數(shù)字電子技術(shù)：ch010-1DA轉(zhuǎn)換器

1、Analog Digital Converter and Digital Analog Converter10.1 D/A轉(zhuǎn)換器10.2 A/D轉(zhuǎn)換器。10 模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器3、正確理解D/A、A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)。1、掌握倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器(DAC)、集成D/A轉(zhuǎn) 換器的工作原理及相關(guān)計(jì)算。2、掌握并行比較、逐次比較、雙積分A/D轉(zhuǎn)換器(ADC) 的工作原理及其特點(diǎn)。教學(xué)基本要求A/D 轉(zhuǎn)換器 D/A 轉(zhuǎn)換器 模擬 控制器 工業(yè)生產(chǎn)過程控制對象 模 擬 傳感器 ADC和DAC已成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中不可缺少的接口電路。將溫度、壓力、流量、應(yīng)力等物理量轉(zhuǎn)換為模擬電量。計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字處理（如

2、計(jì)算、濾波）、保存等用模擬量作為控制信號數(shù)字控制 計(jì)算機(jī)概述10 模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器10.1 D/A轉(zhuǎn)換器10.1.1 D/A轉(zhuǎn)換的基本原理10.1.2 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器10.1.4 D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式10.1.3 權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器10.1.5 D/A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)10.1.6 D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為與之成正比模擬量 。n位數(shù)字量1. 概述DAC10.1 D/A轉(zhuǎn)換器模擬量1、數(shù) / 模轉(zhuǎn)換器:MSBD/A轉(zhuǎn)換器LSBO = K 數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合而成的， 對于有權(quán)碼，每位代碼都有一定的權(quán)值，如能將每一位代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量， 然后，將這些模擬量相

3、加，即可得到與數(shù)字量成正比的模擬量， 從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字量-模擬量的轉(zhuǎn)換。 實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的基本思想 NDb424b323b222b121b020 124123022021120將二進(jìn)制數(shù)ND(11001)B轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。10.1.1 D/A轉(zhuǎn)換的基本原理 D/A轉(zhuǎn)換器的組成:DAC的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可以并行輸入也可串行輸入用存放在數(shù)字寄存器中的數(shù)字量的各位數(shù)碼由輸入數(shù)字量控制產(chǎn)生權(quán)電流將權(quán)電流相加產(chǎn)生與輸入成正比的模擬電壓 實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的原理電路，, 解碼網(wǎng)絡(luò) D/A轉(zhuǎn)換器的分類:按解碼網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分類 T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC權(quán)電流DAC 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC 按模擬電子開關(guān)電路分類 CMOS

4、開關(guān)型DACD/A 轉(zhuǎn)換器10.1.1 D/A轉(zhuǎn)換的基本原理雙極型開關(guān)型DAC （TTL）10.1.2 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器Di=0, Si則將電阻2R接地Di=1, Si接運(yùn)算放大器反相端，電流Ii流入求和電路 根據(jù)運(yùn)放線性運(yùn)用時虛地的概念可知，無論模擬開關(guān)Si處于何種位置，與Si相連的2R電阻將接“地” 或虛地。 1、4位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器電阻網(wǎng)絡(luò)模擬電子開關(guān)求和運(yùn)算放大器輸出模擬電壓輸入4位二進(jìn)制數(shù)基準(zhǔn)電壓RD/A轉(zhuǎn)換器的倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)電源VREF提供的總電流為：I =？流過各開關(guān)支路的電流：I3 =？I2 =？ I1 =？ I0 =？流入每個2R電阻的電流從高位到低位

5、按2的整數(shù)倍遞減。I3= VREF / 2RI2= VREF / 4RI1= VREF / 8RI0= VREF /16 RI/4I/8I/16RRRRI/2I/4I/8I/16I/2I3I2I1I0RRRR流入運(yùn)放的總電流： i I0 + I1 + I2 + I3輸出模擬電壓： 10.1.2 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器4 位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC的輸出模擬電壓： n 位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC有： 令：則O = K NB 在電路中輸入的每一個二進(jìn)制數(shù)NB，均能得到與之成正比的模擬電壓輸出。 10.1.2 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器AD7533D/A轉(zhuǎn)換器使用:1)要外接運(yùn)放， 2)運(yùn)放的反饋電阻可

