zhuǎn)換時(shí)間：衡量轉(zhuǎn)換速度。 4 4* *、線性度：又稱為非線性誤差，是偏離理想的輸、線性

9、度：又稱為非線性誤差，是偏離理想的輸入入- -輸出特性的偏差與滿刻度輸出之比的百分率。輸出特性的偏差與滿刻度輸出之比的百分率。集成集成D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器5G75205G7520及其應(yīng)及其應(yīng)用電路舉例用電路舉例1 1、輸入全為、輸入全為0 0時(shí)，調(diào)運(yùn)放時(shí)，調(diào)運(yùn)放調(diào)零電位器使輸出為調(diào)零電位器使輸出為0 0；2 2、輸入全為輸入全為1 1時(shí)，調(diào)時(shí)，調(diào)R R1 1使輸出使輸出為預(yù)定滿量程輸出；為預(yù)定滿量程輸出；3 3、R R2 2用以調(diào)節(jié)輸出電壓值（滿用以調(diào)節(jié)輸出電壓值（滿量程下降）。量程下降）。由由5G75205G7520構(gòu)成數(shù)控電流源構(gòu)成數(shù)控電流源8.3 A/D8.3 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 用

10、于將模擬信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量，是用于將模擬信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量，是模擬系統(tǒng)到數(shù)字系統(tǒng)的接口電路。模擬系統(tǒng)到數(shù)字系統(tǒng)的接口電路。 轉(zhuǎn)換需要時(shí)間，故要求轉(zhuǎn)換期間輸入的模轉(zhuǎn)換需要時(shí)間，故要求轉(zhuǎn)換期間輸入的模擬量保持不變；須進(jìn)行模擬信號的離散處擬量保持不變；須進(jìn)行模擬信號的離散處理，即采樣和保持。理，即采樣和保持。 把保持的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的過程稱為把保持的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的過程稱為量化過程；把量化的結(jié)果進(jìn)行編碼得到輸量化過程；把量化的結(jié)果進(jìn)行編碼得到輸出的數(shù)字信號。出的數(shù)字信號。 分兩步完成。分兩步完成。8.3.1 8.3.1 采樣采樣- -保持保持采樣頻率越高，輸出脈沖的包絡(luò)線就越接近輸入

11、采樣頻率越高，輸出脈沖的包絡(luò)線就越接近輸入的模擬信號。的模擬信號。采樣定理：采樣頻率高于輸入信號最高頻率的采樣定理：采樣頻率高于輸入信號最高頻率的2 2倍倍以上。以上。采樣采樣- -保持器保持器V VL L高電平時(shí)高電平時(shí)T T導(dǎo)通，保持電容導(dǎo)通，保持電容C CH H兩兩端的電位差即為輸出電壓，處于采端的電位差即為輸出電壓，處于采樣期；樣期；V VL L為低電平時(shí)為低電平時(shí)T T截止，截止，C CH H無放電回?zé)o放電回路，輸出保持在采樣結(jié)束前的輸入路，輸出保持在采樣結(jié)束前的輸入值。值。國產(chǎn)單片集成采樣保持器國產(chǎn)單片集成采樣保持器5G582的結(jié)構(gòu)示意圖和引腳圖的結(jié)構(gòu)示意圖和引腳圖邏輯控制輸入為差

12、動方式：邏輯控制輸入為差動方式：-6-6+0.8V+0.8V時(shí)為采樣狀態(tài)，時(shí)為采樣狀態(tài)，+2+2(+Vcc-3V)(+Vcc-3V)時(shí)為保持時(shí)為保持狀態(tài)。狀態(tài)。兩個(gè)模擬量輸入端兩個(gè)模擬量輸入端5G582 5G582 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例將輸入和輸出將輸入和輸出運(yùn)放構(gòu)成一個(gè)運(yùn)放構(gòu)成一個(gè)電壓跟隨器電壓跟隨器輸入高電平輸入高電平（3.5V）時(shí)為保）時(shí)為保持狀態(tài)；輸入低持狀態(tài)；輸入低電平（電平（0V）時(shí)）時(shí)為采樣狀態(tài)。為采樣狀態(tài)。用以對輸入運(yùn)放的用以對輸入運(yùn)放的失調(diào)進(jìn)行調(diào)節(jié)。失調(diào)進(jìn)行調(diào)節(jié)。8.3.2 8.3.2 并聯(lián)（行）比較型并聯(lián)（行）比較型A/DA/D工作原理工作原理特點(diǎn)：是所有特點(diǎn)：是所有A/DA/

