第9章 數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換

第九章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換9.1D/A轉(zhuǎn)換器9.2A/D轉(zhuǎn)換器第九章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換

模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器是計算機與外部設(shè)備的重要接口,也是數(shù)字測量和數(shù)字控制系統(tǒng)的重要部件。

將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的裝置稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器(簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC)；傳感器模擬控制模擬信號數(shù)字計算機數(shù)字控制數(shù)字信號ADCDAC

將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的裝置稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器(簡稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC)9.1D/A轉(zhuǎn)換器9.1D/A轉(zhuǎn)換器9.3小結(jié)9.2A/D轉(zhuǎn)換器9.1D/A轉(zhuǎn)換器

D/A轉(zhuǎn)換器的作用是將輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成與之成正比的模擬量D/A轉(zhuǎn)換器組成基準電壓數(shù)碼輸入電子模擬開關(guān)解碼電路求和電路D/A轉(zhuǎn)換器分類按輸入方式分并行輸入串行輸入按電路結(jié)構(gòu)分權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)T型電阻網(wǎng)絡(luò)倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)9.1D/A轉(zhuǎn)換器9.1.1權(quán)電阻型D/A轉(zhuǎn)換器反相比例運算電路T型電阻網(wǎng)絡(luò)+VRS1S3S2S0R0d3d2d1d00110Vo++-ARF0011+–R1R2R3I0I1I2I3IIFR，輸入數(shù)字量D模擬量輸出輸出的模擬量應(yīng)正比于輸入的數(shù)字量Vo=VR·D基準電壓9.1D/A轉(zhuǎn)換器9.1.1權(quán)電阻型D/A轉(zhuǎn)換器+VRS1S3S2S0R0D3D2D1D00110Vo++-ARF0011+–R1R2R3I0I1I2I3IIFR，電子模擬開關(guān)電子模擬開關(guān)受數(shù)字量控制，Dn若為1，開關(guān)接基準電平(“1”)，Dn若為0，接地(“0”)。+VRS1S3S2S0R0D3D2D1D00110Vo++-ARF0011+–R1R2R3I0I1I2I3IIFR，根據(jù)疊加原理:I=I3+I2+I1+I0,若現(xiàn)在開關(guān)都接“1”,則：若各權(quán)電阻按以下規(guī)律取值：9.1.1權(quán)電阻型D/A轉(zhuǎn)換器+VRS1S3S2S0R0D3D2D1D00110Vo++-ARF0011+–R1R2R3I0I1I2I3IIFR，9.1.1權(quán)電阻型D/A轉(zhuǎn)換器+VRS1S3S2S0R0D3D2D1D00110Vo++-ARF0011+–R1R2R3I0I1I2I3IIFR，9.1.1權(quán)電阻型D/A轉(zhuǎn)換器1100+VRS1S3S2S0R0D3D2D1D00110Vo++-ARF0011+–R1R2R3I0I1I2I3IIFR，＝0＝0I＝I3+I19.1.2倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DA轉(zhuǎn)換器Vo++-ARFD3D2D1D0I01S2S3S1S0I3I1I0I22R+VR2R2R2R2RRRRII02IiIF倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)求和運算電路電子模擬開關(guān)為了克服權(quán)電阻電路難以保證精度問題，常采用倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器。9.1.2倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DA轉(zhuǎn)換器Vo++-ARFD3D2D1D0I01S2S3S1S02R+VR2R2R2R2RRRRII02IIF由于運放的反相輸入端虛地，所以，無論模擬電子開關(guān)合向哪一邊，T型電阻網(wǎng)絡(luò)與地之間的等效電路都如下圖所示。I/2I/2I/4I/4I/8I/8I/16I/16電路等效電阻為R,所以端口電流I