6、使用內(nèi)部電阻 ， 也可采用外接電阻）2.集成D/A轉(zhuǎn)換器10位CMOS電流開關(guān)型D/A轉(zhuǎn)換器 關(guān)于D/A轉(zhuǎn)換器精度的討論(1)基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定性好；(2) 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)中R和2R電阻比值的精度要高；(4)為實(shí)現(xiàn)電流從高位到低位按2的整數(shù)倍遞減，模擬開關(guān) 的導(dǎo)通電阻也相應(yīng)地按2的整數(shù)倍遞增。為進(jìn)一步提高D/A轉(zhuǎn)換器的精度，可采用權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器。 為提高D/A轉(zhuǎn)換器的精度，對電路參數(shù)的要求： (3) 每個模擬開關(guān)的開關(guān)電壓降要相等10.1.2 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器Di =1時，開關(guān)Si接運(yùn)放的反相端; Di= 0時，開關(guān)Si接地。 10.1.3 權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器1. 4位權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)

7、換器在恒流源電路中，各支路權(quán)電流的大小均不受開關(guān)導(dǎo)通電阻和壓降的影響，這樣降低了對開關(guān)電路的要求，提高了轉(zhuǎn)換精度。實(shí)際的權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器電路電壓恒定各BJT的 發(fā)射結(jié)電壓相等基準(zhǔn)電流產(chǎn)生電路+- (MSB) D1 D0 (LSB) iS Rf uO D3 D2 S3 S2 S1 S0 8I 16I 4I 2I VREF + A1 R1 + A2 IBB IEC IEO IE1 IE2 IE3 IREF Tr T3 T2 T1 T0 TC R 2R 2R 2R 2R 2R R R R VEE I = IREF =1RREFV 偏 置 電 流 16I 10.1.4 D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式8位D/

8、A轉(zhuǎn)換器在單極性輸出時的輸入/輸出關(guān)系000000001000000011111110000000011000000111111111模擬量 數(shù)字量MSB LSB00000000100000001111111000000001100000010111111111111111D0D1D2D3D4D5D6D7偏移二進(jìn)制碼10.1.4 D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式-12800000001-128-12710000001-127-111111111-10000000000110000000112601111110126127111111101270/VLSBD0D1D2D3D4D5D6D7模擬量2的補(bǔ)碼十進(jìn)

9、制數(shù) 10.1.5 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)分辨率：其定義為D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級數(shù)。n位DAC最多有2n個模擬輸出電壓。位數(shù)越多D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率越高。 分辨率也可以用能分辨的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比給出。n位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率可表示為1、分辨率2、轉(zhuǎn)換精度：轉(zhuǎn)換精度是指對給定的數(shù)字量，D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際值與理論值之間的最大偏差。產(chǎn)生原因：由于D/A轉(zhuǎn)換器中各元件參數(shù)值存在誤差，如基準(zhǔn)電壓不夠穩(wěn)定或運(yùn)算放大器的零漂等各種因素的影響。幾種轉(zhuǎn)換誤差：有如比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差和非線性誤差等10.1.6 集成D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用(1) 數(shù)字式可編程增益控制電路 D2 D7

10、 uO D0 D1 2R 2R 2R 2R R R R D8 D10 R R R uI 2R 2R 2R - + RF IOUT1 IOUT2 VREF D2 D7 uOD0 D1 2R 2R 2R 2R R R R D8 D10 R R R uI2R 2R 2R - + RF IOUT1 IOUT2 VREF uO - + R uIOUT2I IOUT1 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)OVIAuu=Iout1 I0 + I1 + I2 + I10根據(jù)虛斷有:(2) 脈沖波產(chǎn)生電路74163具同步清零功能74163和與非門構(gòu)成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器：0000100110.2.6 集成A/D轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用10.2 A/D

