《電工技術(shù)與電子技術(shù)》數(shù)模于模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)

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

D/A轉(zhuǎn)換器的功能把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成與其成一定比例關(guān)系的模擬量。對(duì)它的要求是輸出的模擬量與輸入的數(shù)字量成正比，即

U0=DUR

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

為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，應(yīng)將每一位都轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，即把所有數(shù)字量中為1的位轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的權(quán)

，然后求和，即得到與數(shù)字量成正比的模擬量。

一般的D/A轉(zhuǎn)換器都是按照這一原理設(shè)計(jì)的，D/A轉(zhuǎn)換器的種類很多，有權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型、T型網(wǎng)絡(luò)、倒T型網(wǎng)絡(luò)。14.1.2權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)(D/A)轉(zhuǎn)換器所以因缺點(diǎn)是電阻的阻值太多（R至128R），阻值的精度小，難于實(shí)現(xiàn)集成化要求。14.1.3倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DA轉(zhuǎn)換器分析輸入數(shù)字量和輸出模擬電壓uo之間的關(guān)系

無論數(shù)字量D3、D2、D1、D0控制的開關(guān)是連接虛地還是真地，流過各個(gè)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(diǎn)向左看的等效電阻都是R，則從參考電源看，圖中各點(diǎn)(D、C、B、A)電位逐位減半。uoIRDCAS1S0S2S32R2R2R2RR0R1R2R3++-ARFD0D1D2D31RRRI0I2I3I∑B111I1+UR2R

因此，每個(gè)2R支路中的電流也逐位減半。即：

uoIRDCAS1S0S2S32R2R2R2RR0R1R2R3++-ARFD0D1D2D31RRRI0I2I3I∑B111I1+UR2RuoIRDCAS1S0S2S32R2R2R2RR0R1R2R3++-ARFD0D1D2D31RRRI0I2I3I∑B111I1+UR2R14.1.4D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)

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(zhuǎn)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。例:十位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為有時(shí)也用輸入數(shù)字量的有效位數(shù)來表示分辨率。2.絕對(duì)誤差絕對(duì)誤差是指輸入端加對(duì)應(yīng)滿刻度的數(shù)字量時(shí)，D/A轉(zhuǎn)換器輸出的理論值與實(shí)際值理之差，也稱為精度。

13.1.5集成D/A轉(zhuǎn)換器應(yīng)用1.DAC0808DAC0808是基于R/2R倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)的D/A轉(zhuǎn)換器。DAC0808符號(hào)圖4.建立時(shí)間

從輸入數(shù)字信號(hào)起，到輸出電壓或電流到達(dá)穩(wěn)定值所需時(shí)間，通常D/A轉(zhuǎn)換器的建立時(shí)間不大于1S。DAC0808的應(yīng)用輸出電壓為：14.2模–數(shù)轉(zhuǎn)換器

模–數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)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。根據(jù)其轉(zhuǎn)換原理可分為兩大類:一類直接轉(zhuǎn)換型；另一類是間接轉(zhuǎn)換型。直接轉(zhuǎn)換型是把數(shù)入的模擬電壓直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼，而間接型是先把數(shù)入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成中間量（如時(shí)間、頻率、脈沖寬度），然后再把這個(gè)中間變量轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼。A/D轉(zhuǎn)換的一般過程為：1.采樣和保持；2.量化和編碼。14.2.1模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)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(hào)能真實(shí)地保留原始模擬信號(hào)信息，采樣信號(hào)頻率必須至少為原信號(hào)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(hào)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(jù)其幅值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)時(shí)，表示成某個(gè)規(guī)定的最小單位的整數(shù)倍；這個(gè)轉(zhuǎn)換過程叫做量化，這個(gè)最小單位稱為量化單位，它是數(shù)字信號(hào)最低位為1時(shí)所對(duì)應(yīng)的模擬量。將量化所得結(jié)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(zhuǎn)換的輸出結(jié)果。4．A/D轉(zhuǎn)換器的分類根據(jù)轉(zhuǎn)換原理

直接型：模擬信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出。特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快，如并行A/D轉(zhuǎn)換器和逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器。

