《電工技術與電子技術》數模于模數轉換技術

第14章數模和模數轉換技術14.1數模(D/A)轉換技術14.2模數(A/D)轉換技術第14章數模和模數轉換技術本章要求1.了解數-模、模-數轉換的基本概念和轉換原理。2.了解數-模、模-數轉換常用芯片的使用方法。14.1數/模轉換技術14.1.1數/模(D/A)轉換器的基本原理

D/A轉換器的功能把數字量轉換成與其成一定比例關系的模擬量。對它的要求是輸出的模擬量與輸入的數字量成正比，即

U0=DUR

式中UR為參考電壓，D為數字量。D=dn-12n-1+dn-22n-2+dn-32n-3+…..+d121+d020

為了將數字量轉換成模擬量，應將每一位都轉換成相應的模擬量，即把所有數字量中為1的位轉換成相應的權

，然后求和，即得到與數字量成正比的模擬量。

一般的D/A轉換器都是按照這一原理設計的，D/A轉換器的種類很多，有權電阻網絡型、T型網絡、倒T型網絡。14.1.2權電阻網絡(D/A)轉換器所以因缺點是電阻的阻值太多（R至128R），阻值的精度小，難于實現集成化要求。14.1.3倒T型電阻網絡DA轉換器分析輸入數字量和輸出模擬電壓uo之間的關系

無論數字量D3、D2、D1、D0控制的開關是連接虛地還是真地，流過各個支路的電流都保持不變。uoIRDCAS1S0S2S32R2R2R2RR0R1R2R3++-ARFD0D1D2D31RRRI0I2I3I∑B111I1+UR2R.Uc=UR

/2UB=UR/4UA=UR/8UD

=UR即：由A、B、C、D點向左看的等效電阻都是R，則從參考電源看，圖中各點(D、C、B、A)電位逐位減半。uoIRDCAS1S0S2S32R2R2R2RR0R1R2R3++-ARFD0D1D2D31RRRI0I2I3I∑B111I1+UR2R

因此，每個2R支路中的電流也逐位減半。即：

uoIRDCAS1S0S2S32R2R2R2RR0R1R2R3++-ARFD0D1D2D31RRRI0I2I3I∑B111I1+UR2RuoIRDCAS1S0S2S32R2R2R2RR0R1R2R3++-ARFD0D1D2D31RRRI0I2I3I∑B111I1+UR2R14.1.4D/A轉換器的主要技術指標

指最小輸出電壓和最大輸出電壓之比。

1.分辨率3.非線性誤差

通常用非線性誤差的大小表示D/A轉換器的線性度。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數定義為非線性誤差。例:十位D/A轉換器的分辨率為有時也用輸入數字量的有效位數來表示分辨率。2.絕對誤差絕對誤差是指輸入端加對應滿刻度的數字量時，D/A轉換器輸出的理論值與實際值理之差，也稱為精度。

13.1.5集成D/A轉換器應用1.DAC0808DAC0808是基于R/2R倒T型電阻網絡的D/A轉換器。DAC0808符號圖4.建立時間

從輸入數字信號起，到輸出電壓或電流到達穩(wěn)定值所需時間，通常D/A轉換器的建立時間不大于1S。DAC0808的應用輸出電壓為：14.2模–數轉換器

模–數(A/D)轉換器的任務是將模擬量轉換成數字量,它是模擬信號和數字儀器的接口。根據其轉換原理可分為兩大類:一類直接轉換型；另一類是間接轉換型。直接轉換型是把數入的模擬電壓直接轉換成數字代碼，而間接型是先把數入的模擬電壓轉換成中間量（如時間、頻率、脈沖寬度），然后再把這個中間變量轉換成數字代碼。A/D轉換的一般過程為：1.采樣和保持；2.量化和編碼。14.2.1模數（A/D）轉換器的基本工作過程采樣與保持電路UinTS(t)ChUout采樣控制+1．采樣與保持(a)模擬輸入波形(b)采樣脈沖(c)采樣輸出

采樣過程波形tUoutS(t))Uinttooo2．采樣定理

為保證采樣后信號能真實地保留原始模擬信號信息，采樣信號頻率必須至少為原信號中最高頻率成分的2倍。稱為采樣定理。通常取fS=(3～5)fimax，其中fS為采樣頻率，fimax是模擬信號的最高頻率分量。3．量化與編碼

