電力電子技術(shù)- DAC轉(zhuǎn)換器和ADC轉(zhuǎn)換器

1D/A轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器2D/A轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)容提要（1）D/A轉(zhuǎn)換器

DAC的工作原理、性能指標(biāo)、集成DAC及其應(yīng)用（2）A/D轉(zhuǎn)換器ADC的工作原理、性能指標(biāo)、集成ADC及其應(yīng)用重點D/A、A/D轉(zhuǎn)換器工作原理、性能指標(biāo)1.概述1.模數(shù)轉(zhuǎn)換：從模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，簡稱A/D轉(zhuǎn)換（AnalogtoDigital）。2.數(shù)模轉(zhuǎn)換：從數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)換，簡稱D/A轉(zhuǎn)換（DigitaltoAnalog）。3.A/D轉(zhuǎn)換器：實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的電路，簡寫ADC（Analog-DigitalConverter）4.D/A轉(zhuǎn)換器：實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的電路，簡寫DAC（Digital-AnalogConverter）341.概述鍋爐加熱信號采集和控制系統(tǒng)D/A、A/D轉(zhuǎn)換器的實際舉例52.D/A轉(zhuǎn)換器主要內(nèi)容D/A轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)框圖二進(jìn)制權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器的模擬輸出與數(shù)字輸入之間的關(guān)系D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)集成DAC0832及其應(yīng)用62.1D/A轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)

基本原理：將輸入的每一位二進(jìn)制代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)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(shù)字量成正比，這樣便實現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。

轉(zhuǎn)換特性：D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性，是指其輸出模擬量和輸入數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。理想的D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性，應(yīng)是輸出模擬量與輸入數(shù)字量成正比。1.D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理和轉(zhuǎn)換特性7n位D/A轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)框圖D/A轉(zhuǎn)換器由數(shù)碼寄存器、n位模擬電子開關(guān)、解碼網(wǎng)絡(luò)、求和電路及基準(zhǔn)電壓幾部分組成。數(shù)字量以串行或并行方式輸入并存儲于數(shù)碼寄存器中，寄存器輸出的每位數(shù)碼驅(qū)動對應(yīng)的數(shù)位上的電子開關(guān)將在電阻解碼網(wǎng)絡(luò)中獲得的相應(yīng)數(shù)位權(quán)值送入求和電路。求和電路將各位權(quán)值相加便得到與數(shù)字量對應(yīng)的模擬量。常見的D/A轉(zhuǎn)換器：權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器開關(guān)樹型D/A轉(zhuǎn)換器892.2二進(jìn)制權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器二進(jìn)制權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器如圖所示。1．電路結(jié)構(gòu)組成：權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、4個模擬開關(guān)、1個求和放大器。求和放大器是一個接成負(fù)反饋的運(yùn)算放大器，可以看成一個理想放大器。理想放大器的特點：（1）理想運(yùn)放的兩輸入端之間的電壓差為零，即

。（2）理想運(yùn)放的兩輸入端不取電流，即。當(dāng)參考電壓經(jīng)電阻網(wǎng)絡(luò)加到時，只要稍高于，便在產(chǎn)生很負(fù)的輸出電壓。經(jīng)電阻反饋到，使降低，其結(jié)果必然使1011不論模擬開關(guān)接到運(yùn)算放大器的反相輸入端（虛地）還是接到地，也就是不論輸入數(shù)字信號是1還是0，各支路的電流是不變的。2．權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換電路的工作原理12練習(xí)：4位二進(jìn)制權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC，設(shè)基準(zhǔn)電壓UREF=8V，RF=R/2，試求輸入二進(jìn)制數(shù)D3D2D1D0=1001時的輸出電壓值。解：將D3D2D1D0=1001代入得132.3D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)1.分辨率

分辨率用輸入二進(jìn)制數(shù)的有效位數(shù)表示。在分辨率為n位的D/A轉(zhuǎn)換器中，輸出模擬電壓能區(qū)分輸入代碼從00…00到11…11全部2n個不同的輸入二進(jìn)制代碼狀態(tài)，給出2n個不同等級的輸出電壓。

