第12章 數(shù)模與模數(shù)轉換器

1、12.1 引言引言 數(shù)模與模數(shù)轉換器是一種連接模擬電路和數(shù)字電路的數(shù)模與模數(shù)轉換器是一種連接模擬電路和數(shù)字電路的信號變換電路，它是能將模擬、數(shù)字這兩類電路聯(lián)系在一信號變換電路，它是能將模擬、數(shù)字這兩類電路聯(lián)系在一起的接口電路。起的接口電路。本章主要討論：本章主要討論：第第12章章 數(shù)模與模數(shù)轉換器數(shù)模與模數(shù)轉換器(1) 模數(shù)與數(shù)模轉換器的基本概念模數(shù)與數(shù)模轉換器的基本概念(2) 倒倒T型電阻解碼網絡型電阻解碼網絡DAC的結構和工作原理的結構和工作原理；集成集成DACAD7524的典型應用電路的典型應用電路(3) 模數(shù)轉換器的種類、結構、原理模數(shù)轉換器的種類、結構、原理(4) 模數(shù)與數(shù)模轉換器的

2、性能指標模數(shù)與數(shù)模轉換器的性能指標(5) 模擬多路開關的原理與常用集成產品模擬多路開關的原理與常用集成產品(6) 簡單的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡單的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳感器放大器功率放大器執(zhí)行部件A/D轉換器D/A轉換器數(shù) 字電 路一般測控系統(tǒng)框圖一般測控系統(tǒng)框圖12.2 數(shù)模與模數(shù)轉換器的基本概念數(shù)模與模數(shù)轉換器的基本概念模擬電路模擬電路模擬電路模擬電路數(shù)字電路數(shù)字電路接口電路接口電路接口電路接口電路 將模擬量轉換為數(shù)字量的裝置稱為將模擬量轉換為數(shù)字量的裝置稱為A/D轉換器轉換器(ADC) 將將數(shù)字數(shù)字量轉換為量轉換為模擬模擬量的裝置稱為量的裝置稱為D/A轉換器轉換器(DAC) D/A轉換器是利用轉

3、換器是利用電阻網絡電阻網絡和和模擬開關模擬開關將多位二進制數(shù)將多位二進制數(shù)轉換為與之轉換為與之成比例成比例的模擬量的一種轉換電路的模擬量的一種轉換電路。12.3 D/A轉換器轉換器121012102222nnnnnDdddd1210n12102222nnnnAKDK dddd1210nnDddd dn位二進制數(shù)位二進制數(shù)對應十對應十進制數(shù)進制數(shù)與之成比例的模擬量與之成比例的模擬量12.3.1 倒倒T型電阻解碼網絡的型電阻解碼網絡的D/A轉換器轉換器2II2I4I4I8I8I16I16IIREFVIR321012342222IIIIIdddd3210REFo3210321012344222222

4、222VIIIIuRIRdddddddd VREF=10V，n=4時時12.3.2 集成集成D/A轉換器轉換器AD7524 AD7524是美國模擬器件公司是美國模擬器件公司(Analog Device)生產的基生產的基于倒于倒T型電阻網絡結構的型電阻網絡結構的CMOS低功耗低功耗8位位D/A轉換器。轉換器。內部結構內部結構封裝管腳封裝管腳內部結構內部結構封裝管腳封裝管腳7610REFO7610822222VuDBDBDBDB 12.3.3 D/A轉換器的轉換精度與轉換速率轉換器的轉換精度與轉換速率分辨率：分辨率：1. D/A轉換器的轉換精度轉換器的轉換精度 用輸入二進制數(shù)碼的位數(shù)來表示用輸入二

