應(yīng)用電工學(xué)13-模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換

1、1 能將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的電路，稱為能將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的電路，稱為數(shù)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱模轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱D/A 轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。 能將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的電路，稱為能將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的電路，稱為模模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱A/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。 溝通模擬電路與數(shù)字電路的橋梁，是計(jì)算機(jī)和許溝通模擬電路與數(shù)字電路的橋梁，是計(jì)算機(jī)和許多電子系統(tǒng)中不可或缺的接口電路。多電子系統(tǒng)中不可或缺的接口電路。完整的電子系統(tǒng)通常是模擬數(shù)字混合系統(tǒng)。完整的電子系統(tǒng)通常是模擬數(shù)字混合系統(tǒng)。2、D/A和和A/D轉(zhuǎn)換器的功用：轉(zhuǎn)換器的功用：概述：概述：1、什么是、什么是D/A和和A/D轉(zhuǎn)換器？

2、轉(zhuǎn)換器？2(1) 自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)被控被控物理量物理量傳感器傳感器模擬模擬信號(hào)信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器數(shù)字?jǐn)?shù)字信號(hào)信號(hào)DSPD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器模擬模擬信號(hào)信號(hào)驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(2) 數(shù)字測(cè)量?jī)x表數(shù)字測(cè)量?jī)x表數(shù)字信號(hào)處理數(shù)字信號(hào)處理衰減器衰減器或放大器或放大器被測(cè)被測(cè)物理量物理量傳感器傳感器模擬模擬信號(hào)信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器數(shù)字?jǐn)?shù)字信號(hào)信號(hào)計(jì)數(shù)譯碼計(jì)數(shù)譯碼顯示顯示313.1 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器概述概述:一、實(shí)現(xiàn)一、實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的基本思路：轉(zhuǎn)換的基本思路： 數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合起來(lái)表示的，每位代數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合起來(lái)表示的，每位代碼都有一定的權(quán)（有權(quán)碼），碼都有一定的權(quán)（

3、有權(quán)碼）， 要把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成與之成正比的模擬量，要把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成與之成正比的模擬量， 2)將每一位數(shù)字量轉(zhuǎn)換成的模擬量相加。即可得將每一位數(shù)字量轉(zhuǎn)換成的模擬量相加。即可得到與數(shù)字量成正比的總模擬量。到與數(shù)字量成正比的總模擬量。必須：必須： 1)用一個(gè)解碼網(wǎng)絡(luò)來(lái)分配各位的權(quán)，將每一位用一個(gè)解碼網(wǎng)絡(luò)來(lái)分配各位的權(quán)，將每一位代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量；代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量；4二、二、n位位D/A轉(zhuǎn)換器的方框圖：轉(zhuǎn)換器的方框圖：n位數(shù)字位數(shù)字量輸入量輸入數(shù)碼數(shù)碼寄存器寄存器n位模擬位模擬開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)解碼解碼網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)求和求和電路電路模擬量模擬量輸出輸出基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓三、三、D/A轉(zhuǎn)換

4、器的分類：轉(zhuǎn)換器的分類：按解碼網(wǎng)絡(luò)按解碼網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)分類的結(jié)構(gòu)分類T形電阻網(wǎng)絡(luò)型形電阻網(wǎng)絡(luò)型倒倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)型形電阻網(wǎng)絡(luò)型權(quán)電流型權(quán)電流型權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)型權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)型開(kāi)關(guān)樹(shù)型開(kāi)關(guān)樹(shù)型5倒倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)型形電阻網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器+-+A一、電路組成一、電路組成D0D3 :待轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)；待轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)；v vo :模擬電壓輸出；模擬電壓輸出；610.1.2+-+AR-2R：組成倒組成倒T型電阻解碼網(wǎng)絡(luò)；型電阻解碼網(wǎng)絡(luò)；+ VREF :基準(zhǔn)電壓；基準(zhǔn)電壓；S0 S3 :受受Di 控制的模擬開(kāi)關(guān)，當(dāng)控制的模擬開(kāi)關(guān)，當(dāng)Di =1時(shí)，時(shí)， Si打向右側(cè)，與打向右側(cè)，與運(yùn)放運(yùn)放

