第7章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

1、第第7章章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器7.1 概述概述7.2 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器7.3 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器一、數(shù)一、數(shù)/模和模模和模/數(shù)器是模擬、數(shù)字系統(tǒng)間的橋梁數(shù)器是模擬、數(shù)字系統(tǒng)間的橋梁模模 / 數(shù)數(shù)（A / D）轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換:Analog to Digital Converter （ADC）數(shù)數(shù) / 模（模（）轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換:Digital to Analog Converter （DAC）數(shù)字計(jì)算機(jī)數(shù)字計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)模擬系統(tǒng)A/DD/A二進(jìn)制二進(jìn)制線性線性存儲(chǔ)存儲(chǔ)分析分析控制控制物理物理 生物生物 化學(xué)化學(xué)二、二、 常見(jiàn)常見(jiàn)數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用系統(tǒng)舉例數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用系統(tǒng)舉例壓力傳感器

2、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(kāi)開(kāi)關(guān)關(guān)數(shù)數(shù)字字控控制制計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)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(chǎn)產(chǎn) 控控 制制 對(duì)對(duì) 象象DACADC三、三、A / D、D / A 轉(zhuǎn)換器的精度和速度轉(zhuǎn)換器的精度和速度精度精度保證轉(zhuǎn)換的保證轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性速度速度保證保證適時(shí)控制適時(shí)控制7.2.1 D / A轉(zhuǎn)換的基本要求轉(zhuǎn)換的基本要求1. D / A轉(zhuǎn)換思路轉(zhuǎn)換思路d0d1dn-1uO或或iOn 位位二進(jìn)制二進(jìn)制如如 ( (1101) )213148212121023 102

3、10niiidN可利用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)運(yùn)算可利用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)運(yùn)算2. 轉(zhuǎn)換特性轉(zhuǎn)換特性DuO/V7654321001 010 011 100 101 110 111一、輸入、輸出關(guān)系框圖一、輸入、輸出關(guān)系框圖二、二、D/A 轉(zhuǎn)換的電路組成轉(zhuǎn)換的電路組成RRR2R2R2R2RUREFS0S1S2d0d0d1d2d1d2電子電子開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò)求和運(yùn)放求和運(yùn)放當(dāng)當(dāng) d2d1d0 = 100,II / 2I / 4I / 8I/2I = UREF / RRIu2O RRU2REF 23REF212 UuO三、工作原理三、工作原理當(dāng)當(dāng) d2d1d0 = 110,IRRR2R2R2R2RUREF

4、uOI / 2I / 4I / 8RIIu)42(O )2121(2123REF URRURU)42(REFREF 當(dāng)當(dāng) d2d1d0 = 111,IRRR2R2R2R2RUREFuOI / 2I / 4I / 8RIIIu)842(O )212121(20123REF URRURURU)842(REFREFREF 表達(dá)的一般形式表達(dá)的一般形式)222(20011223REFO dddUu四、輸入為四、輸入為 n 位二進(jìn)制數(shù)時(shí)的表達(dá)式位二進(jìn)制數(shù)時(shí)的表達(dá)式當(dāng)當(dāng) D = dn-1 dn-2 d1 d0 )22.2(2001111REFO dddUunnnDKDUun uREFO2Ku 轉(zhuǎn)換比例系數(shù)

5、轉(zhuǎn)換比例系數(shù)nUK2REFu 7.2.2 DAC 的轉(zhuǎn)換精度、速度和主要參數(shù)的轉(zhuǎn)換精度、速度和主要參數(shù)一、轉(zhuǎn)換精度一、轉(zhuǎn)換精度指指 D/A 轉(zhuǎn)換器模擬輸出產(chǎn)生的最小電壓變化量與滿轉(zhuǎn)換器模擬輸出產(chǎn)生的最小電壓變化量與滿刻度輸出電壓之比，也可用輸入的位數(shù)表示?？潭容敵鲭妷褐?，也可用輸入的位數(shù)表示。為實(shí)際輸出與理想輸出模擬電壓間的最大誤差。為實(shí)際輸出與理想輸出模擬電壓間的最大誤差。 ULSBUFSR=12n1分辨率分辨率=LSB Least Significant Bit2.轉(zhuǎn)換誤差轉(zhuǎn)換誤差可用占輸出電壓滿刻度值的百分?jǐn)?shù)表示或可用最可用占輸出電壓滿刻度值的百分?jǐn)?shù)表示或可用最低有效位（低有效位（LS