5、進制數(shù)碼的位數(shù)來表示。輸入數(shù)字量的位數(shù)輸入數(shù)字量的位數(shù)越多，輸出電壓可分離的等級越多，其分辨能力也越高。越多，輸出電壓可分離的等級越多，其分辨能力也越高。 用用D/A轉換器所能分辨的最小輸出電壓轉換器所能分辨的最小輸出電壓ULSB與最大輸與最大輸出電壓出電壓Um之比之比來表示。來表示。REFLSBREFm11221212nnnnVUVU分辨率例如：某例如：某10位位D/A轉換器的分辨率為轉換器的分辨率為000978. 01023112110轉換誤差：轉換誤差： 用輸出電壓滿度值的百分數(shù)表示。用輸出電壓滿度值的百分數(shù)表示。 用最小輸出電壓用最小輸出電壓ULSB的倍數(shù)表示的倍數(shù)表示。2. D/A轉

6、換器的轉換轉換器的轉換速度速度建立時間：建立時間：它是在輸入數(shù)字量各位由全它是在輸入數(shù)字量各位由全0變?yōu)槿優(yōu)槿?，或由全，或由全1變?yōu)槿優(yōu)槿?，輸出電壓完全進入與穩(wěn)態(tài)值相差，輸出電壓完全進入與穩(wěn)態(tài)值相差 范圍范圍內所需要的時間內所需要的時間。LSB12U轉換速率：轉換速率：輸入數(shù)字量的各位由全輸入數(shù)字量的各位由全0變?yōu)槿優(yōu)槿?，或由全，或由全1變變?yōu)闉?時，輸出電壓時，輸出電壓uo的最大變化率。的最大變化率。12.3.4 由計數(shù)器驅動由計數(shù)器驅動D/A轉換器的轉換器的Multisim仿真仿真 字發(fā)生器字發(fā)生器(XWG1)被設置為被設置為16進制加法計數(shù)器，對內進制加法計數(shù)器，對內部時鐘的

7、上升沿計數(shù)。部時鐘的上升沿計數(shù)。D/A轉換器的輸出由虛擬示波器轉換器的輸出由虛擬示波器XSC1測量并顯示測量并顯示。仿真電路仿真電路仿真波形仿真波形12.4 A/D轉換器轉換器12.4.1 A/D轉換的基本原理轉換的基本原理1. 采樣和保持采樣和保持 通常每經過一個時間間隔通常每經過一個時間間隔Ts采樣一次，采樣一次，Ts稱為稱為采樣周期采樣周期，其倒數(shù)其倒數(shù)fs稱為稱為采樣頻率采樣頻率。模擬信號的采樣模擬信號的采樣 為了保證能從采樣信號中將原信號恢復，采樣頻率必為了保證能從采樣信號中將原信號恢復，采樣頻率必須滿足條件須滿足條件fs2 fimax。其中其中fimax為模擬信號中最高次諧波分量為

8、模擬信號中最高次諧波分量的頻率。的頻率。采樣保持電路采樣保持電路 開關閉合時開關閉合時運放運放A1反相端虛斷反相端虛斷運放運放A1輸入端虛短輸入端虛短Iu運放運放A2輸入端虛短輸入端虛短Iu采樣保持電路采樣保持電路 開關打開開關打開， Ch上電壓不變，從而上電壓不變，從而uO不變，輸出保持。不變，輸出保持。 二極管二極管VD1和和VD2的作用。的作用。若去掉若去掉VD1和和VD2(視作開路視作開路)，當開關當開關S斷開時，運放斷開時，運放A1開環(huán)開環(huán)工作工作狀態(tài)，狀態(tài)，uI的微小變化也可的微小變化也可能導致運放能導致運放A1的輸出飽和，閉合開關的輸出飽和，閉合開關S時，開關兩端承受的時，開關兩

