第10章數(shù)模變換器和模數(shù)變換器課件

1、第10章 數(shù)模變換器（DAC）、模數(shù)變換 器（ADC）15.1 概述15.2 D/A變換器15.3 A/D變換器 一、能將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的裝置稱為數(shù)/模變換器( 簡(jiǎn)稱D/A變換器 ); 能將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的裝置稱為模/數(shù)變換器( 簡(jiǎn)稱A/D變換器 )。10.1 概述二、分類A/D轉(zhuǎn)換器：直接A/D轉(zhuǎn)換器：輸入的模擬信號(hào)被直接轉(zhuǎn)換成輸出的數(shù)字信號(hào)。間接A/D轉(zhuǎn)換器：輸入的模擬信號(hào)首先被轉(zhuǎn)換成某種中間量（例如時(shí)間、頻率等）然后再將這種中間量轉(zhuǎn)換成所需要的數(shù)字信號(hào)輸出。D/A轉(zhuǎn)換器：直接D/A轉(zhuǎn)換器，間接D/A 轉(zhuǎn)換器。三、模數(shù)之間轉(zhuǎn)換的意義1、計(jì)算機(jī)的應(yīng)用；2、數(shù)字測(cè)量?jī)x表；3、數(shù)字通信和

2、遙測(cè)； 四、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用放大器傳感器(溫度、壓力、流量、應(yīng)力等）采樣/保持器A/D計(jì)算機(jī)顯示器D/A示波器打印機(jī)計(jì)算機(jī)進(jìn)行各種數(shù)字處理（如濾波、計(jì)算）、數(shù)據(jù)保存、打印等顯示器顯示字符、曲線、圖形、圖象等10.2 D/A 變換器（Digital Analog Converter）一、概述 1、D/A轉(zhuǎn)換器可以認(rèn)為是一種譯碼電路，它能夠?qū)匆欢ǚ桨妇幋a的數(shù)字信號(hào)，轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，并以電壓或電流的形式輸出。2、三種基本形式（1）隨意的D/A：每個(gè)代碼所對(duì)應(yīng)的輸出電壓可以根據(jù)需要任意規(guī)定。（2）非線性的D/A：輸出的電壓和輸入的數(shù)字量之間成線性關(guān)系。（3）線性的D/A：輸出電壓UO

3、和輸入的數(shù)字量D之間成線性關(guān)系。即 UO=DUR UR位模擬參考電壓10.2 D/A 變換器一、概述3、方框圖 寄存器參考電壓源電阻譯碼器n位模擬開關(guān)輸入DUo寄存器：暫時(shí)存放輸入的數(shù)字量D，并控制n個(gè)模擬開關(guān)的轉(zhuǎn)換。模擬開關(guān)：對(duì)應(yīng)于數(shù)字量為1的位，開關(guān)將參考電源UR按位切換到譯碼器，對(duì)應(yīng)于數(shù)字量為0的位，開關(guān)接通到地。電阻譯碼器：把輸入D中各位的1，按權(quán)變換成電流。 由于構(gòu)成數(shù)字代碼的每一位都有一定的“權(quán)重”，因此為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，就必須將每一位代碼按其“權(quán)重”轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后再將代表各位的模擬量相加，即可得到與該數(shù)字量成正比的模擬量，這就是構(gòu)成D/A變換器的基本思想。二、

4、權(quán)電阻D/A變換器1、電路組成 AuORI3S3d3+UREF23RI0S0d022RI1S1d12RI2S2d2R/2UREF：基準(zhǔn)電源。A：求和放大器。數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流，在輸入端疊加后，以模擬電壓形式輸出。權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)：每個(gè)電阻的阻值與對(duì)應(yīng)的權(quán)成反比。模擬電子開關(guān)：S0，S1，S2，S3它們受被轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)所控制。當(dāng)di=1時(shí)，Si接到UREF，反之，Si接地。 二、 權(quán)電阻D/A變換器1、電路組成 AuORI3S3d3+UREF23RI0S0d022RI1S1d12RI2S2d2R/22、工作原理當(dāng)四位二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)d0，d1，d2，d3到來時(shí)，流入A的總電流I= I0d0+I1

