數(shù)字9章-數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器

第九章數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路概述：9.1D/A轉(zhuǎn)換器

D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器

D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)9.2A/D轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器9.1D/A轉(zhuǎn)換器一．D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理

對于有權(quán)碼，先將每位代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后相加，即可得到與數(shù)字量成正比的總模擬量，從而實現(xiàn)數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換。最小量化單位二．倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器（4位）所以，無論Si處于何種位置，與Si相連的2R電阻均接“地”（地或虛地）。圖中S0～S3為模擬開關(guān)，由輸入數(shù)碼Di控制，當(dāng)Di=1時，Si接運算放大器反相輸入端（虛地），電流Ii流入求和電路；當(dāng)Di=0時，Si將電阻2R接地。電路由倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)，模擬開關(guān)和運算放大器組成。運算放大器：

1.A趨向于無窮大

2。V+=V-=0V

3。VO=-iΣ.RfR-2R倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)電流:I=VREF/R，基準(zhǔn)電流:I=VREF/R，流過各開關(guān)支路（從右到左）的電流分別為I/2、I/4、I/8、I/16。將輸入數(shù)字量擴展到n位，則有：可簡寫為：vO=－KNB

輸出電壓：總電流：其中：分析計算：三.D/A轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例DAC0808是8位權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器，其中D0～D7是數(shù)字量輸入端。使用時，需要外接運算放大器和產(chǎn)生基準(zhǔn)電流用的電阻R1。當(dāng)VREF=10V、

R1=5kΩ、

Rf=5kΩ時，輸出電壓為：D/A轉(zhuǎn)換器輸出與輸入的關(guān)系（設(shè)VREF=10V）

1。

單極性二進制碼：

數(shù)字量

模擬量

01111111…………

00000001

00000000+0

10000000-010000001

…………

11111111

2。符號數(shù)值雙極性碼1.轉(zhuǎn)換精度

五．D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)（2）轉(zhuǎn)換誤差——此外，也可用D/A轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比來表示分辨率，n位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率可表示為1/（2n-1）。2.轉(zhuǎn)換速度3.溫度系數(shù)——在輸入一定時，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1℃，輸出電壓變化的百分數(shù)來表示。（2）轉(zhuǎn)換速率（SR）——在大信號工作狀態(tài)下模擬電壓的變化率。（1）分辨率——D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級數(shù)。輸入數(shù)字量位數(shù)越多，分辨率越高。所以，在實際應(yīng)用中，常用數(shù)字量的位數(shù)表示D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率。（1）建立時間（tset）——當(dāng)輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時，輸出電壓變化到相應(yīng)穩(wěn)定電壓值所需時間。最短可達0.1μS。9.2A/D轉(zhuǎn)換器一．A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟和取樣定理

由于輸入的模擬信號在時間上是連續(xù)量，所以一般的A/D轉(zhuǎn)換過程為：

取樣、保持、量化和編碼。

取樣定理：

因為每次把取樣電壓轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量都需要一定的時間，所以在每次取樣以后，必須把取樣電壓保持一段時間。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。

對輸入模擬信號的采樣可見，進行A/D轉(zhuǎn)換時所用的輸入電壓，實際上是每次取樣結(jié)束時的vI值。二．取樣—保持電路電路組成及工作原理（取Ri=Rf）:當(dāng)vL為高電平時，T導(dǎo)通，vI經(jīng)Ri和T向電容Ch充電。vO=－vI=vC。當(dāng)vL返回低電平后，T截止。Ch無放電回路，所以vO的數(shù)值可被保存下來。三．并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器（3位）

并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器真值表輸入模擬電壓寄存器狀態(tài)數(shù)字量輸出D2D1D0Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1（0～1/15）VREF（1/15～3/15）VREF（3/15～5/15）VREF（5/15～7/15）VREF（7/15～9/15）VREF（9/15～11/15）VREF（11/15～13/15）VREF（13/15～1）VREF00000000000001000001100001110001111001111101111111111111000001010011100101110111并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的特點：1。轉(zhuǎn)換是并行的，轉(zhuǎn)換時間只受比較器、觸發(fā)器和編碼電路延遲時間限制，因此轉(zhuǎn)換速度快3。轉(zhuǎn)換精度較低2。隨著分辨率的提高，元件數(shù)目按幾何級數(shù)()增加，電路復(fù)雜1．轉(zhuǎn)換原理：G≈d3g3+d2g2+d1g1+d0g0di1有效0無效有效砝碼的總重量逐次逼近重物的重量：四．逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器移位寄存器(Q3Q2Q1Q0)數(shù)據(jù)寄存器(Q3Q2Q1Q0)