9、端承受的電壓可能過大，容易對其造成損壞。加入電壓可能過大，容易對其造成損壞。加入VD1和和VD2后，當后，當開關開關S斷開時，二極管導通，斷開時，二極管導通，uO=uIUD，運放，運放A1的輸出不的輸出不至于過大，可以保護開關至于過大，可以保護開關S。2. 量化和編碼量化和編碼 首先，用一個最小度量首先，用一個最小度量對整個模擬輸入量的幅度范圍對整個模擬輸入量的幅度范圍進行劃分，這個過程稱為進行劃分，這個過程稱為量化量化，該最小度量稱為，該最小度量稱為量化單位量化單位。之后對每一個寬度為之后對每一個寬度為的模擬電壓區(qū)域進行的模擬電壓區(qū)域進行編碼編碼，就得到了，就得到了模擬電壓對應的數(shù)字模擬電壓

10、對應的數(shù)字。3位位ADC的兩種不同量化編碼方式的兩種不同量化編碼方式12.4.2 并行比較型并行比較型A/D轉換器轉換器三位并行三位并行A/D轉換器轉換器(1) 電阻分壓器電阻分壓器(2) 電壓比較器電壓比較器(3) 寄存器寄存器(4) 編碼器編碼器 并行并行A/D轉換器的優(yōu)點是轉換時間短，可小到幾十納轉換器的優(yōu)點是轉換時間短，可小到幾十納秒，但所用的元器件較多，如一個秒，但所用的元器件較多，如一個n位轉換器，所用的比位轉換器，所用的比較器的個數(shù)為較器的個數(shù)為 2n-1個。個。并行比較型并行比較型A/D轉換器的輸入輸出關系轉換器的輸入輸出關系 單片集成并行比較型單片集成并行比較型A/D轉換器產

11、品很多，如轉換器產品很多，如AD公司公司的的AD9012(8位位)、AD9002(8位位)和和AD9020(10位位)等。等。12.4.3 逐次逼近逐次逼近型型A/D轉換器轉換器1. 工作原理工作原理8位逐次逼近型位逐次逼近型A/D轉換器結構簡圖轉換器結構簡圖逐次逼近寄存器逐次逼近寄存器SARD/A轉換器轉換器比較器比較器 通過將通過將 的電位轉換成低電平將的電位轉換成低電平將SAR清零，清零， 變變?yōu)楦唠娖介_始轉換，為高電平開始轉換，SAR首先在首先在D7腳產生一個高電平輸入腳產生一個高電平輸入給給D/A轉換器，使得轉換器，使得D/A轉換器輸出其最大輸出的一半。如轉換器輸出其最大輸出的一半。

12、如果果D/A轉換器的輸出電壓轉換器的輸出電壓uO高于模擬輸入高于模擬輸入uI，SAR將使將使D7返回低電平；如果返回低電平；如果D/A轉換器的輸出低于轉換器的輸出低于uI，SAR將保持將保持D7高電平，于是高電平，于是D7的狀態(tài)被確定下來。的狀態(tài)被確定下來。 STRTSTRT 接下來確定接下來確定D6，如果在，如果在D6上的高電平引起上的高電平引起D/A轉換器轉換器的輸出高于的輸出高于uI，D6將回到低電平，否則它仍保持高電平。將回到低電平，否則它仍保持高電平。這個過程一直進行，直到這個過程一直進行，直到SAR輸出一個有效的輸出一個有效的8位二進制數(shù)。位二進制數(shù)。此時，此時， 輸出變?yōu)榈碗娖剑?/p>

13、轉換過程完成。輸出變?yōu)榈碗娖?，轉換過程完成。 的下降沿將的下降沿將D0D7的數(shù)據(jù)送到輸出寄存器的輸出端，從而在的數(shù)據(jù)送到輸出寄存器的輸出端，從而在Q0Q7端得端得到與到與uI對應的數(shù)字量。對應的數(shù)字量。DRDR例例12.4.1：在圖在圖12.4.6的逐次逼近型的逐次逼近型A/D轉換器中，轉換器中，uI=5.27V，VREF=- -8V，求其轉換的結果。，求其轉換的結果。解：解：轉換后的數(shù)字量為轉換后的數(shù)字量為101010002. 逐次逼近型集成逐次逼近型集成A/D轉換器轉換器ADC0809內部結構內部結構逐次逼近寄存器逐次逼近寄存器SARD/A轉換器轉換器比較器比較器8路模擬開關路模擬開關地址

