模數轉換設備

1、模數轉換設備電子信息系統典型結構概述概述 計算機系統是一個數字系統、離散系統，而我們計算機系統是一個數字系統、離散系統，而我們生活的外部世界是一個模擬系統。為使計算機系統能生活的外部世界是一個模擬系統。為使計算機系統能夠了解外部世界，對外部事物進行處理，就必須有一夠了解外部世界，對外部事物進行處理，就必須有一個將模擬量轉換為數字量，將數字量轉換為模擬量的個將模擬量轉換為數字量，將數字量轉換為模擬量的接口，這就是常說的接口，這就是常說的 A/DA/D和和 D/AD/A。 雖然模擬量是無限可分的、連續(xù)的，數字量是離雖然模擬量是無限可分的、連續(xù)的，數字量是離散的，數字量永遠也不能精確地描述模擬量，但

2、由于散的，數字量永遠也不能精確地描述模擬量，但由于我們對客觀世界的了解、描述并不總需要極高的精度，我們對客觀世界的了解、描述并不總需要極高的精度，所以選擇適當精度的數字量來描述模擬量是完全夠用所以選擇適當精度的數字量來描述模擬量是完全夠用的。的。 ADCADC和和DACDAC是溝通模擬電路和數字電路的橋梁，也是溝通模擬電路和數字電路的橋梁，也可稱之為兩者之間的接口。可稱之為兩者之間的接口。 能將模擬量轉換為數字量的電路稱為模數轉換器，簡能將模擬量轉換為數字量的電路稱為模數轉換器，簡稱稱A/DA/D轉換器或轉換器或ADCADC； 能將數字量轉換為模擬量的電路稱為數模轉換器，簡能將數字量轉換為模擬

3、量的電路稱為數模轉換器，簡稱稱D/AD/A轉換器或轉換器或DACDAC。 多路開關數字控制計算機DACADC功率放大功率放大執(zhí)行機構執(zhí)行機構加熱爐加熱爐溫度傳感器溫度傳感器信號放大信號放大多路開關 本章將簡單介紹本章將簡單介紹D/AD/A轉換器和轉換器和A/DA/D轉換器的幾種主要形式。轉換器的幾種主要形式。1 D/A轉換器(DAC)一、一、D/AD/A轉換器的基本原理和轉換特性轉換器的基本原理和轉換特性將輸入的每一位二進制代碼按其權的大小轉將輸入的每一位二進制代碼按其權的大小轉換成相應的模擬量，然后將代表各位的模擬換成相應的模擬量，然后將代表各位的模擬量相加，所得的總模擬量就與數字量成正比，

4、量相加，所得的總模擬量就與數字量成正比，這樣便實現了從數字量到模擬量的轉換。這樣便實現了從數字量到模擬量的轉換。uo或io輸出D/Ad0d1dn1輸入)2222(00112211oddddKunnnnu給定數字量的給定數字量的D/AD/A轉換過程：轉換過程：按權展開，求相應位的模擬量；按權展開，求相應位的模擬量；相加求和，求總的模擬量；相加求和，求總的模擬量；電阻網絡：實現按權展開；電阻網絡：實現按權展開；電子開關電子開關: : 給定數字量；給定數字量；求和電路求和電路: : 完成模擬量相加。完成模擬量相加。DACDAC的一般構成：的一般構成：存在多種網絡存在多種網絡形式。形式。由晶體管或由晶

5、體管或MOS管組成。管組成。由運放組成由運放組成 。R2R4R8RRFI1I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo+RVIRVIRVIRVIREFREFREFREF3210248 二、二進制權電阻網絡二、二進制權電阻網絡DACDAC參參考考電電壓壓電子開關：電子開關：d d11接接“-”;d=0 -”;d=0 接接“+”+”不論不論d d接哪端（虛地或實地），各支路電流不變。接哪端（虛地或實地），各支路電流不變。求和求和電路電路電路電路R2R4R8RRFI1I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo+)2222(2248001122

6、333321033221100ddddRVdRVdRVdRVdRVdIdIdIdIiREFREFREFREFREFBREFREFFFNVddddViRiRu40011223342)2222(22o設RF=R/2 轉換原理轉換原理輸出輸出 R R R 2R 2R 2R 2R 2R RF I S0 S3 S2 S1 d3 d0 d1 d2 +VR uo + B C D A P 2R 三、三、T T型電阻網絡型電阻網絡DACDAC電路電路電子開關：電子開關：d d11接接“V VR R”;d=0 ”;d=0 接接“地地” 2R 2R R +VA B 2R 2R 2R +VR A 轉換原理轉換原理 R