5、d1+I2d2+I3d3= 二、 權(quán)電阻D/A變換器1、電路組成 AuORI3S3d3+UREF23RI0S0d022RI1S1d12RI2S2d2R/22、工作原理I對(duì)于n位的權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器則有 I= 運(yùn)算放大器輸出的模擬電壓uo=IRf= 輸出的模擬電壓正比于輸入的數(shù)字量，因而實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的變換。二、 權(quán)電阻D/A變換器1、電路組成 AuORI3S3d3+UREF23RI0S0d022RI1S1d12RI2S2d2R/22、工作原理例如：數(shù)字量（二進(jìn)制數(shù)）(1011)2=(11)10當(dāng)1101輸入后，輸出電壓：二、 權(quán)電阻D/A變換器1、電路組成 AuORI3S3d3+U

6、REF23RI0S0d022RI1S1d12RI2S2d2R/22、工作原理3、說明優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、直觀 缺點(diǎn)：權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)中各電阻阻值的精度很難實(shí)現(xiàn)，且難以集成。 三、T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器 1、電路組成 2、工作原理模擬電子開關(guān)：S0，S1，S2，S3它們受被轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)所控制。當(dāng)di=1時(shí)，Si接到UREF，反之，Si接地。 2RuO2RS2d2+AUREF2RS3d32RS0d02RS1d1R3R2RRR（1）T型電阻網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)化 和權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)相比，T形解碼網(wǎng)絡(luò)中電阻的類型少，只有R、2R兩種，電路構(gòu)成比較方便。三、T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器 1、電路組成 2、工作原理2RuO2RS2

7、d2+AUREF2RS3d32RS0d02RS1d1R3R2RRR（1）T型電阻網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)化 2R2R2R2R2RAAR R R 2R 虛地A2R 2RAI/2 I/2I=UREF/3RI/16I/16根據(jù)疊加原理：其他端點(diǎn)無論是接地還是接電源，都可按上述方法處理。 三、T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器 1、電路組成 2、工作原理2RuO2RS2d2+AUREF2RS3d32RS0d02RS1d1R3R2RRR（1）T型電阻網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)化 B2R 2RBI/2 I/2I=UREF/3RI/8I/162R2R2R2R2RBR R R 2R 虛地BI/8I/4I/2三、T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器 1、電路組成 2

8、、工作原理2RuO2RS2d2+AUREF2RS3d32RS0d02RS1d1R3R2RRR（1）T型電阻網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)化 I=UREF/3RI/16I/8I/4I/2（2）電流分流當(dāng)某一端點(diǎn)接參考電源，流進(jìn)該端點(diǎn)的電流為I=UREF/3R（每個(gè)端點(diǎn)均一樣）但對(duì)運(yùn)算放大器的反相端的電流貢獻(xiàn)卻不一樣 三、T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器 1、電路組成 2、工作原理2RuO2RS2d2+AUREF2RS3d32RS0d02RS1d1R3R2RRR（3）流入放大器的總電流 I=UREF/3RI/16I/8I/4I/2根據(jù)疊加原理。當(dāng)四位二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)d0，d1，d2，d3到來時(shí)，流入A的總電流I總=I0d0+I1

9、d1+I2d2+I3d3 ，即三、T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器 1、電路組成 2、工作原理2RuO2RS2d2+AUREF2RS3d32RS0d02RS1d1R3R2RRR（3）流入放大器的總電流 I/16I/8I/4I/2（4）運(yùn)算放大器輸出的模擬電壓 輸出的模擬電壓正比于輸入的數(shù)字量。 （5）對(duì)于n位的T型網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器則有 三、T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器 1、電路組成 2、工作原理2RuO2RS2d2+AUREF2RS3d32RS0d02RS1d1R3R2RRRI/16I/8I/4I/23、說明（1）所使用的電阻只有兩種R和2R，故精度較高，便于集成。（2）傳輸時(shí)間不同，影響工作速度。（3）