量化就是把采樣所得到的樣值電壓根據其幅值轉換為數字信號時，表示成某個規(guī)定的最小單位的整數倍；這個轉換過程叫做量化，這個最小單位稱為量化單位，它是數字信號最低位為1時所對應的模擬量。將量化所得結果以一定編碼規(guī)則的代碼表示出來稱為編碼，這些代碼就是A／D轉換的輸出結果。4．A/D轉換器的分類根據轉換原理

直接型：模擬信號直接轉換為數字信號輸出。特點是轉換速度快，如并行A/D轉換器和逐次比較型A/D轉換器。

間接型：先將模擬信號轉換為中間量（T、f、τ

等），然后對它進行計數或計時，再將中間量變成數字量。特點是速度慢，抗干擾性能較好，常用的有單積分式ADC

轉換器、雙積分型ADC轉換器與電壓頻率型A/D轉換器。

根據數字信號輸出的形式

并行

串行

14.2.2并行A/D轉換器

是最快的A/D轉換器，由電阻分壓器、電壓比較器和優(yōu)先編碼器組成。電阻分壓器用于確定量化電壓，電壓比較器確定采樣電壓的量化值，優(yōu)先編碼器則對量化電壓進行編碼。

下面主要介紹并行A/D轉換電路和逐次逼近式A/D轉換電路以及雙積分A/D轉換電路的原理以及其應用。

該轉換器工作時，需要采樣脈沖，采樣脈沖頻率越高，則轉換精度就越高，f≥100MHz。該轉換器的缺點是若轉換位數越多，則比較器的數量巨大，2n-1。3位并行A/D轉換器02461357D0D1D2并行輸出比較器RRRRRRRR模擬輸入優(yōu)先編碼器采樣脈沖124UR14.2.3雙積分A/D轉換器該轉換器由切換開關、積分器、比較器、計數器和控制邏輯等電路組成。1.電路組成

UinCLKD7D6D5D4D3D2D1D0計數器鎖存器CRnEN控制邏輯比較器積分器開關控制信號清除-URA1A2SWRCU1U2123&2.工作原理：第一階段:自動調零階段在控制邏輯電路的作用下，SW接位置3，對模擬地短接，使比較器、積分器輸出為零，計數器和控制邏輯電路初始化完成。UinCLKD7D6D5D4D3D2D1D0計數器鎖存器CRnEN控制邏輯比較器積分器開關控制信號清除-URA1A2SWRCU1U2123&積分器輸出電壓為：第二階段:定時積分階段

SW接位置2，對輸入模擬電壓進行積分，積分器的輸出負電壓，在此期間，比較器輸出高電平，與門打開，計數器開始計數（周期為TC）。這一階段所用的時間為：當計數器的計數值達到計數值n時，計數器復位。UinCLKD7D6D5D4D3D2D1D0計數器鎖存器CRnEN控制邏輯比較器積分器開關控制信號清除-URA1A2SWRCU1U2123&第三階段:定電壓階段

SW接位置1，SW接通負參考電壓。設積分器的輸出電壓上升到0V時所需的時間為T2，則輸出電壓為：UinCLKD7D6D5D4D3D2D1D0計數器鎖存器CRnEN控制邏輯比較器積分器開關控制信號清除-URA1A2SWRCU1U2123&電壓U1為0V時計數器停止計數，所以設（nx

為第二階段的計數值）可得：可見nx是與輸入電壓成正比的數。UinCLKD7D6D5D4D3D2D1D0計數器鎖存器CRnEN控制邏輯比較器積分器開關控制信號清除-URA1A2SWRCU1U2123&.T1=nTC

定時積分定電壓積分（第一階段）T2=nxTC（第二階段）自動清零（第三階段）T0

定時計數脈沖n測量計數脈沖積分器輸出電壓及計數過程o-U1積分器輸出電壓的波形圖。14.2.4逐次比較式A/D轉換器....模擬輸入CLK比較器(MSB)(LSB)逐次近似寄存器DACD0D1D2D3UOUTDC串行數據輸出逐次比較式A/D轉換器方框圖1.電路組成

由逐次近似寄存器、D/A轉換器和比較器組成。2.工作原理(MSB)D0D1D2D3模擬輸入

UiUOUTCLK比較器(LSB)逐次近似寄存器DACDC串行數據輸出（1）ADC從高到低逐次給逐次近似寄存器的每一位置“1”；（2）逐次近似寄存器中的數據經D/A轉換為電壓UOUT；

（3）UOUT與輸入電壓Ui比較，若UOUT≤Ui，保持當前位的‘1’，否則當前位置‘0’；（4）從高到低逐次比較下去，直到逐次近似寄存器的每一位都嘗試完；（5）逐次近似寄存器內的數據就是與Ui相對應的2進制