7、 R R 2R 2R 2R 2R 2R RF I S0 S3 S2 S1 d3 d0 d1 d2 +VR uo + B C D A P 2R V VR R通過通過S S0 0到到D D點點 的電壓值的電壓值等效電路：等效電路：32RRAVVRRRVS S0 0接接V VR RS S1 1 S S2 2 S S3 3接地接地3212RAABVVVRRRV3412RBCVVV3812RCDVVV同理：同理：所以，所以，當當d d3 3d d2 2d d1 1d d0 000010001時時381RDVV R R R 2R 2R 2R 2R 2R RF I S0 S3 S2 S1 d3 d0 d1

8、d2 +VR uo + B C D A P 2R 同理，當同理，當d d3 3d d2 2d d1 1d d0 000100010時時341RDVV當當d d3 3d d2 2d d1 1d d0 001000100時時321RDVV當當d d3 3d d2 2d d1 1d d0 010001000時時3RDVV d d3 3d d2 2d d1 1d d0 0為任意值時為任意值時 D D點的電壓值點的電壓值BRRRRRRDNVddddVdVdVdVdVV32)2222(32383432330011223330123 輸出：輸出：BRfDfONVRRVRRV32223BRONVV42取取R

9、Rf f3R 3R ： R R R 2R 2R 2R 2R 2R I1 I1 I2 I3 I0 I0 I2 I I d0 d3 d2 d1 VR B C D A RF uo + S3 S0 S1 S2 I3 P P 電路電路注注：1、電子開關置于電阻網絡和運放之間。電子開關置于電阻網絡和運放之間。 d di i1 1電流入電流入P P點（虛地），點（虛地）， d di i0 0電流入地（實地）。電流入地（實地）。 2 2、無論開關在左（實地）還是在右（虛地），、無論開關在左（實地）還是在右（虛地）， 電流不變，故無需電流建立時間。電流不變，故無需電流建立時間。四、倒四、倒T T型電阻網絡型電阻

10、網絡DACDAC 轉換原理轉換原理 R R R 2R 2R 2R 2R 2R I1 I1 I2 I3 I0 I0 I2 I I d0 d3 d2 d1 VR B C D A RF uo + S3 S0 S1 S2 I3 P P 節(jié)點節(jié)點A、B、C、D以左，等效電阻為以左，等效電阻為2R。 總等效電阻為總等效電阻為R?？傠娏骺傠娏鱎VIR 轉換原理（續(xù)）轉換原理（續(xù)） R R R 2R 2R 2R 2R 2R I1 I1 I2 I3 I0 I0 I2 I I d0 d3 d2 d1 VR B C D A RF uo + S3 S0 S1 S2 I3 P P RVIIR223每過一個節(jié)點，電流被分

11、流每過一個節(jié)點，電流被分流1/2。RVIIR4232RVIIR8221RVIIR16210 轉換原理（續(xù)）轉換原理（續(xù)） R R R 2R 2R 2R 2R 2R I1 I1 I2 I3 I0 I0 I2 I I d0 d3 d2 d1 VR B C D A RF uo + S3 S0 S1 S2 I3 P P RVIIR223RVIIR4232RVIIR8221RVIIR16210流入流入P點總電流點總電流）（001122332222161ddddRVIR輸出電壓輸出電壓）（001122334222221ddddFRFORRVRIVRRF取取BRRONVVV4001122334222222）

12、（dddd2 采樣：以一定的周期讀取輸入電壓信號。采樣定理：fs2, fAmax 工程上： fs10fAmax保持：使讀取的信號在周期內不變。轉換原理轉換原理 模擬信號（模擬信號（A A）轉換成數字信號（）轉換成數字信號（D D）需要時間，所以轉）需要時間，所以轉換時間上是離散的；另一方面，模擬信號輻值連續(xù)，數字信換時間上是離散的；另一方面，模擬信號輻值連續(xù)，數字信號輻值離散。所以號輻值離散。所以ADAD轉換需要做的是對模擬信號進行輻值離轉換需要做的是對模擬信號進行輻值離散和時間離散。散和時間離散。 dn-1d1d0數字量輸出(n位)ADC的數字化編碼電路 CPS SCADC采樣-保持電路采樣

13、展寬信號輸入模擬電壓ui(t)us(t)時間離散時間離散采樣定理采樣定理輻值離散輻值離散量化編碼量化編碼Vref要求要求在采樣時間內，信號維持不變，以提供足夠的轉換時間。在采樣時間內，信號維持不變，以提供足夠的轉換時間。采樣后保持原信號特征。采樣后保持原信號特征。采樣定理采樣定理max2iSff 采樣頻率大于采樣頻率大于2倍輸入倍輸入信號頻率的最大值。信號頻率的最大值。主要參數n參考電壓： AD轉換最大數值n輸出字段： 轉換后的字節(jié)各個位數的含義n轉換精度： 由參考電壓和輸出字段長度共同決定，為ADC的最小步進電壓，反映了ADC對最小電壓變化的檢測能力。模數轉換器類型n跟蹤式模數轉換器n快速模