10、實(shí)用中使用倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器。 三、T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器 1、電路組成 2RuO2RS2d2+AUREF2RS3d32RS0d02RS1d1R3R2RRRI/16I/8I/4I/2S1S0uO+AUREFS3I/2d3I/8d1I/4d3I/16d02R2R R 2R R 2R R 2R I S2R四、具有雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器能夠輸出正、負(fù)數(shù) 因?yàn)樵诙M(jìn)制算術(shù)運(yùn)算中，通常把帶符號(hào)的數(shù)值表示為補(bǔ)碼形式，所以希望D/A轉(zhuǎn)換器能把輸入的正、負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼分別轉(zhuǎn)換成正、負(fù)極性的模擬電壓。 1、輸入為三位二進(jìn)制補(bǔ)碼時(shí)的輸出 補(bǔ)碼輸入對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)要求的輸出電壓d2d1d00 1 10 1 0

11、0 0 10 0 01 1 11 1 01 0 11 0 0+3+2+10-1-2-3-4+3v+2v+1v0-1v-2v-3v-4v四、具有雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器能夠輸出正、負(fù)數(shù) 2、電路形式 IBuORBVBR/2+AUREF20RS2d021RIfS1d122RIS0d23、工作原理 選擇合適的VB和RB使 由圖可見： 2、電路形式 IBuORBVBR/2+AUREF20RS2d021RIfS1d122RIS0d23、工作原理 當(dāng)UREF=8v時(shí) 四、具有雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器能夠輸出正、負(fù)數(shù) 2、電路形式 IBuORBVBR/2+AUREF20RS2d021RIfS1d122RIS

12、0d23、工作原理 當(dāng)UREF=8v時(shí) 補(bǔ)碼輸入對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)要求的輸出電壓d2d1d00 1 10 1 00 0 10 0 01 1 11 1 01 0 11 0 0+3+2+10-1-2-3-4+3v+2v+1v0-1v-2v-3v-4v四、具有雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器能夠輸出正、負(fù)數(shù) 五、D/A變換器的主要技術(shù)指標(biāo)有時(shí)也用輸入數(shù)字量的有效位數(shù)來表示分辨率。1、分辨率：指最小輸出電壓和最大輸出電壓之比。 2、線性度：通常用非線性誤差的大小表示D/A 變換器的線性度。把偏離理想的輸入輸出特性的偏差與滿刻度輸出之比的百分?jǐn)?shù)定義 為非線性誤差。 3、輸出電壓( 電流 )的建立時(shí)間：完成一次轉(zhuǎn)換的

13、時(shí)間包括兩部分：一是運(yùn)算放大器到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)輸出所需要的時(shí)間。二是距運(yùn)算放大器最遠(yuǎn)的那一位輸入信號(hào)的傳輸時(shí)間。 五、D/A變換器的主要技術(shù)指標(biāo)4、轉(zhuǎn)換誤差（1）比例系數(shù)誤差：由于UREF偏離標(biāo)準(zhǔn)值引起的誤差。其大小與輸入的數(shù)字信號(hào)的大小有關(guān)。（2）漂移誤差：由運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移引起的誤差。它與輸入的數(shù)字信號(hào)無關(guān)。（3）非線性誤差：由模擬開關(guān)的壓降和電阻網(wǎng)絡(luò)中各電阻阻值的偏差引起。（4）動(dòng)態(tài)誤差：在輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時(shí)，由于各位數(shù)傳到放大器輸入端的時(shí)間不一樣而產(chǎn)生的誤差。 六、D/A轉(zhuǎn)換器中的模擬開關(guān) 1、要求（1）開關(guān)的狀態(tài)是由輸入的數(shù)字信號(hào)來控制的。（2）因?yàn)樗鶄魉偷氖悄M信號(hào)，所以要求