5、A的反相輸入端相連；當(dāng)?shù)姆聪噍斎攵讼噙B；當(dāng)Di =0時(shí)，時(shí)， Si打向左側(cè)，與運(yùn)打向左側(cè)，與運(yùn)放放A的同相輸入端相連；的同相輸入端相連；運(yùn)放運(yùn)放A:組成求和及電流組成求和及電流-電壓轉(zhuǎn)換電路電壓轉(zhuǎn)換電路(外接外接)。7AABBCCDD 1) 根據(jù)運(yùn)放根據(jù)運(yùn)放A線性運(yùn)用時(shí)的虛短線性運(yùn)用時(shí)的虛短（現(xiàn)為虛地）（現(xiàn)為虛地）法法則，無(wú)論則，無(wú)論Si打向何處，與之相連的打向何處，與之相連的2R電阻均接電阻均接“地地”；即流經(jīng)；即流經(jīng)2R電阻的電流與電阻的電流與Si的位置無(wú)關(guān)。的位置無(wú)關(guān)。 2) 則從則從D、C、B、A向左看的二端網(wǎng)絡(luò)的等效電向左看的二端網(wǎng)絡(luò)的等效電阻均為阻均為R。二、工作原理：二、工作原理

6、： 而，從基準(zhǔn)電壓源提供的總電流而，從基準(zhǔn)電壓源提供的總電流I=VREF/R；+-+A8AABBCCDD 3) 流入每個(gè)流入每個(gè)2R電阻的電流從高位到低位按電阻的電流從高位到低位按2的整數(shù)倍的整數(shù)倍遞減。即：流入各開(kāi)關(guān)支路的電流（從右至左）分別為遞減。即：流入各開(kāi)關(guān)支路的電流（從右至左）分別為I/2、 I/4 、 I/8 、 I/16 。 4) 總電流為總電流為)2(2)2222(30413223140iiiREFREFDRVDDDDRVi 5) 輸出模擬電壓為輸出模擬電壓為)2(2304iiiREFffoDVRRRiv+-+A9 6) 將輸入數(shù)字量擴(kuò)展到將輸入數(shù)字量擴(kuò)展到n位，則，倒位，則，

7、倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器輸出模擬量與輸入數(shù)字量的一般關(guān)系式為：轉(zhuǎn)換器輸出模擬量與輸入數(shù)字量的一般關(guān)系式為：BiniinREFffoKNDVRRRiv)2(210nREFfVRRK2 其中其中 n位二進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)位二進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù) 三、特點(diǎn)：三、特點(diǎn)： 1) 各支路電流直接流入運(yùn)放的輸入端，之間不存各支路電流直接流入運(yùn)放的輸入端，之間不存在傳輸上的時(shí)間差，所以轉(zhuǎn)換速度較快；在傳輸上的時(shí)間差，所以轉(zhuǎn)換速度較快； 2) 模擬開(kāi)關(guān)在地模擬開(kāi)關(guān)在地-地之間轉(zhuǎn)換，減少了動(dòng)態(tài)過(guò)程中地之間轉(zhuǎn)換，減少了動(dòng)態(tài)過(guò)程中輸出端可能出現(xiàn)的尖脈沖。輸出端可能出現(xiàn)的尖脈沖。是目前廣泛應(yīng)用的轉(zhuǎn)換速度較

8、快的是目前廣泛應(yīng)用的轉(zhuǎn)換速度較快的D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器)2(10niiiBDNv vo NB10四、主要技術(shù)參數(shù)：四、主要技術(shù)參數(shù)：1、轉(zhuǎn)換精度：、轉(zhuǎn)換精度：常用集成電路有：常用集成電路有：AD7520（10位）、位）、DAC1210 （12位）等位）等 1)分辨率：分辨率：電路所能分辨的最小輸出電壓電路所能分辨的最小輸出電壓VLSB(輸入數(shù)字代碼最低位為輸入數(shù)字代碼最低位為1，其余位均為，其余位均為0)與與滿刻度輸出電壓滿刻度輸出電壓Vm(輸入數(shù)字代碼最低位為輸入數(shù)字代碼最低位為1，其，其余位均為余位均為0)之比。即之比。即 分辨率分辨率=VLSBVm=2n-11 Vm一定時(shí)，輸入數(shù)字代碼的位