=VR/R,其余各支路電流分別是I/2、I/4、I/8、I/16。當模擬開關(guān)控制端Di為高電平時相應(yīng)的電子開關(guān)Si將該支路的電流引入運放；當控制端為低電平時，對應(yīng)支路電流直接接地。9.1.2倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DA轉(zhuǎn)換器Vo++-ARFD3D2D1D0I01S2S3S1S02R+VR2R2R2R2RRRRII02IiIFI/2I/2I/4I/4I/8I/8I/16I/16設(shè)輸入的二進制數(shù)為1010，如圖：9.1.2倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DA轉(zhuǎn)換器Vo++-ARFD3D2D1D0I01S2S3S1S02R+VR2R2R2R2RRRRII02IiIFI/2I/2I/4I/4I/8I/8I/16I/169.1.2倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DA轉(zhuǎn)換器將倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)擴大到N位9.1.2倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DA轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器中的模擬電子開關(guān)S0～S4的實際電路如圖所示圖中N溝道管T1、T4、T6、T8、T9的柵極為高電平時導通，P溝道管T2、T3、T5、T7的柵極為低電平時導通。當Di=0時，T2通T1截止，輸出高電平T4通，輸出低電平T7通，輸出高電平T8通，將倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)的電流引向Io2當Di=1時，T1通輸出低電平T5通，輸出高電平，T9通將倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)的電流引向Io1。A9.1.4集成DA轉(zhuǎn)換器集成D/A轉(zhuǎn)換器AD7520的管腳及內(nèi)部電路如圖所示，它是10位倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器。在下式中N=10，RF=R=10K輸入的數(shù)字量與輸出的模擬量之間的關(guān)系如表9.1.1所示。9.1.4集成DA轉(zhuǎn)換器若把倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)作為運放的反饋電阻，如圖所示9.1.4集成DA轉(zhuǎn)換器由虛地的概念得：反相比例放大電路

A/D轉(zhuǎn)換器的作用是將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量A/D轉(zhuǎn)換器組成采樣－保持量化編碼電路D/A轉(zhuǎn)換器分類并行式逐次逼進式雙積分式9.2A/D轉(zhuǎn)換器計數(shù)式輸入的模擬量通常要先經(jīng)過采樣－保持電路，再送入A/D轉(zhuǎn)換器。9.2.1采樣－保持電路所謂采樣－保持電路就是在控制信號的作用下，對輸入信號進行間歇性采樣，并在兩次采樣之間的時間內(nèi)保持前一次采樣瞬時值的電路。開關(guān)驅(qū)動電路采樣－保持控制信號CPsuiuoS采樣采樣采樣保持保持保持采樣采樣保持保持uouitt為減小采樣信號的失真，采樣開關(guān)S的控制信號CPs的頻率fs必須滿足fs≥2fimax。(fimax

為輸入電壓頻譜中的最高頻率)9.2.2并行A/D轉(zhuǎn)換器分壓器比較器寄存器編碼器1.分壓器分壓器由7個電阻串聯(lián)而成，將基準電壓VR分成1/15VR～13/15VR和VR8個參考電壓，其中前7個電壓分別接的7個比較器的反相輸入端，輸入ui同時接到比較器的同相輸入端，與參考電壓比較。VR是轉(zhuǎn)換器能夠測量的最大值，1/15VR是轉(zhuǎn)換器可以分辨的模擬量的最小值。9.2.2并行A/D轉(zhuǎn)換器2.比較器比較器C1～C7反相輸入端分別接7個參考電壓，同相輸入端接輸入信號ui。若輸入信號大于參考電壓，比較器輸出高電平“1”，分之輸出低電平“0”。9.2.2并行A/D轉(zhuǎn)換器3.寄存器和編碼器