分辨率也可以用D/A轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓VLSB（輸入數(shù)字只有最低位為1）與最大輸出電壓VFSR（輸入數(shù)字代碼所有各位全為1）的比值來表示。其值越小，分辨率越強(qiáng)。3位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率可以表示為142.轉(zhuǎn)換誤差3.轉(zhuǎn)換速度（轉(zhuǎn)換時間或或輸出建立時間）從輸入數(shù)字信號起，到輸出模擬電壓或電流到達(dá)穩(wěn)定值時所需要的時間。它是反映D/A轉(zhuǎn)換器工作速度的指標(biāo)，轉(zhuǎn)換時間越小，工作速度越高。D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換誤差是指輸出模擬電壓的實際值與理想值之差，即最大靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。通常要求D/A轉(zhuǎn)換器的誤差小于ULSB/2。D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率和轉(zhuǎn)換誤差共同決定轉(zhuǎn)換精度。152.4集成D/A轉(zhuǎn)換器及應(yīng)用舉例DAC0832的邏輯符號和引腳圖如圖所示。16DAC0832典型應(yīng)用基本電路173A/D轉(zhuǎn)換器主要內(nèi)容A/D轉(zhuǎn)換器的基本工作原理A/D轉(zhuǎn)換器的種類A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)集成ADC0809及應(yīng)用183.1A/D轉(zhuǎn)換的基本工作原理A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）的作用是將輸入連續(xù)變化的模擬信號變換成與其正比的數(shù)字量信號輸出。A/D轉(zhuǎn)換步驟為：采樣、保持、量化和編碼。完成這四步的電路則分別為采樣—保持電路和量化—編碼電路兩部分。CPSSADC采樣保持電路ADC的量化編碼電路...DDDn-110vI（t）vI（t）輸入模擬電壓采樣展寬信號數(shù)字量輸出（n位）19采樣和保持波形示意圖1.取樣和保持取樣就是對連續(xù)的模擬信號按一定的時間間隔進(jìn)行采樣。

采樣定理：式中fS為取樣頻率，fimax為輸入信號vI的最高頻率分量的頻率。3.1A/D轉(zhuǎn)換的基本工作原理20采樣過程3.1A/D轉(zhuǎn)換的基本工作原理212.量化－編碼輸入的模擬信號經(jīng)取樣和保持后，得到的是階梯形模擬信號。必須將階梯形模擬信號中各個電壓值轉(zhuǎn)換為某個最小單位的整數(shù)倍，才能用數(shù)字量來表示，把這一過程稱為量化。規(guī)定的最小數(shù)量單位稱為量化單位或量化間隔，用“δ”表示。

量化的方法一般有兩種：四舍五入法和舍去小數(shù)法。

（1）四舍五入法：把＜δ/2的電壓作為“0δ”處理，把≥δ/2而＜3/2δ的電壓作為“1δ”處理；（2）舍去小數(shù)法：把＜δ的電壓作為“0δ”處理，把≥δ而＜2δ的電壓作為“1δ”處理。

量化的結(jié)果用二進(jìn)制代碼來表示，稱為編碼。223.2A/D轉(zhuǎn)換器的種類

A/D轉(zhuǎn)換器按照工作原理的不同可分為直接A/D轉(zhuǎn)換器和間接A/D轉(zhuǎn)換器。

直接A/D轉(zhuǎn)換器是將輸入模擬電壓直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，間接A/D轉(zhuǎn)換器是先將輸入模擬電壓轉(zhuǎn)換成中間量（如時間或頻率），然后將這些中間量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。常用的直接A/D轉(zhuǎn)換器有并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器和逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器。常用的間接A/D轉(zhuǎn)換器有中間量為時間的雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，中間量為頻率的電壓－頻率轉(zhuǎn)換型A/D轉(zhuǎn)換器。233.3A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)1、轉(zhuǎn)換精度A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是用分辨率（分解度）和轉(zhuǎn)換誤差來描述的。分辨率:說明A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號的分辨能力。通常以輸出二進(jìn)制(或十進(jìn)制)數(shù)的位數(shù)表示分解度的優(yōu)劣。位數(shù)多，說明量化誤差小，轉(zhuǎn)換精度高，輸出的數(shù)字量就愈能準(zhǔn)確地反映該時刻輸入的模擬量。轉(zhuǎn)換誤差：表示A/D轉(zhuǎn)換器實際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別。242.轉(zhuǎn)換時間

指A/D轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控制信號到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號所經(jīng)過的時間。A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間與轉(zhuǎn)換電路的類型有關(guān)。并行比較A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最高,逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器次之,間接A/D轉(zhuǎn)換器(如雙積分A/D)的速度最慢。并行比較A/D轉(zhuǎn)換器(8位）逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器間接A/D轉(zhuǎn)換器10~50s<50ns10ms~1000ms253.4集成A/D轉(zhuǎn)換器及應(yīng)用ADC0809原理框圖和引腳排列圖26ADC0809典型應(yīng)用基本電路27練習(xí)

某8位A/D轉(zhuǎn)換器的輸入模擬電壓滿量程為5V，當(dāng)輸入電壓為1.96V時，求對應(yīng)的輸出數(shù)字量？解：輸出數(shù)字量對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)與輸入模擬電壓成正比：所以有：