D/A輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓vo’

VC輸出量

1

1000

1000

8/16VREF

1Q3=1D3=1

2

0100

1100

12/16VREF

0Q2=0D2=0

3

0010

1010

10/16VREF

0Q1=0D1=0

4

0001

1001

9/16VREF

1Q0=1D0=12．轉(zhuǎn)換框圖：3．邏輯電路0111111000000111100000110100018/16VREF11110100011001112/16VREF0111100003．邏輯電路101111100001111101001112/16VREF01101100101010110/16VREF0000000003．邏輯電路101111100010111011010110/16VREF0101110100110019/16VREF1000011113．邏輯電路10111110010011011110019/16VREF1011111100111111001逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器的特點：1.電路結(jié)構(gòu)比較簡單2.轉(zhuǎn)換速度比較快3.轉(zhuǎn)換精度較高轉(zhuǎn)換時間與位數(shù)和CP頻率有關(guān)，位數(shù)越少，CP頻率越高，轉(zhuǎn)換速度越快，但是位數(shù)越少，轉(zhuǎn)換精度下降。五．雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器

它由積分器、過零比較器（C）、時鐘脈沖控制門（G）和定時器/計數(shù)器（FF0～FFn）等幾部分組成。G（2）第一次積分階段工作原理：（1）準(zhǔn)備階段計數(shù)器清零，積分電容放電，

vO=0V。t=0時，開關(guān)S1與A端接通，輸入電壓vI加到積分器的輸入端。積分器從0開始積分：vG(b)(e)ttv(d)(a)tontv(c)vs1Q0tc0000由于vO<0V，過零比較器輸出vC=1，控制門G打開。計數(shù)器從0開始計數(shù)。經(jīng)過2n個時鐘脈沖后，觸發(fā)器FF0～FFn－1都翻轉(zhuǎn)到0態(tài)，而Qn=1，開關(guān)S1由A點轉(zhuǎn)到B點，第一次積分結(jié)束。第一次積分時間為：

第一次積分結(jié)束時，積分器的輸出電壓VP為：T1=2nTC

vG(b)(e)ttv(d)(a)tontv(c)vs1Q0tc0000（3）第二次積分階段當(dāng)t=t1時，S1轉(zhuǎn)接到B點，基準(zhǔn)電壓－VREF加到積分器的輸入端；積分器開始反向積分。同時，N級計數(shù)器又從0開始計數(shù)。當(dāng)t=t2時，積分器輸出電壓vO>0V，比較器輸出vC=0，控制門G被關(guān)閉，計數(shù)停止。設(shè)T2=t2－t1，于是有：設(shè)在此期間計數(shù)器所累計的時鐘脈沖個數(shù)為λ,則：T2=λTC

可見，T2與輸入模擬電壓VI成正比，T2就是雙積分A/D轉(zhuǎn)換過程的中間變量。t2即：T2=λTC

設(shè)在此期間計數(shù)器所累計的時鐘脈沖個數(shù)為λ所以：表明，計數(shù)器中所計得的數(shù)λ（λ=Qn-1…Q1Q0），與在取樣時間T1內(nèi)輸入電壓的平均值VI成正比。只要VI<VREF，轉(zhuǎn)換器就能將輸入電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的特點：1。電路結(jié)構(gòu)簡單2。轉(zhuǎn)換速度慢3。轉(zhuǎn)換精度高4.抗干擾能力強六．A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)（1）分辨率——說明A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號的分辨能力。一般以輸出二進制（或十進制）數(shù)的位數(shù)表示。因為，在最大輸入電壓一定時，輸出位數(shù)愈多，量化單位愈小，分辨率愈高。1.轉(zhuǎn)換精度例如，相對誤差≤±LSB/2，就表明實際輸出的數(shù)字量和理論上應(yīng)得到的輸出數(shù)字量之間的誤差小于最低位的半個字。（2）轉(zhuǎn)換誤差——它表示A/D轉(zhuǎn)換器實際