間接型：先將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為中間量（T、f、τ

等），然后對(duì)它進(jìn)行計(jì)數(shù)或計(jì)時(shí)，再將中間量變成數(shù)字量。特點(diǎn)是速度慢，抗干擾性能較好，常用的有單積分式ADC

轉(zhuǎn)換器、雙積分型ADC轉(zhuǎn)換器與電壓頻率型A/D轉(zhuǎn)換器。

根據(jù)數(shù)字信號(hào)輸出的形式

并行

串行

14.2.2并行A/D轉(zhuǎn)換器

是最快的A/D轉(zhuǎn)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(duì)量化電壓進(jìn)行編碼。

下面主要介紹并行A/D轉(zhuǎn)換電路和逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換電路以及雙積分A/D轉(zhuǎn)換電路的原理以及其應(yīng)用。

該轉(zhuǎn)換器工作時(shí)，需要采樣脈沖，采樣脈沖頻率越高，則轉(zhuǎn)換精度就越高，f≥100MHz。該轉(zhuǎn)換器的缺點(diǎn)是若轉(zhuǎn)換位數(shù)越多，則比較器的數(shù)量巨大，2n-1。3位并行A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器該轉(zhuǎn)換器由切換開關(guān)、積分器、比較器、計(jì)數(shù)器和控制邏輯等電路組成。1.電路組成

UinCLKD7D6D5D4D3D2D1D0計(jì)數(shù)器鎖存器CRnEN控制邏輯比較器積分器開關(guān)控制信號(hào)清除-URA1A2SWRCU1U2123&2.工作原理：第一階段:自動(dòng)調(diào)零階段在控制邏輯電路的作用下，SW接位置3，對(duì)模擬地短接，使比較器、積分器輸出為零，計(jì)數(shù)器和控制邏輯電路初始化完成。UinCLKD7D6D5D4D3D2D1D0計(jì)數(shù)器鎖存器CRnEN控制邏輯比較器積分器開關(guān)控制信號(hào)清除-URA1A2SWRCU1U2123&積分器輸出電壓為：第二階段:定時(shí)積分階段

SW接位置2，對(duì)輸入模擬電壓進(jìn)行積分，積分器的輸出負(fù)電壓，在此期間，比較器輸出高電平，與門打開，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)（周期為TC）。這一階段所用的時(shí)間為：當(dāng)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值達(dá)到計(jì)數(shù)值n時(shí)，計(jì)數(shù)器復(fù)位。UinCLKD7D6D5D4D3D2D1D0計(jì)數(shù)器鎖存器CRnEN控制邏輯比較器積分器開關(guān)控制信號(hào)清除-URA1A2SWRCU1U2123&第三階段:定電壓階段

SW接位置1，SW接通負(fù)參考電壓。設(shè)積分器的輸出電壓上升到0V時(shí)所需的時(shí)間為T2，則輸出電壓為：UinCLKD7D6D5D4D3D2D1D0計(jì)數(shù)器鎖存器CRnEN控制邏輯比較器積分器開關(guān)控制信號(hào)清除-URA1A2SWRCU1U2123&電壓U1為0V時(shí)計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，所以設(shè)（nx

為第二階段的計(jì)數(shù)值）可得：可見nx是與輸入電壓成正比的數(shù)。UinCLKD7D6D5D4D3D2D1D0計(jì)數(shù)器鎖存器CRnEN控制邏輯比較器積分器開關(guān)控制信號(hào)清除-URA1A2SWRCU1U2123&.T1=nTC

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

定時(shí)計(jì)數(shù)脈沖n測(cè)量計(jì)數(shù)脈沖積分器輸出電壓及計(jì)數(shù)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(zhuǎn)換器....模擬輸入CLK比較器(MSB)(LSB)逐次近似寄存器DACD0D1D2D3UOUTDC串行數(shù)據(jù)輸出逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換器方框圖1.電路組成

由逐次近似寄存器、D/A轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換為電壓UOUT；

（3）UOUT與輸入電壓Ui比較，若UOUT≤Ui，保持當(dāng)前位的‘1’，否則當(dāng)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(nèi)的數(shù)據(jù)就是與Ui相對(duì)應(yīng)的2進(jìn)制