數(shù)字電路-第11章數(shù)模模數(shù)轉(zhuǎn)換

數(shù)模轉(zhuǎn)換：將數(shù)字量(Digital)轉(zhuǎn)換為模擬量 og)。簡稱D/A轉(zhuǎn)換模數(shù)轉(zhuǎn)換：將模擬量 og)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量(Digital)。簡稱A/D轉(zhuǎn)換圖11.1.2轉(zhuǎn)圖22.指標(biāo)及權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換直接轉(zhuǎn)換并聯(lián)比較型計數(shù)反饋比較逐次漸進(jìn)間接轉(zhuǎn)換雙積分型（V－T變換型V—F變換3D/A轉(zhuǎn)換的目的D/A轉(zhuǎn)換器的原理框4DA(電壓或電流？一、一、權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換權(quán)電阻網(wǎng)1.電路構(gòu)參考電源求和放大MostSignificant2.工作原任務(wù)：求出輸出模擬電壓o與輸入數(shù)字υdddd間的關(guān)系υoRFiRF(I3I2I1I0LeastSignificantRVREF(d3d2d1d0)V(d2d2d2d22 模擬開一、權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器（續(xù)2.工作原υ (d2d2d2d2V推廣υVREF V22n12n2d21d20 輸入數(shù)字3.特點（1）.電阻數(shù)量少，結(jié)構(gòu)簡單（2）.電阻種類多，差別大，不易集成vvV(2d2d2d2d2d2d2d2d) V2一、權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器（續(xù).23R22R2R2 2R2R2R2ddddd二、倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A模擬開關(guān)S不論接何IV 234υoiIdIdIdIR8116υυVREFo2n12n2d21d2010二、倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器（續(xù) ViIdIdIdIR2342 10υo 3210 ( VREF(d23d22d21d 二、倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器（續(xù)電路特點電阻種類少，便于集成開關(guān)切換時，各點電位不變。因此，速二、二、倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器（續(xù)可外接3.集成D/A轉(zhuǎn)換器CB7520簡介：（十位 饋電阻模擬開關(guān)電三、權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換在權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器和倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器中，若模擬開關(guān)不是理想開關(guān)，其導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通壓降將影響轉(zhuǎn)換精度。權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器可解決這一問題。υO(shè)iR(d d d dIIII2RFI(d23d22d21d20F2 1023210恒流源如圖。但電阻i的種類多。因此，經(jīng)常用倒T阻網(wǎng)絡(luò)的分流作用來實現(xiàn)。R0R0123240123(d2d2d2d2RFV01232 OviRRFI(d23d22d21d20每個VE向右看等效R,權(quán)電流型集成數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0808υRF(d2d2d2d23210O24 RυO(shè)RFV D字量28R若取VREF=10V、則： 8D此時，輸出模擬電壓范圍為：0~9.96V四、四、具有雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器(以3位補碼為例當(dāng)輸入數(shù)字量是帶符號數(shù)時，就需要雙極性輸出的/A轉(zhuǎn)換器。帶符號數(shù)以補碼形式給出。輸出為正、負(fù)極性的模擬電壓。υ DD 8四、具有雙極性輸出的D/AI如何取當(dāng)D=100時，原本輸出電壓為4V因此：I 2 2101 五、D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換（一）轉(zhuǎn)換通常用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描1.