14、數轉換器n逐次逼近型模數轉換器n雙斜率模數轉換器n-模數轉換器nHalf-Flash模數轉換器1 跟蹤式模數轉換器n組成：n 一個比較器，一個計數器，一個DACn缺點： (1)轉換速度慢 (2)最高時鐘頻率取決于DAC和比較器的信號延時速度2、快速A/D轉換器REFREFREFREFREFREFREFREFVvVvVvVvVvVvVvVv16151613161116916716516316187654321快速A/D轉換器特點n優(yōu)點：轉換速率快n缺點：耗費了大量比較器和邏輯電路， 功耗大3 3、逐次比較、逐次比較型型A/D轉換器轉換器特點：轉換速度中速（幾十K到幾百KHz）， 成本較低。對分查

15、找對分查找逐次比較逐次比較型型A/D轉換器特點轉換器特點n通過對分查找得到輸出數值，相比于快速ADC,節(jié)省了大量的比較器。nN位的ADC需N個時鐘單元內完成一次轉換 雙積分型雙積分型ADCADC的轉換原理是先將模擬電壓的轉換原理是先將模擬電壓U UI I轉換成與其大轉換成與其大小成正比的時間間隔小成正比的時間間隔T T，再利用基準時鐘脈沖通過計數器將，再利用基準時鐘脈沖通過計數器將T T變變換成數字量。換成數字量。 4 雙積分型雙積分型A/D轉換器轉換器 雙積分型雙積分型ADC雙積分型A/D轉換器特點n首先，其轉換結果與時間常數首先，其轉換結果與時間常數RC無關，從而消除了由無關，從而消除了由

16、于斜波電壓非線性帶來的誤差，允許積分電容在一個于斜波電壓非線性帶來的誤差，允許積分電容在一個較寬范圍內變化，而不影響轉換結果。較寬范圍內變化，而不影響轉換結果。n其次，由于輸入信號積分的時間較長，且是一個固定其次，由于輸入信號積分的時間較長，且是一個固定值值T1，而，而T2正比于輸入信號在正比于輸入信號在T1內的平均值，這對于內的平均值，這對于疊加在輸入信號上的干擾信號有很強的抑制能力。疊加在輸入信號上的干擾信號有很強的抑制能力。n最后，這種最后，這種A/D轉換器不必采用高穩(wěn)定度的時鐘源，轉換器不必采用高穩(wěn)定度的時鐘源，它只要求時鐘源在一個轉換周期（它只要求時鐘源在一個轉換周期（T1+T2）內

17、保持穩(wěn)）內保持穩(wěn)定即可。這種轉換器被廣泛定即可。這種轉換器被廣泛應用于要求精度較高而轉應用于要求精度較高而轉換速度要求不高的儀器中換速度要求不高的儀器中。 5 、 -型ADCn -ADC的基本思想是用數字化速度來換取位數，即采用高速、低位數(通常是1位)的ADC來實現低速、高位數的ADC。其主要組成是-調制器及低通數字濾波器，如圖所示。 -調制器由差動器、積分器和比較器構成，它們一起構成一個反饋環(huán)路。調制器以遠大于奈奎斯特頻率的采樣率對模擬信號進行采樣和量化，輸出一位數字位流。數字低通濾波器完成低通濾波和抽取功能。n-調制器的特點在于它的噪聲整型特性。它將模擬輸入與反饋信號(誤差信號)進行差動

18、(delta)比較，將比較產生的差動輸出饋送到積分器(sigma)中，然后將積分器的輸出饋送到比較器中。比較器的輸出同時將反饋信號(誤差信號)通過一位DAC后傳送到差動器，而自身被饋送到數字濾波器中。一種集成-型ADC原理框圖-調制器-型A/D轉換器特點n1、精度很高。n2、轉換速率不夠高,適于音頻采樣。n3、需設計數字濾波器。6 Half-Flash模擬轉換器n將轉化比特分為高字節(jié)和低字節(jié)，以FLASH型ADC級聯的結構進行模數轉換n轉換速度處于FLASH和逐次比較型之間，減小了驅動電流。7 各種ADC的比較n書上圖2.8n性能比較的方面 a.轉換精度 b.最大轉換速度 采樣和保持n模擬信號經采樣后，得到一系列樣值脈沖。采樣脈沖寬度一般是很短暫的，在下一個采樣脈沖到來之前，應暫時保持所取得的樣值脈