9、數(shù)一定時(shí)，輸入數(shù)字代碼的位數(shù)n越多，分辨越多，分辨率越小，分辨能力越高。率越小，分辨能力越高。11 2)轉(zhuǎn)換誤差：轉(zhuǎn)換誤差：用最低有效位的倍數(shù)表示。用最低有效位的倍數(shù)表示。例如：例如： AD7520（10位）的分辨率為位）的分辨率為210-11例如，例如，轉(zhuǎn)換誤差為轉(zhuǎn)換誤差為VLSB2 表示輸出模擬電壓的絕對(duì)誤差等于最小輸出表示輸出模擬電壓的絕對(duì)誤差等于最小輸出電壓的一半。電壓的一半。 2、轉(zhuǎn)換速度：、轉(zhuǎn)換速度：指從數(shù)碼輸入到模擬穩(wěn)定電壓指從數(shù)碼輸入到模擬穩(wěn)定電壓輸出之間的響應(yīng)時(shí)間。輸出之間的響應(yīng)時(shí)間。 一般用輸入由全一般用輸入由全0變?yōu)槿優(yōu)槿?，或由全，或由全1變?yōu)槿優(yōu)槿?時(shí)，時(shí)，輸出達(dá)

10、到穩(wěn)定值所需要的輸出達(dá)到穩(wěn)定值所需要的轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間來(lái)表示。來(lái)表示。 AD7520的轉(zhuǎn)換時(shí)間的轉(zhuǎn)換時(shí)間500ns。12六、六、CMOS模擬開(kāi)關(guān)電路模擬開(kāi)關(guān)電路T1T3：電平移動(dòng)電路，使輸入端可與電平移動(dòng)電路，使輸入端可與TTL電平兼容，電平兼容，T4T5和和T6T7：組成兩個(gè)反相器，分別作為模擬開(kāi)關(guān)組成兩個(gè)反相器，分別作為模擬開(kāi)關(guān)管管T8T9的驅(qū)動(dòng)電路；的驅(qū)動(dòng)電路；T8T9 ：構(gòu)成單刀雙擲開(kāi)關(guān)。構(gòu)成單刀雙擲開(kāi)關(guān)。100101增強(qiáng)型增強(qiáng)型P型溝道型溝道增強(qiáng)型增強(qiáng)型N型溝道型溝道增強(qiáng)型增強(qiáng)型N型溝道型溝道1313.2 模模/ /數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)轉(zhuǎn)換器 A/D轉(zhuǎn)換：轉(zhuǎn)換：將隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為與

11、之相將隨時(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。應(yīng)的數(shù)字量。 取樣后要保持一段時(shí)間，在此時(shí)間內(nèi)，將取樣的電壓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)字量量化為數(shù)字量變?yōu)闀r(shí)間、幅值的離散量；變?yōu)闀r(shí)間、幅值的離散量；模擬量是時(shí)間、幅值均連續(xù)；而數(shù)字量則時(shí)間、幅值均模擬量是時(shí)間、幅值均連續(xù)；而數(shù)字量則時(shí)間、幅值均離散，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)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)取樣輸入的模擬信號(hào)取樣變?yōu)闀r(shí)間的離散量；變?yōu)闀r(shí)間的離散量； 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)

12、轉(zhuǎn)換，一般要經(jīng)過(guò)4個(gè)過(guò)程：個(gè)過(guò)程： 取樣、保持、量化、編碼。取樣、保持、量化、編碼。141、取樣與保持、取樣與保持l 取樣電路：取樣電路：Sv vIv vOS(t)TSt0v vIt0S(t)t0v vOTC：取樣時(shí)間；：取樣時(shí)間； 此時(shí)，開(kāi)關(guān)閉合，此時(shí)，開(kāi)關(guān)閉合，v vO=v vITS：取樣周期：取樣周期fS：1/ TS取樣頻率取樣頻率TS-TC：開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，：開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，v vO=0TC取取樣保持樣保持一、一、A/D 轉(zhuǎn)換的一般工作過(guò)程轉(zhuǎn)換的一般工作過(guò)程取樣取樣信號(hào)信號(hào)15取樣保持電路取樣保持電路（a）電路結(jié)構(gòu)（）電路結(jié)構(gòu)（b）典型接法）典型接法集成取樣保持電路集成取樣保持電路 LF198 外

13、接的外接的保持電容保持電容CH的取值必須兼顧的取值必須兼顧輸出電壓下降率輸出電壓下降率和和獲取時(shí)間獲取時(shí)間兩方面的要求。兩方面的要求。162、量化與編碼、量化與編碼0121DDDDDnn 量化：量化：將離散的階梯幅值化成將離散的階梯幅值化成最小最小量化單位量化單位整數(shù)倍整數(shù)倍的過(guò)程。的過(guò)程。取樣信號(hào)取樣信號(hào)數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào) 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，所以取樣電壓不取樣電壓不一定能被一定能被整除，因此，量化過(guò)程不可避免地會(huì)引入誤整除，因此，量化過(guò)程不可避免地會(huì)引入誤差，稱為量化誤差。差，稱為量化誤差。 最小最小量化單位量化單位： D001時(shí)所代表的數(shù)值時(shí)所