分辨率（理論精度）：輸出模擬電壓應(yīng)能區(qū)分0~2n-1共2nVREF(2n用輸入二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示；如8位該比值顯然等于：如10位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率12n2.轉(zhuǎn)換誤差（實際精度）由于電路各部分都有誤差，還要給出誤差來表示實際能達(dá)到的轉(zhuǎn)換精度。轉(zhuǎn)換誤差有時也稱為線性誤差。它表示實際的/A換特性和理想轉(zhuǎn)換特性之間的最大偏差。轉(zhuǎn)換誤差的表示形式最低有效位的倍數(shù)。1LSBScaleRange)的百分?jǐn)?shù)。如：0.1％FSRVREF偏離標(biāo)準(zhǔn)值所引起的誤差小于1/2LSB，計算VREF相對穩(wěn)解：1.計算1/2LSB:當(dāng)輸入數(shù)字量D=1時，輸出電壓為LSB。故度應(yīng)取多21V222.計算當(dāng)VREF變化量為VREF時所引起的輸出變化量的最值υO(shè)M現(xiàn)要求 REF(2n1) 12V2輸入數(shù)字量的最大這里變化量小于 211V3.D/A(1)參考電源引起的誤差稱為比例系數(shù)誤差υO(shè)V(2)運放零點漂移引起的誤差稱為漂移誤差或平移誤差或失調(diào)誤差23.轉(zhuǎn)換誤差分析(續(xù)阻和導(dǎo)通壓降以及電阻網(wǎng)絡(luò)中電阻的偏差引起的誤差稱為非線VV（二）轉(zhuǎn)換到輸出電壓進(jìn)入與穩(wěn)態(tài)值相差不包含運放的DAC建立時間0.1s建立時TtV轉(zhuǎn)換時TR 0S（三（三）溫度指輸入不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化產(chǎn)生的變化量。一般用滿刻度輸出條件下溫度每升高°C，輸出電壓變化的百分?jǐn)?shù)作為溫度系數(shù)11.3A/D轉(zhuǎn)換一、A/D轉(zhuǎn)換的基本原A/D轉(zhuǎn)換的基本步驟采樣（取樣保持由取樣－保持電路完量化 由A/D轉(zhuǎn)換電路完編碼 起：1. 起：1.為保證從取樣信號恢復(fù)被取fs2取樣信號頻 輸入信2.把輸出數(shù)字量為1時對應(yīng)的輸入模擬電壓稱為量化單元，記做Δ。當(dāng)輸出數(shù)字量為D時，對應(yīng)的輸入模擬電壓應(yīng)為Δ，即量化單元的整數(shù)倍。因此，對于任意輸入模擬電壓,首先應(yīng)把它量化為Δ的整數(shù)倍。這就是量化。用二進(jìn)制代碼表示量化后的結(jié)果，即為A/D當(dāng)輸入電壓不為Δ的整數(shù)倍時，必然產(chǎn)生誤差，稱為量化誤差量化誤差＝ 量化誤差＝2.量化和編碼(續(xù)輸入為雙極性時：輸出一般采用二進(jìn)制補碼表示?？捎孟路柫炕筝敵龅亩M(jìn)制補二.二.取樣－保持電1.取υ為高電平時，場效應(yīng)管T導(dǎo)通，VI對CH充電，充電υυ II2.保υL為低電平時，T截止。取樣電容CH上的電荷無泄放回路，υO(shè)將保電路缺點：輸入電阻I過大會降低取樣速度；過小又加重信號源負(fù)載。改進(jìn)方法：在輸入端 放大器下面通過集成取樣保持電路LF198介紹改進(jìn)的取樣－保持電路3.集成取樣保持電路調(diào)取樣 輸入制信 擬電在取樣階段，開關(guān)S接通，運放AI,A2構(gòu)成兩級壓跟隨 υ 外接保持電 在保持階段，S斷開，出電壓O保持不變。在保持階段，S斷開，υO(shè)保持不變到正（負(fù)）最大值，使開關(guān)S承受過高路后可使υo基本等于輸入電壓υI在取樣階段，S接通，D1,D2截止，并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器--并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器--ADC 直接法是通過一套基準(zhǔn)電壓與取樣保持電壓進(jìn)行比較，從而直接將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。其特點是工作速度高，轉(zhuǎn)換精度容易保證，調(diào)準(zhǔn)也比較方便。間接法是將取樣后的模擬信號先轉(zhuǎn)換成中間變量時間t或頻率f,然后再將t或f轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。其特點是工作速度較低，但轉(zhuǎn)換精度可以做得較高，且 性強。間接A/D轉(zhuǎn)換器有單次積分型、雙積分型等。