14、開關(guān)的接通和斷開不影響被傳送的模擬信號(hào)數(shù)值，即應(yīng)盡可能地接近理想開關(guān)。六、D/A轉(zhuǎn)換器中的模擬開關(guān) 2、雙極型模擬開關(guān)T1+12v+3v-12vuO+Adi2iR+UREFT2T4T32.2k2.2k2.2k4.7k當(dāng)di=1時(shí)：V=3vT1截止IC1=0VB2=-12vT2截止VC2=12vT3飽和，T4截止相當(dāng)于開關(guān)Si接至UREF當(dāng)di=0時(shí)：V=0vT1飽和IC1很大VB2較高T2飽和VC2低電平T3截止，T4飽和相當(dāng)于開關(guān)Si接至地 六、D/A轉(zhuǎn)換器中的模擬開關(guān) 3、CMOS開關(guān)電路 當(dāng)輸入端di為高電平時(shí)：u1為低u2為高T9導(dǎo)通 u3為低 T8截止當(dāng)輸入端di為低電平時(shí)：u1為高

15、u2為低T9截止 u3為高 T8導(dǎo)通I1T8T2diV+T9T7T6T5T4T1T3I2u1接2R電阻u2u3T1，T4，T6，T8，T9為N溝道MOS管，T2，T3，T5，T7為P溝道MOS管。 T1與T2，T4與T5，T6與T7構(gòu)成CMOS反相器。 T1與T2，T4與T5，T6與T7構(gòu)成CMOS反相器。 A/D變換器的任務(wù)是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,它是模擬信號(hào)和數(shù)字儀器的接口。10.3 A/D 變換器(ADCAnalog Digital Converter)一、A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟采樣：按一定的時(shí)間間隔取模擬信號(hào)的量值。保持：將所采樣的模擬信號(hào)量值保持一段時(shí)間，以便轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。量化：

16、將采樣的模擬信號(hào)以最小數(shù)字單位（量化單位）去衡量，比較，取整。用有限個(gè)幅度值來表示斷續(xù)脈沖的幅度值。編碼：量化后的數(shù)值用二進(jìn)制數(shù)來表示。 采樣/保持器量化/編碼uiuo模擬輸入數(shù)字輸出A/D轉(zhuǎn)換命令一、A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟1、采樣和保持 （1）功能： 在A/D轉(zhuǎn)換期間，使A/D的輸入電壓u2保持不變。tt1t2t3t4t5t6t7模擬信號(hào)信號(hào)幅度數(shù)字信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換命令為了用采樣信號(hào)表示輸入的模擬信號(hào)ui，必須滿足采樣定理 ：fs2fimax fs為采樣信號(hào)的頻率，fimax為ui的最高頻率分量的頻率 t采樣信號(hào)高電平期間uo跟隨ui低電平期間uo保持不變，同時(shí)A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換ui輸入模擬信號(hào)uo

17、采樣/保持器輸出信號(hào)（2）采樣保持原理 一、A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟1、采樣和保持 ui(t)uo(t)C由采樣信號(hào)控制（3）采樣保持電路 一、A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟1、采樣和保持 基本形式 +uouiRfChTRIus當(dāng)us =1時(shí)，T導(dǎo)通，ui經(jīng)RI和T給Ch充電，充電結(jié)束后，uO=ui = uC當(dāng)us=0時(shí)，T截止，由于Ch上的電壓可以在一段時(shí)間內(nèi)基本保持不變，所以u(píng)O的數(shù)值也被保持下來?；倦娐沸问降娜秉c(diǎn)：給C充電經(jīng)過了RI，使較大，而RI又不能小，因RI為越小，輸入電阻越小。 選擇RI=Rf （3）采樣保持電路 一、A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟1、采樣和保持 實(shí)際電路 當(dāng)S閉合時(shí)，A1和A2均工作