14、代表的數(shù)值(VLSB) 量化誤差屬于原理誤差，無(wú)法消除。量化誤差屬于原理誤差，無(wú)法消除。 但位數(shù)越多，誤差越小。但位數(shù)越多，誤差越小。編碼：編碼：用數(shù)字代碼表示量化結(jié)果的過(guò)程。用數(shù)字代碼表示量化結(jié)果的過(guò)程。17 量化的方法有兩種量化的方法有兩種:1)只舍不入法只舍不入法:取取=Vm/2n模擬電壓模擬電壓最大值最大值數(shù)字代碼數(shù)字代碼位數(shù)位數(shù) 將將0之間的模擬電壓歸為之間的模擬電壓歸為0； 2之間的模擬電壓歸為之間的模擬電壓歸為1例如，把例如，把01V的模擬電壓轉(zhuǎn)換成三位二進(jìn)制的模擬電壓轉(zhuǎn)換成三位二進(jìn)制代碼，令代碼，令=1/23V=1/8V，則，則， 01/8V的模擬電壓的模擬電壓歸為歸為0，用，

15、用000表示；表示； 1/8V2/8V的模擬電壓的模擬電壓歸為歸為1，用，用001表示；表示；最大量化誤差為最大量化誤差為1/8V。181)有舍有入法有舍有入法:取取=2Vm2n+1-1 將將0/2之間的模擬電壓歸為之間的模擬電壓歸為0； /23/2之間的模擬電壓歸為之間的模擬電壓歸為1例如，把例如，把01V的模擬電壓轉(zhuǎn)換成三位二進(jìn)制的模擬電壓轉(zhuǎn)換成三位二進(jìn)制代碼，令代碼，令=2/15V，則，則， 01/15V的模擬電壓的模擬電壓歸為歸為0，用，用000表示；表示； 1/15V3/15V的模擬電壓的模擬電壓歸為歸為1，用，用001表示；表示； 最大量化誤差為最大量化誤差為1/15V。19111

16、110101100011010001000111110101100011010001000輸入信號(hào)1V7/8V6/8V5/8V4/8V3/8V2/8V1/8V0二進(jìn)制代碼輸入信號(hào)二進(jìn)制代碼1V13/15V11/15V9/15V7/15V5/15V3/15V1/15V0代表的模擬電壓7=7/8（V）6=6/8（V）5=5/8（V）4=4/8（V）3=3/8（V）2=2/8（V）1=1/8（V）0 =0 （V）代表的模擬電壓7=14/15（V）6=12/15（V）5=10/15（V）4= 8/15（V）3= 6/15（V）2= 4/15（V）1= 2/15（V）0 = 0 (V）只舍不入法只舍不入

17、法有舍有入法有舍有入法20二、二、A/D轉(zhuǎn)換器的分類：轉(zhuǎn)換器的分類： （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。（不需要中間變量）轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。 并行比較型并行比較型:由電壓比較器、觸發(fā)器、寄存由電壓比較器、觸發(fā)器、寄存器構(gòu)成，可以不附加取樣器構(gòu)成，可以不附加取樣-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：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。增加，電路規(guī)模急劇膨脹。 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，21 取一個(gè)數(shù)字

18、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)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，則調(diào)整所取的數(shù)字量，直到比較，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)字量即為兩個(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。轉(zhuǎn)換結(jié)果。其思路是其思路是: 常用典型電路為常用典型電路為逐次逼近型逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器：轉(zhuǎn)換器： 特點(diǎn)：特點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度較慢，但數(shù)位較多時(shí)，電路規(guī)轉(zhuǎn)換速度較慢，但數(shù)位較多時(shí)，電路規(guī)模比并行比較型小得多。模比并行比較型小得多。 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。22（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)，首先將輸入模擬電壓轉(zhuǎn)換為與之成正比的頻率信號(hào)，然后在固定的時(shí)間間隔內(nèi)，對(duì)頻率信號(hào)計(jì)數(shù)，其結(jié)果然后在固定的時(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。即為所求。 電壓電壓-時(shí)間變換型（時(shí)間變換型（