11、 轉(zhuǎn)換器10.2.1 A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程10.2.2 并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器10.2.3 逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器10.2.4 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器10.2.5 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)概述ADCDnD0輸出數(shù)字量輸入模擬電壓能將模擬電壓成正比地轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字量。1. A/D功能:10.2 A/D 轉(zhuǎn)換器2. A/D轉(zhuǎn)換器分類 并聯(lián)比較型 特點(diǎn): 轉(zhuǎn)換速度快,轉(zhuǎn)換時間 10ns 1s, 但電路復(fù)雜。 逐次逼近型 特點(diǎn): 轉(zhuǎn)換速度適中,轉(zhuǎn)換時間 為幾s 100 s, 轉(zhuǎn)換精度高，在轉(zhuǎn)換速度和硬件復(fù)雜度之間達(dá)到一個很好的平衡。 雙積分型 特點(diǎn): 轉(zhuǎn)換速度慢,轉(zhuǎn)換時間 幾百s 幾ms,但抗干

12、擾能力最強(qiáng)。取樣時間上離散的信號保持、量化量值上也離散的信號編碼模擬信號時間上和量值上都連續(xù)數(shù)字信號時間上和量值上都離散10.2.1 A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程 A/D轉(zhuǎn)換器一般要包括取樣， 保持，量化及編碼4個過程。1. 取樣與保持 采樣是將隨時間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為在時間離散的模擬量。 采樣信號S(t)的頻率愈高，所采得信號經(jīng)低通濾波器后愈能真實(shí)地復(fù)現(xiàn)輸入信號。合理的采樣頻率由采樣定理確定。 采樣定理：設(shè)采樣信號S(t)的頻率為fs，輸入模擬信號I(t)的最高頻率分量的頻率為fimax，則 fs 2fimaxS(t)=1:開關(guān)閉合S(t)=0:開關(guān)斷開采得模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號都需要一定時

13、間，為了給后續(xù)的量化編碼過程提供一個穩(wěn)定的值，在取樣電路后要求將所采樣的模擬信號保持一段時間。采樣保持取樣與保持電路及工作原理2. 量化與編碼數(shù)字信號在數(shù)值上是離散的。采樣保持電路的輸出電壓還需按某種近似方式歸化到與之相應(yīng)的離散電平上，任何數(shù)字量只能是某個最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。量化后的數(shù)值最后還需通過編碼過程用一個代碼表示出來。經(jīng)編碼后得到的代碼就是A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量。 量化3.編碼在量化過程中由于所采樣電壓不一定能被整除，所以量化前后一定存在誤差，此誤差我們稱之為量化誤差，用表示。量化誤差屬原理誤差，它是無法消除的。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越 多，各離散電平之間的差值越小，量化誤差越小。 兩

14、種近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。 4.量化誤差：量化前的電壓與量化后的電壓差5.量化方式011111101011000110100010000=0 v7=7/8 v6=6/8 v5=5/8 v4=4/8 v3=3/8 v2=2/8 v1=1/8 v輸入信號編碼量化后電壓a ) 只舍不入量化方式:量化中把不足一個量化單位的部分舍棄；對于等于或大于一個量化單位部分按一個量化單位處理。最大量化誤差為：最小量化單位1/8V=1LSB=1/8 V例：將01V電壓轉(zhuǎn)換為3位二進(jìn)制代碼b )四舍五入量化方式:量化過程將不足半個量化單位部分舍棄，對于等于或大于半個量化單位部分按一個量化單