14、鎖存與譯碼器地址鎖存與譯碼器控制電路控制電路三態(tài)輸出鎖存緩沖器三態(tài)輸出鎖存緩沖器封裝管腳封裝管腳IN0IN7：模擬信號輸入模擬信號輸入ADDA、ADDB、ADDC：地址輸入地址輸入ALE：地址鎖存輸入：地址鎖存輸入START：啟動脈沖輸入：啟動脈沖輸入EOC：轉換結束輸出：轉換結束輸出OE：輸出允許標志：輸出允許標志2-12-8：數(shù)字量輸出：數(shù)字量輸出CLOCK：時鐘輸入：時鐘輸入+VREF、- -VREF：參考電壓輸入：參考電壓輸入12.4.4 雙積分雙積分型型A/D轉換器轉換器1. 工作原理工作原理 把待轉換的輸入模擬電壓先轉換為中間變量時間把待轉換的輸入模擬電壓先轉換為中間變量時間T，然

15、，然后再對中間變量量化編碼，得出轉換結果，這種后再對中間變量量化編碼，得出轉換結果，這種A/D轉換器轉換器稱為稱為電壓電壓-時間變換型時間變換型(簡稱簡稱VT型型)。雙積分型雙積分型A/D轉換器的框圖轉換器的框圖初始化：初始化：將計數(shù)器清零，接通將計數(shù)器清零，接通S0使電容使電容C完全放電。轉換開完全放電。轉換開始，斷開始，斷開S0。定時積分：定時積分：開關開關S1連接連接輸入信號輸入信號UI。積分器對。積分器對UI進行固定進行固定時間時間T1的積分。的積分。T1 =N1Tcp，N1為計數(shù)器的計數(shù)長度。為計數(shù)器的計數(shù)長度。tUO10T1 1I1O1I01()dTUTUtUCRRC 定速率積分：

16、定速率積分：S1連接連接- -VREF。積分器。積分器反向反向積分。積分。 經過時間經過時間T2，UO1=0，與門，與門G關閉，計數(shù)停止。關閉，計數(shù)停止。tUO10T1 T2 21REFITTVURCRCT1=N1TCP=2nTCPT2=DTCPIREF2nDUV2. 集成雙積分集成雙積分A/D轉換器轉換器ICL7107 位位BCD碼碼A/D轉換器轉換器。213213完整的三個數(shù)位完整的三個數(shù)位取值取值09最高位數(shù)碼最大為最高位數(shù)碼最大為1最高位只有最高位只有0、1兩個數(shù)碼兩個數(shù)碼ICL7107典型應用電路典型應用電路CREF一般取一般取0.1F；CINT一般取一般取0.22F；RINT在量程

17、在量程2V時取時取470k， 在量程在量程0.2V時取時取47k；CAZ在量程在量程2V時取時取0.047F， 在量程在量程0.2V時取時取0.47F；ROSC通常取通常取100k；COSC可以用時鐘頻率公式可以用時鐘頻率公式計算：計算：OSCOSC10.45fRCICL7107的的A/D轉換結果為轉換結果為：IREF1000uDV12.4.5 流水線流水線型型A/D轉換器轉換器1. 結構原理結構原理 由多個稱為由多個稱為“階段階段”的基本單元構成，模擬信號所包含的基本單元構成，模擬信號所包含的信息在經過每個階段時，依次產生轉換后的各個數(shù)字位。的信息在經過每個階段時，依次產生轉換后的各個數(shù)字位