C1～C7的輸出在寄存器F1～F7寄存并送到3位二進制編碼器G1～G6。編碼器輸出D0～D2與其輸入Q0～Q7的邏輯表達式為：9.2.2并行A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換開始前先將所有寄存器清零。開始轉(zhuǎn)換以后，時鐘脈沖首先將寄存器最高位置成1，使輸出數(shù)字為100…0。這個數(shù)碼被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓uo，送到比較器中與ui進行比較。若ui＞uo，說明數(shù)字過大了，故將最高位的1清除；若ui＜uo，說明數(shù)字還不夠大，應(yīng)將這一位保留。然后，再按同樣的方式將次高位置成1，并且經(jīng)過比較以后確定這個1是否應(yīng)該保留。這樣逐位比較下去，一直到最低位為止。比較完畢后，寄存器中的狀態(tài)就是所要求的數(shù)字量輸出。原理框圖基本原理9.2.3逐次逼進A/D轉(zhuǎn)換器9.2.3逐次逼進A/D轉(zhuǎn)換器Q3R1DC1SQ2R1DC1SQ1R1DC1SQ0R1DC1SQ4R

C1SRQ51DC1SD/A轉(zhuǎn)換器QE

QD

QC

QB

QACP’

移位寄存器

SFEDCBA1–

+C&+5VCP+5VV’RVRD3D2D1D0啟動脈沖ui11110

D/A轉(zhuǎn)換器的作用是根據(jù)不同的輸入代碼D3D2D1D0,產(chǎn)生不同的參考電壓值V’R,并送到比較器與ui比較。參考電壓與輸入數(shù)碼之間的關(guān)系如下表所示。(8/16)VR(9/16)VR(10/16)VR(11/16)VR(12/16)VR(13/16)VR(14/16)VR(15/16)VR

100010011010101111001101111011110(1/16)VR(2/16)VR(3/16)VR(4/16)VR(5/16)VR(6/16)VR(7/16)VR

00000001001000110100010101100111V’RD3D2D1D0V’R

D3D2D1D0

9.2.3逐次逼進A/D轉(zhuǎn)換器Q3

R1DC1SQ2

R1DC1SQ1

R1DC1SQ0

R1DC1SQ4R

C1SR

Q51D

C1

S

D/A轉(zhuǎn)換器QE

QD

QC

QB

QACP’

移位寄存器

SFEDCBA1–

+C&+5VCP+5VV’RVRD3D2D1D0啟動脈沖ui右循環(huán)移位寄存器的作用是將產(chǎn)生的節(jié)拍脈沖送入數(shù)據(jù)寄存器，使其產(chǎn)生不同的數(shù)字代碼給D/A轉(zhuǎn)換器。cpQAQBQCQDQE1234啟動脈沖FQEQDQCQBQA=01111串行輸入端S與QA接，然后在下一個CP到來時把QA的狀態(tài)移至QE,形成右循環(huán)移位。當QA＝0時，將Q5置0，與非門關(guān)閉，完成一個轉(zhuǎn)換周期。9.2.3逐次逼進A/D轉(zhuǎn)換器Q3

R1DC1SQ2

R1DC1SQ1

R1DC1SQ0

R1DC1SQ4R

C1SR

Q51D

C1

S

D/A轉(zhuǎn)換器QE

QD

QC

QB

QACP’

移位寄存器

SFEDCBA1–

+C&+5VCP+5VV’RVRD3D2D1D0啟動脈沖ui數(shù)據(jù)寄存器的作用是輸出相應(yīng)的數(shù)碼給D/A轉(zhuǎn)換器，使之產(chǎn)生參考電壓與輸入模擬量比較；保存比較結(jié)果并決定下一次參考電壓，再次進行比較，逐次提高精度，直至比較結(jié)束。9.2.3逐次逼進A/D轉(zhuǎn)換器啟動脈沖Q3

R1DC1SQ2

R1DC1SQ1

R1DC1SQ0

R1DC1SQ4R

C1SR

Q51D

C1

S

D/A轉(zhuǎn)換器QE

QD

QC

QB

QACP’