15、位處理。最大量化誤差為：最小量化單位：011111101011000110100010000=0 v7=14/15 v6=12/15 v5=10/15 v4=8/15 v3=6/15 v2=4/15v1=2/15 v輸入信號編碼模擬電平=1LSB= 2/15 V1/15V例：將01V電壓轉(zhuǎn)換為3位二進(jìn)制代碼10.2.2 并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器電壓比較器輸入模擬電壓精密電阻網(wǎng)絡(luò)精密參考電壓VREF/153VREF/157VREF/1510VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15輸出數(shù)字量1、電路組成VI=8VREF/151111000001 vI CO1 CO2 CO3

16、 CO4 CO5 CO6 CO7 D2 D1 D0 7VREF/15 vI 10VREF/15 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 10VREF/15 vI 11VREF/15 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 5VREF/15 vI 7VREF/15 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 3VREF /15 vI 5VREF/15 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 11VREF/15 vI 13VR/15 0 1 1 1 1 1 1 1 1 013VREF/15 vI VREF/15 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 VREF/15 vI 3VREF/15 0 0 0

17、 0 0 0 1 0 0 1 0 vI VREF/15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 根據(jù)各比較器的參考電壓值，可以確定輸入模擬電壓值與各比較器輸出狀態(tài)的關(guān)系。比較器的輸出狀態(tài)由D觸發(fā)器存儲，經(jīng)優(yōu)先編碼器編碼，得到數(shù)字量輸出。 3、電路特點(diǎn)：在并行A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入電壓I同時加到所有比較器的輸入端。如不考慮各器件的延遲，可認(rèn)為三位數(shù)字量是與I輸入時刻同時獲得的。所以它的轉(zhuǎn)換時間最短。 缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，如三位ADC需7個比較器、7個觸發(fā)器、8個電阻。位數(shù)越多，電路越復(fù)雜。為了解決提高分辨率和增加元件數(shù)的矛盾，可以采取分級并行轉(zhuǎn)換的方法。 單片集成并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的產(chǎn)品很多，如A

18、D公司的AD10012 (TTL工藝8位)、AD10002 (ECL工藝，8位)、AD10020 (TTL工藝，10位)等。 所加砝碼重量 結(jié)果 10.2.3 逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器逐次逼近轉(zhuǎn)換過程與用天平稱物重非常相似 。第一次8 克砝碼總重 待測重量Wx ，8克砝碼保留8 克第二次再加4克砝碼總重仍 待測重量Wx ， 2克砝碼撤除12 克第四次再加1克砝碼總重 待測重量Wx ， 1克砝碼保留13 克1. 轉(zhuǎn)換原理 所用砝碼重量：8克、4克、2克和1克。設(shè)待秤重量Wx = 13克。1. 轉(zhuǎn)換原理 1 0 0 0 1 0 0 0 I 5V 1A=6.84VVREF=10V第一個CP：1. 轉(zhuǎn)換

19、原理 第二個CP：0 1 0 0 1 1 0 0 10I 7.5V I=6.84VVREF=10V1. 轉(zhuǎn)換原理 第三個CP：0 0 1 0 1 0 1 0 I 6.25V 101A=6.84VVREF=10V10000000A=6.84VVREF=10V1010111111000000101000001011000010101000101011001010111010101111小結(jié)：1、 逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)越多轉(zhuǎn)換精度越高；2、逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需時間與其位數(shù)n和時鐘脈沖頻率有關(guān)，位數(shù)愈少，時鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換所需時間越短； 10.2.4 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器1、雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的基本指導(dǎo)思想 對輸入模擬電壓和參考電壓分別進(jìn)行兩次積分，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時間間隔，然后利用時鐘脈沖和計(jì)數(shù)器測出此時間間隔，進(jìn)而得到相應(yīng)的數(shù)字量輸出。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器也稱為電壓時間數(shù)字式積分器 。1、電路組成00000Cr信號將計(jì)數(shù)器清零；開關(guān)S2閉合，待積分電容放電完畢后，斷開S2 使電容的初始電壓為0。2、工作原理準(zhǔn)備階段：經(jīng)過2n個CP(2) 第一次積