18、。 每個階段的內部包含一個每個階段的內部包含一個1位并行比較位并行比較A/D轉換器、一轉換器、一個個1位位D/A轉換器、一個求和單元和一個增益為轉換器、一個求和單元和一個增益為2的放大器。的放大器。 以以某某4位位流水流水線型線型A/D轉換器為轉換器為例例。其中設其中設uI=0.7V，1位位A/D轉換器和轉換器和1位位D/A轉換器的參考電壓轉換器的參考電壓VREF=1V。 殘差殘差的計算公式的計算公式為為： DA21R nR nun0.7V數(shù)字數(shù)字輸出輸出1 DAREF110.5V2uVR(1)=2R(0)-uDA(1)=0.4V 0.4V 階段階段10V1V0.5V 階段階段20.5V 0

19、以以某某4位位流水流水線型線型A/D轉換器為轉換器為例例。其中設其中設uI=0.7V，1位位A/D轉換器和轉換器和1位位D/A轉換器的參考電壓轉換器的參考電壓VREF=1V。 殘差殘差的計算公式的計算公式為為： DA21R nR nun0.7V數(shù)字數(shù)字輸出輸出10.4V 階段階段10V1V0.5V 階段階段20.5V 0階段階段30.5V DAREF020V2uVR(2)=2R(1)-uDA(2)=0.8V 0.8V 1 以以某某4位位流水流水線型線型A/D轉換器為轉換器為例例。其中設其中設uI=0.7V，1位位A/D轉換器和轉換器和1位位D/A轉換器的參考電壓轉換器的參考電壓VREF=1V。

20、 殘差殘差的計算公式的計算公式為為： DA21R nR nun0.7V數(shù)字數(shù)字輸出輸出10.4V 階段階段10V1V0.5V 階段階段20.5V 0階段階段30.5V0.8V 1 DAREF130.5V2uVR(3)=2R(2)-uDA(3)=0.6V 0.6V 階段階段40.5V 1 以以某某4位位流水流水線型線型A/D轉換器為轉換器為例例。其中設其中設uI=0.7V，1位位A/D轉換器和轉換器和1位位D/A轉換器的參考電壓轉換器的參考電壓VREF=1V。 殘差殘差的計算公式的計算公式為為： DA21R nR nun0.7V數(shù)字數(shù)字輸出輸出10.4V 階段階段10V1V0.5V 階段階段20

21、.5V 0階段階段30.5V0.8V 10.6V 階段階段40.5V 1轉換轉換的結果為二進制的結果為二進制1011，即，即十進制十進制11，對應的模擬量為，對應的模擬量為41V110.6875V2 在工作過程中，每個階段上依次產生的數(shù)字量信息分在工作過程中，每個階段上依次產生的數(shù)字量信息分別屬于不同的采樣點，所以同一采樣點的對應的不同階段別屬于不同的采樣點，所以同一采樣點的對應的不同階段的輸出數(shù)字量需要按照時間順序存到移位寄存器中，而后的輸出數(shù)字量需要按照時間順序存到移位寄存器中，而后再依次輸出。對于再依次輸出。對于4位位流水線型流水線型A/D轉換器，在輸出端得到轉換器，在輸出端得到的數(shù)字轉

22、換結果對應的數(shù)字轉換結果對應4個時鐘周期之前的采樣點。個時鐘周期之前的采樣點。2. 數(shù)據(jù)延遲數(shù)據(jù)延遲流水流水線型線型A/D轉換器的數(shù)據(jù)延遲轉換器的數(shù)據(jù)延遲 AD9224是單片集成是單片集成12位流水線型位流水線型A/D轉換芯片，采樣轉換芯片，采樣率可達率可達40MSPS(Million Samples per Second，兆次采樣，兆次采樣/秒秒)。3. 集成流水線型集成流水線型A/D轉換器轉換器AD9224引腳排布引腳排布引腳功能引腳功能輸入信號接口輸入信號接口差分輸入方式差分輸入方式單端輸入方式單端輸入方式仿真電路仿真電路(Vin=1.0V)12.4.6 A/D轉換器轉換器的的Multi