6、B）的倍數(shù)表示。的倍數(shù)表示。如如: （LSB）= 輸入為輸入為 001 時(shí)輸出模擬電壓的一半。時(shí)輸出模擬電壓的一半。1.1.分辨率分辨率（Resolution）FSR Full Scale Range二、轉(zhuǎn)換速度二、轉(zhuǎn)換速度1. 建立時(shí)間建立時(shí)間 ts ts 為在大信號(hào)工作下（輸入由為在大信號(hào)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）, 輸出輸出 電壓達(dá)到某一規(guī)定值所需時(shí)間電壓達(dá)到某一規(guī)定值所需時(shí)間 。不包含不包含 UREF 和運(yùn)放的單片和運(yùn)放的單片 DAC 最短最短 ts 0.1 s；包含包含UREF 和運(yùn)放的單片和運(yùn)放的單片 DAC 最短最短 t s 1

7、.5 s。2. 轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率 SR 用大信號(hào)工作狀態(tài)下模擬電壓的變化率表示用大信號(hào)工作狀態(tài)下模擬電壓的變化率表示TTR = ts + tr （tf）上升時(shí)間下降時(shí)間完成一次轉(zhuǎn)換所需時(shí)間TTR（max） = ts+ UO（max） / SR三、主要參數(shù)三、主要參數(shù)D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 5G7520 的主要參數(shù)的主要參數(shù)參數(shù)名稱參數(shù)名稱單單 位位參數(shù)值參數(shù)值分辨率分辨率位位10非線性度非線性度全量程的全量程的 % 0.05 %轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間ns 500UREFV25 +25電源電壓電源電壓V5 15功功 耗耗mW 20溫度溫度系數(shù)系數(shù)電源電源FSR 106/C50增益增益FSR 106/C1

8、0非線性非線性FSR 106/C2uI(t)C CADC的的量化編碼量化編碼電路電路dn-1d1d0u I(t)S S模擬量模擬量數(shù)字量數(shù)字量量化編碼量化編碼取樣：取樣：把時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)變換為時(shí)間離散的信號(hào)。把時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)變換為時(shí)間離散的信號(hào)。保持：保持：保持取樣信號(hào)保持取樣信號(hào),使有充分時(shí)間將其變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。使有充分時(shí)間將其變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。取樣保持取樣保持（S / H Sample / Hold）當(dāng)滿足當(dāng)滿足 fs 2 fimax 時(shí)時(shí), 取樣信號(hào)可恢復(fù)原信號(hào)。取樣信號(hào)可恢復(fù)原信號(hào)。fs 取樣頻率。取樣頻率。 fimax 信號(hào)的最高頻率分量。信號(hào)的最高頻率分量。 tO OuIfO O

9、)( fAfs fimax fimaxuI tO O三三、量化和編碼、量化和編碼量化單位量化單位數(shù)字信號(hào)最低位數(shù)字信號(hào)最低位LSB所對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)大小，所對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)大小，用用 表示（即表示（即 1 ）。）。量化量化把取樣后的保持信號(hào)化為量化單位的整數(shù)倍。把取樣后的保持信號(hào)化為量化單位的整數(shù)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(shù)值用二進(jìn)制代碼表示。把量化的數(shù)值用二進(jìn)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01V1/82/83/84/85/86/87/8000001010011100101110111

10、模擬模擬電平電平二進(jìn)制二進(jìn)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/ 8)V1V1/153/155/157/159/15 11/15 13/150000010100111001011101110模擬模擬電平電平二進(jìn)制二進(jìn)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)V最大量化誤差最大量化誤差 = = (1 / 8) V = / 2 = (1/15)V7.3.2 取樣取樣 -

11、保持電路保持電路一一、電路組成及工作原理、電路組成及工作原理當(dāng)當(dāng) uL 為為高高電平：電平：RfChRiuIuOuLTRf = RiT 導(dǎo)通，導(dǎo)通，Ch 充電至：充電至：uO = uI = uC當(dāng)當(dāng) u uL L 為為低低電平：電平：T 截止，截止，Ch 基本不放電?；静环烹?。uO 保持保持：為為使使 Ch 充電快充電快，Ri 越越小小越越好；好；為為使電路輸入電阻高使電路輸入電阻高，Ri 越越大大越越好。好。二二、改進(jìn)電路、改進(jìn)電路 (LF198) 及工作原理及工作原理R2ChR1uIuOuLu u O O300 30 k D1D2S當(dāng)當(dāng) uL = 1， S 閉合閉合 uO = u O =

12、 uI ，uC = uI 當(dāng)當(dāng) uL = 0， S 斷開(kāi)斷開(kāi) uO 保持保持D1 、D2的的作用作用：限制：限制 u O 在在 uI + uD以內(nèi)，起保護(hù)作用以內(nèi)，起保護(hù)作用。6 2145387uOuIuLChLF198一一 、基本工作原理電路、基本工作原理電路7.3.3 逐次漸近型逐次漸近型 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器D/Au uI I逐次漸近逐次漸近寄存器寄存器比較器比較器參考參考電源電源時(shí)鐘時(shí)鐘信號(hào)信號(hào)MSBLSBMSBLSB并行數(shù)字輸出并行數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換控制信號(hào)轉(zhuǎn)換控制信號(hào)3.2V10008V101004V00102V000113V00011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