并聯(lián)比較型 d2d1(0~11(~1515(3~51515(5~71515(7~91515(9~151511~1515(13~ 并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器(續(xù)特點速度快，轉(zhuǎn)換時間小于不需取樣－保持電路電路復(fù)雜.思路：將一數(shù)字量加到/A轉(zhuǎn)換器上，再把/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬電壓與輸入模擬電壓相比較。若不相等，則修改數(shù)字量，直到兩模擬電壓相等，此時對應(yīng)的數(shù)字量就是轉(zhuǎn)換結(jié)果。2計數(shù)型A/D（初態(tài)為00……0 υIυB υI量化引起的誤差為1LSB，也就是1Δ.屬于第一種量化方特點電路簡單速度慢。最長轉(zhuǎn)換時間可達(dá)2n-1倍時鐘信號周期啟動轉(zhuǎn)3.逐次漸近型A/D可提高轉(zhuǎn)換速度。雖然也是反饋比較型轉(zhuǎn)換器，但D/A3.逐次漸近型A/D可提高轉(zhuǎn)換速度。雖然也是反饋比較型轉(zhuǎn)換器，但D/A只要比較n3.逐次漸近型A/D 以輸出四位數(shù)字量a3a2a1a0為例（類似與天平稱重）:輸入1000到逐次漸近寄存器，以確定a3輸入a3100到逐次漸近寄存器，以確定a2輸入a3a2a11到逐次漸近寄存器，以確定a0下面結(jié)合具體電路說明工作過程。(P534圖υO(shè)υO(shè)>υI位的1去的1保留原理第二種量化方法，，，。移位寄存器初始狀態(tài)υO(shè)υI時，υBQQQ=d10確定d值QQQ=dd1確定d值QQQ=ddd確定d同時輸出ddd特點：速度較快；電路也不太復(fù)因此，逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器是集成A/D轉(zhuǎn)換器用的最多的一 d2010000 101000 2001001(原 0(原 300010保 1(原 保 0(原 400001保持保 1(原保持保 0(原輸510000重新五、雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器(間接A/D轉(zhuǎn)換器間接轉(zhuǎn)換型ADC：模擬量—中間量—數(shù)字中間變量為時間T的，稱為V-T變換型（電壓－時間變換型中間變量為頻率F的，稱為V-F變換型（電壓－頻率變換型間接轉(zhuǎn)換雙積分型（V－T變換型V—F變換：五、雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器：五、雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器(續(xù)1.雙積分型ADC屬于V-T模擬量→時間寬度信號→2.S1RC-+uO-+&dn-&dn- IIdt1Cυ第一次積分對輸入模擬電壓定時積分，時間為T1,由控制邏輯電路決定；第二次積分對參考電源VEF定速積分，Vo的變化速度由VEF,R和決定。n-+Ou-+CR1St1t1時刻電容電壓υc即υo值υI ToI第二次積分結(jié)束時積分器輸υ 電壓為0dt 1υTtI1故T2T1I T12υVIT2T1VIDT2至于T，若滿1代入上式得D2VυL=0S閉2n2L0=1使S0斷L=0使Q=0使L=0從而使S接VQ=1、V=1使L=1從而S接計數(shù)器清零CLK通過門G，至2n計數(shù)器加S接-計數(shù)器歸歸零后重新加法計數(shù)器停止計數(shù)此數(shù)為數(shù) 積分器對V積分使V<0分器對-V反向積至比較器則輸出V分使Va上升，但還是后輸出滿足V<0影響精度因素：影響精度因素：能力強。積分器對平均值為0的干擾有很強的抑制能力。如電網(wǎng)干擾，若取第一次積分時間為交流電網(wǎng)電壓周期的整數(shù)倍，理論上可完全抑制電網(wǎng)干擾。缺點是速度慢。完成一次轉(zhuǎn)換時間不小于2n+1TC 由于高精度的VCO圖（1）.轉(zhuǎn)換精（2）.轉(zhuǎn)換速（3）.量化誤（4）.偏移誤（5）.滿刻度誤（6）.線性誤七、A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速（一）A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精采用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描分辨率：能區(qū)分的最小輸入模擬電壓。（理論精度用輸出數(shù)字量的位數(shù)表示。當(dāng)位數(shù)為n位時，能區(qū)分的最小電壓為FS/n。FSR---(FullScaleRange)轉(zhuǎn)換誤差：（實際精度通常以輸出誤差最大值的形式給出。表示實際輸出數(shù)字量與理論上應(yīng)有的輸出數(shù)字量之間的差別。多以最低有效位的倍數(shù)表示。如轉(zhuǎn)換誤差12有時也以滿量程的百分?jǐn)?shù)給出。如轉(zhuǎn)換誤