23、sim仿真仿真 A/D轉換器為虛擬轉換器為虛擬8位位A/D轉換器。使用兩個電位器分轉換器。使用兩個電位器分別對輸入模擬信號進行粗調和微調別對輸入模擬信號進行粗調和微調。輸入。輸入模擬電壓分別被模擬電壓分別被設置為設置為1.0V和和0.5V，轉換為，轉換為16進制數(shù)分別為進制數(shù)分別為33H和和19H(對對應十進制數(shù)應十進制數(shù)51和和25)。仿真電路仿真電路(Vin=0.5V) A/D轉換器為虛擬轉換器為虛擬8位位A/D轉換器。使用兩個電位器分轉換器。使用兩個電位器分別對輸入模擬信號進行粗調和微調別對輸入模擬信號進行粗調和微調。輸入。輸入模擬電壓分別被模擬電壓分別被設置為設置為1.0V和和0.5V

24、，轉換為，轉換為16進制數(shù)分別為進制數(shù)分別為33H和和19H(對對應十進制數(shù)應十進制數(shù)51和和25)。 模擬模擬開關是通過數(shù)字量來控制傳輸門的接通和斷開以開關是通過數(shù)字量來控制傳輸門的接通和斷開以傳輸數(shù)字信號或模擬信號的開關。它具有功耗低、速度快、傳輸數(shù)字信號或模擬信號的開關。它具有功耗低、速度快、體積小、無機械觸點及使用壽命長等優(yōu)點，因此在一定程體積小、無機械觸點及使用壽命長等優(yōu)點，因此在一定程度上可以用來代替繼電器度上可以用來代替繼電器。12.5 多路模擬開關多路模擬開關12.5.1 模擬開關的功能及電路組成模擬開關的功能及電路組成ADG211 / 212管腳圖管腳圖ADG506管管腳圖腳

25、圖 將將雙向模擬開關適當?shù)仉p向模擬開關適當?shù)亟M合，組合，可實現(xiàn)單刀單擲、單刀可實現(xiàn)單刀單擲、單刀雙擲、雙刀單擲和雙刀雙擲等多種等效的機械開關雙擲、雙刀單擲和雙刀雙擲等多種等效的機械開關功能功能。12.5.2 模擬開關的模擬開關的各種工作模式各種工作模式單刀單擲單刀單擲等效機械開關等效機械開關模擬開關連接方式模擬開關連接方式 將將雙向模擬開關適當?shù)仉p向模擬開關適當?shù)亟M合，組合，可實現(xiàn)單刀單擲、單刀可實現(xiàn)單刀單擲、單刀雙擲、雙刀單擲和雙刀雙擲等多種等效的機械開關雙擲、雙刀單擲和雙刀雙擲等多種等效的機械開關功能功能。12.5.2 模擬開關的模擬開關的各種工作模式各種工作模式單刀單刀雙擲雙擲等效機械開

26、關等效機械開關模擬開關連接方式模擬開關連接方式 將將雙向模擬開關適當?shù)仉p向模擬開關適當?shù)亟M合，組合，可實現(xiàn)單刀單擲、單刀可實現(xiàn)單刀單擲、單刀雙擲、雙刀單擲和雙刀雙擲等多種等效的機械開關雙擲、雙刀單擲和雙刀雙擲等多種等效的機械開關功能功能。12.5.2 模擬開關的模擬開關的各種工作模式各種工作模式雙雙刀單擲刀單擲等效機械開關等效機械開關模擬開關連接方式模擬開關連接方式 將將雙向模擬開關適當?shù)仉p向模擬開關適當?shù)亟M合，組合，可實現(xiàn)單刀單擲、單刀可實現(xiàn)單刀單擲、單刀雙擲、雙刀單擲和雙刀雙擲等多種等效的機械開關雙擲、雙刀單擲和雙刀雙擲等多種等效的機械開關功能功能。12.5.2 模擬開關的模擬開關的各種工作