13、漸近寄存器寄存器比比較較器器 二、轉(zhuǎn)換過(guò)程舉例二、轉(zhuǎn)換過(guò)程舉例3 位位 D/AQ1S1Rd0 +CPd1d2 1Q1S1RFFBFFC1 d0d1d2uIuOuCC C5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 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

14、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 07.3.4 雙積分型雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換思路：轉(zhuǎn)換思路：模擬輸入模擬輸入 uI t t 控制計(jì)數(shù)控制計(jì)數(shù) CP 個(gè)數(shù)個(gè)數(shù)輸出二進(jìn)制數(shù)輸出二進(jìn)制數(shù) 一、電路組成和工作原理一、電路組成和工作原理CO S2CS1uI邏輯邏輯控制門控制門C定時(shí)器定時(shí)器n 位二進(jìn)制位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器&dn1d0uCP基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓 0 正向積分：正向積分：對(duì)被測(cè)信號(hào)對(duì)被測(cè)信號(hào)uI進(jìn)行定時(shí)積分，完成一次進(jìn)行定時(shí)積分，完成一次 2n

15、進(jìn)制計(jì)數(shù)。進(jìn)制計(jì)數(shù)。 反向積分反向積分：對(duì)：對(duì)基準(zhǔn)電壓積分基準(zhǔn)電壓積分至至u= 0，計(jì)數(shù)結(jié)果與計(jì)數(shù)結(jié)果與uI成正比。成正比。S2CS1uI邏輯邏輯控制門控制門C定時(shí)器定時(shí)器3 位二進(jìn)制位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器&d2d0u基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓 逐次比較型逐次比較型 雙積分型雙積分型7.3.7 幾種幾種A/D轉(zhuǎn)換器的性能比較轉(zhuǎn)換器的性能比較一、一、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(jì)數(shù)型。，計(jì)數(shù)型。間接間接 A/D電壓電壓-時(shí)間變換型（時(shí)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(lián)比較型并聯(lián)比較型二、性能比較：二、

16、性能比較：優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn)并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型轉(zhuǎn)換速度高轉(zhuǎn)換速度高轉(zhuǎn)換精度差轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換速度較快轉(zhuǎn)換速度較快雙積分型雙積分型性能穩(wěn)定性能穩(wěn)定轉(zhuǎn)換精度高轉(zhuǎn)換精度高抗干擾能力強(qiáng)抗干擾能力強(qiáng)轉(zhuǎn)換速度低轉(zhuǎn)換速度低一、一、D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器1. 功能：功能：將將輸入的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成與之成正比輸入的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成與之成正比的模擬電量。的模擬電量。2. 種類：種類：權(quán)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、電阻網(wǎng)絡(luò)、R - 2R T 形電阻網(wǎng)絡(luò)和形電阻網(wǎng)絡(luò)和 R - 2R 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。實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換有多種方式，常用的是實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換有多種方

17、式，常用的是電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò) D/A 轉(zhuǎn)換器，包括轉(zhuǎn)換器，包括 其中以其中以 R - 2R 倒倒 T 形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò) D/A 轉(zhuǎn)換器為重點(diǎn)作了詳轉(zhuǎn)換器為重點(diǎn)作了詳細(xì)介紹，它的特點(diǎn)是速度快、性能好，適合于集成工藝制造，細(xì)介紹，它的特點(diǎn)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(zhuǎn)換精度：分辨率和轉(zhuǎn)換精度： 與與 D/A 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換器的位數(shù)位數(shù)有關(guān)，位數(shù)越多，分辨率和精度越高。有關(guān)，位數(shù)越多，分辨率和精度越高。二、二、A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器1. 功功 能：能： 將將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與之成正比輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與之成正比的二進(jìn)制數(shù)。的二進(jìn)制數(shù)。2. 轉(zhuǎn)換過(guò)程：轉(zhuǎn)換過(guò)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(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器采樣采樣 - 保持電路：保持電路： 對(duì)輸入模擬信號(hào)抽取樣值，并展寬（保持）。對(duì)輸入模擬信號(hào)抽取樣值，并展寬（保持）。采樣時(shí)必須滿足采樣定理，即采樣時(shí)必須滿足采樣定理，即 fs 2 fImax 。量化量化 對(duì)樣值脈沖進(jìn)行分級(jí)。對(duì)樣值脈沖進(jìn)行分級(jí)。編碼編碼 將分級(jí)后的信號(hào)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制代碼。將分級(jí)后的信號(hào)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制代碼。A / D 轉(zhuǎn)換器：轉(zhuǎn)換器：二、二、A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器3. 種類：種類：直接轉(zhuǎn)換型和間接轉(zhuǎn)換型。直接