13、D中速度最快中速度最快的一種，但電路的一種，但電路復(fù)雜、成本高、復(fù)雜、成本高、價(jià)格貴，一般分價(jià)格貴，一般分辨率較低。辨率較低。分辨率的提高分辨率的提高8.3.3 8.3.3 逐次漸近型逐次漸近型A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器3 3位逐次漸近型位逐次漸近型A/DA/D轉(zhuǎn)換開始前轉(zhuǎn)換開始前使使Q5Q5為為1 1，其余為其余為0 0。第一個(gè)第一個(gè)CPCP作用后作用后Q1Q1為為1 1，其余，其余為為0 0。然后。然后逐位比較。逐位比較。最低位為最低位為1 1，其余均為，其余均為0 0時(shí)時(shí)對應(yīng)的模擬量的一半，目對應(yīng)的模擬量的一半，目的是減小量化誤差。的是減小量化誤差。逐次漸近型逐次漸近型A/DA/D的特點(diǎn)的

14、特點(diǎn) n n位逐次漸近型位逐次漸近型A/DA/D完成一次轉(zhuǎn)換需進(jìn)完成一次轉(zhuǎn)換需進(jìn)行行n n次比較，經(jīng)次比較，經(jīng)n+2n+2個(gè)時(shí)鐘脈沖，即轉(zhuǎn)個(gè)時(shí)鐘脈沖，即轉(zhuǎn)換一次所需時(shí)間固定，為換一次所需時(shí)間固定，為(n+2)Tcp(n+2)Tcp，屬，屬于中速于中速A/DA/D。 由于轉(zhuǎn)換所需時(shí)間不隨輸入的改變，可由于轉(zhuǎn)換所需時(shí)間不隨輸入的改變，可采用定時(shí)查詢的方式讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。采用定時(shí)查詢的方式讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。 電路簡單，成本較低。電路簡單，成本較低。屬于逐次漸近型轉(zhuǎn)換方式的集成屬于逐次漸近型轉(zhuǎn)換方式的集成A/DA/D有：有：ADC0801ADC0801、ADC0809ADC0809、AD571AD571、A

15、D5770AD5770等。等。是是8 8位位A/DA/D，有，有2020個(gè)管腳，個(gè)管腳，三態(tài)鎖存輸出，數(shù)據(jù)可采三態(tài)鎖存輸出，數(shù)據(jù)可采用總線結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換時(shí)間約用總線結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換時(shí)間約為為100100s s。輸入為正時(shí)，負(fù)輸入端接地，否則反之。輸入為正時(shí)，負(fù)輸入端接地，否則反之。片選片選讀出，為讀出，為1 1時(shí)三態(tài)門時(shí)三態(tài)門處于高阻處于高阻態(tài)，為態(tài)，為0 0時(shí)時(shí)接通外部接通外部總線?？偩€。寫入，為寫入，為0 0時(shí)進(jìn)入時(shí)進(jìn)入啟動狀態(tài)，變?yōu)閱訝顟B(tài)，變?yōu)? 1時(shí)轉(zhuǎn)換開始，轉(zhuǎn)換時(shí)轉(zhuǎn)換開始，轉(zhuǎn)換結(jié)束又變?yōu)榻Y(jié)束又變?yōu)? 0。ADC0809ADC0809也是也是8 8位位CMOSCMOS逐次漸近型逐次漸近型A/DA/D，主要用于微機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。，主要用于微機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。ADC0809ADC0809的典型接線的典型接線8.3.4 8.3.4 雙積分型雙積分型A/DA/D轉(zhuǎn)換時(shí)間長（工作速度最低），電路簡單，轉(zhuǎn)換時(shí)