18、在電壓跟隨器狀態(tài)，所以u(píng)O=uO=us，同時(shí)uO經(jīng)R2給Ch充電使uCh=ui，當(dāng)us返回低電平后，S斷開，但由于Ch上的電壓不變，所以u(píng)O維持不變。D1，D2構(gòu)成保護(hù)電路。在S斷開期間，如果ui發(fā)生變化，uO可能變得非常大。當(dāng)uO比uO高或低一個(gè)二極管的壓降時(shí)，D1，或D2導(dǎo)通，從而將uO限制在ui+uD以內(nèi)，而在開關(guān)S閉合的情況下，uO和uO相等，故D1，D2均不導(dǎo)通，保護(hù)電路不起作用。 us =1時(shí)，S閉合；us =0時(shí)，S斷開 R2R1+ChA2A1LuouSuiD2D1ui S一、A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟2、量化和編碼 在用數(shù)字量表示采樣電壓時(shí)，必須把它化成一個(gè)最小單位的整數(shù)倍。所規(guī)定的

19、最小數(shù)量單位量化單位（）。這個(gè)過程叫做量化。例如：用8位二進(jìn)制數(shù)去表示一個(gè)滿刻度位255mv的模擬電壓，8位二進(jìn)制的最小數(shù)為00000001，表示1mv，而11111111表示255mv。但若模擬電壓為1.5mv，那么是用00000001表示，還是用00000010表示？就取決于采用的量化方法。 一、A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟2、量化和編碼 （1）兩種量化方法只舍不入：當(dāng)0mvuO1mv 取uO = 0mv 當(dāng)1mvuO2mv 取uO = 1mv 有舍有入：當(dāng)0mvuO0.5mv 取uO = 0mv 當(dāng)0.5mvuO1.5mv 取uO =1mv （2）編碼將量化后的數(shù)值用二進(jìn)制代碼表示。（3）量化誤

20、差由于模擬電壓是連續(xù)的，它就不一定能夠被整除，因而就不可避免地出現(xiàn)誤差。 二、幾種常用的A/D轉(zhuǎn)換器 1、計(jì)數(shù)式反饋型A/D轉(zhuǎn)換器 （1）電路形式d0uIuL轉(zhuǎn)換控制信號(hào)D/A轉(zhuǎn)換器計(jì) 數(shù) 器GC時(shí)鐘信號(hào)模擬輸入uo+-d1dn-2dn-1 （2）工作原理 轉(zhuǎn)換開始前，先將計(jì)數(shù)器清零，此時(shí)uL=0，uC=1。 當(dāng)uL =1時(shí)電路開始轉(zhuǎn)換，時(shí)鐘信號(hào)通過門G時(shí)計(jì)數(shù)器做加法計(jì)數(shù)。隨著加法計(jì)數(shù)的進(jìn)行，D/A的輸出不斷增加，當(dāng)uO= uI時(shí)，比較器的輸出uC=0，將門G封鎖。于是計(jì)數(shù)器停止工作。這時(shí)計(jì)數(shù)器中所存的數(shù)字就是輸入模擬電壓所對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。優(yōu)點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度太低。 二、幾種常用

21、的A/D轉(zhuǎn)換器 2、逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器 （1）基本思路 若有四個(gè)砝碼共重15克，每個(gè)重量分別為8、4、2、1克。設(shè)待秤重量Wx = 13克，可以用下表步驟來秤量：砝碼重第一次第二次第三次第四次加4克加2克加1克8 克砝碼總重 待測(cè)重量Wx ，故保留砝碼總重仍 待測(cè)重量Wx ，故撤除砝碼總重 待測(cè)重量Wx ，故保留暫時(shí)結(jié)果8 克12 克12 克13 克 結(jié) 論ui1/2Vm0 uI，說明這個(gè)數(shù)字過大，故將最高位的“1”清除；若u0UI 5VR/8 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 5VR/8 UI 4VR/8 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 7VR/8 UI 6VR/8 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 VR UI 7VR/8 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4VR/8 UI 3VR/8 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 3VR/8 UI 2VR/8 0 0 0