移位寄存器

SFEDCBA1–

+C&+5VCP+5VV’RVRD3D2D1D0ui01111000001000設(shè)ui=11.5V設(shè)VR=16V01000＝8Vuc=19.2.3逐次逼進A/D轉(zhuǎn)換器啟動脈沖Q3

R1DC1SQ2

R1DC1SQ1

R1DC1SQ0

R1DC1SQ4R

C1SR

Q51D

C1

S

D/A轉(zhuǎn)換器QE

QD

QC

QB

QACP’

移位寄存器

SFEDCBA1–

+C&+5VCP+5VV’RVRD3D2D1D0ui01111設(shè)ui=11.5V110111設(shè)VR=16Vuc=11100＝12Vuc=09.2.3逐次逼進A/D轉(zhuǎn)換器啟動脈沖Q3

R1DC1SQ2

R1DC1SQ1

R1DC1SQ0

R1DC1SQ4R

C1SR

Q51D

C1

S

D/A轉(zhuǎn)換器QE

QD

QC

QB

QACP’

移位寄存器

SFEDCBA1–

+C&+5VCP+5VV’RVRD3D2D1D0ui設(shè)ui=11.5V110111設(shè)VR=16Vuc=01100＝10Vuc=121101110109.2.3逐次逼進A/D轉(zhuǎn)換器啟動脈沖Q3

R1DC1SQ2

R1DC1SQ1

R1DC1SQ0

R1DC1SQ4R

C1SR

Q51D

C1

S

D/A轉(zhuǎn)換器QE

QD

QC

QB

QACP’

移位寄存器

SFEDCBA1–

+C&+5VCP+5VV’RVRD3D2D1D0ui設(shè)ui=11.5V1設(shè)VR=16V＝11Vuc=1211011101031110110119.2.3逐次逼進A/D轉(zhuǎn)換器啟動脈沖Q3

R1DC1SQ2

R1DC1SQ1

R1DC1SQ0

R1DC1SQ4R

C1SR

Q51D

C1

S

D/A轉(zhuǎn)換器QE

QD

QC

QB

QACP’

移位寄存器

SFEDCBA1–

+C&+5VCP+5VV’RVRD3D2D1D0ui設(shè)ui=11.5V1設(shè)VR=16V＝11Vuc=12311101101141111011011＝11V000CP’=0,

移位脈沖CP不能進入移位寄存器，轉(zhuǎn)換結(jié)束。D3D2D1D0=1011是最后轉(zhuǎn)換結(jié)果。9.2.4雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理是：先將模擬電壓ui轉(zhuǎn)變成與它大小成正比的時間T,再在時間間隔T內(nèi)利用計數(shù)器對時鐘脈沖計數(shù)，所計數(shù)值N也正比于模擬電壓ui。

Qn-1R1KC11JQnR1KC11JQ1R1KC11JQ0R1KC11J–A+–C+&S1S2RCF–VRuiDn-1D1D0uouCCP+5V啟動脈沖9.2.4雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器(1)積分器A的輸入接電子開關(guān)S1,S1受觸發(fā)器輸出端Qn控制，Qn=0時，S1與ui接，A對ui積分，Qn=1時，S1與(VR)接，積分器對(VR)積分。所以稱為雙積分。

Qn-1R1KC11JQnR1KC11JQ1R1KC11JQ0R1KC11J–A+–C+&S1S2RCF–VRuiDn-1D1D0uouCCP+5V啟動脈沖G(2)過零比較器C的輸入端接積分器輸出uo,uo<0時,uc=1,與非門G開啟，計數(shù)器對CP脈沖計數(shù)。顯然，計數(shù)器所計數(shù)值和與非門開啟時間T成正比。(3)計數(shù)器和定時器：它由n+1個觸發(fā)器構(gòu)成二進制計數(shù)器。G開啟時，它對CP計數(shù)，將與ui成正比的時間間隔T變成數(shù)字信號輸出。9.2.4雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器啟動脈沖

Qn-1R1KC11JQn