數(shù)電ch9模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器

AnalogDigitalConverterandDigitalAnalogConverter9.1D/A轉(zhuǎn)換器9.2A/D轉(zhuǎn)換器9模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器3、正確理解D/A、A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)。1、理解倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器(DAC)、集成D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理及相關計算。2、理解并行比較、逐次比較A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)的工作原理及其特點。教學基本要求3A/D

轉(zhuǎn)換器

D/A

轉(zhuǎn)換器

模擬

控制器

工業(yè)生產(chǎn)過程控制對象

模

擬傳感器

ADC和DAC已成為計算機系統(tǒng)中不可缺少的接口電路。將溫度、壓力、流量、應力等物理量轉(zhuǎn)換為模擬電量。計算機進行數(shù)字處理（如計算、濾波）、保存等用模擬量作為控制信號數(shù)字控制

計算機概述459.1D/A轉(zhuǎn)換器9.1.1D/A轉(zhuǎn)換的基本原理9.1.2倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器9.1.3權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器9.1.5D/A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標9.1.6D/A轉(zhuǎn)換器的應用6將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為與之成正比模擬量n位數(shù)字量DAC模擬量數(shù)

/

模轉(zhuǎn)換器:A

=Dn-1‥D1D0O=KNB

7

數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合而成的，對于有權(quán)碼，每位代碼都有一定的權(quán)值，如能將每一位代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應的模擬量，然后，將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字量成正比的模擬量，從而實現(xiàn)數(shù)字量--模擬量的轉(zhuǎn)換。①實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的基本思想

NB＝b4×24＋b3×23＋b2×22＋b1×21＋b0×20

＝1×24＋1×23＋0×22＋0×21＋1×20將二進制數(shù)NB＝(11001)B轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)。9.1.1D/A轉(zhuǎn)換的基本原理8②D/A轉(zhuǎn)換器的組成:DAC的數(shù)字數(shù)據(jù)可以并行輸入也可串行輸入

用來存放數(shù)字量的各位數(shù)碼

由輸入數(shù)字量控制

產(chǎn)生權(quán)電流

將權(quán)電流相加產(chǎn)生與輸入成正比的模擬電壓9③實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的原理電路

10④D/A轉(zhuǎn)換器的分類:按解碼網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)分類T型電阻網(wǎng)絡DAC倒T形電阻網(wǎng)絡DAC權(quán)電流DAC

權(quán)電阻網(wǎng)絡DAC按模擬電子開關電路分類CMOS開關型DAC雙極型開關型DAC電流開關型DACECL電流開關型DACD/A

轉(zhuǎn)

換

器119.1.2倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器Di=0,Si則將電阻2R接地Di=1,Si接運算放大器反相端，電流Ii流入求和電路

電阻網(wǎng)絡模擬電子開關求和運算放大器輸出模擬電壓輸入4位二進制數(shù)根據(jù)運放線性運用時虛地的概念可知，無論模擬開關Si處于何種位置，與Si相連的2R電阻將接“地”或虛地。1、4位倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器基準電壓12D/A轉(zhuǎn)換器的倒T形電阻網(wǎng)絡基準電源VREF提供的總電流為：I=？流過各開關支路的電流：I3=？I2=？I1=？I0=？I/4I/8I/16RRRRI/2I/4I/8I/16I/2I3I2I1I0流入每個2R電阻的電流從高位到低位按2的整數(shù)倍遞減。I3=VREF/2RI2=VREF/4RI1=VREF/8RI0=VREF/16R13流入運放的總電流：i＝I0+I1+I2+I3輸出模擬電壓：

144位倒T形電阻網(wǎng)絡DAC的輸出模擬電壓：

n位倒T形電阻網(wǎng)絡DAC有：

令：則O=–KNB

在電路中輸入的每一個二進制數(shù)NB，均能得到與之成正比的模擬電壓輸出。

15AD7533D/A轉(zhuǎn)換器使用:1)要外接運放；

2)運放的反饋電阻可使用內(nèi)部電阻，也可采用外接電阻2、集成D/A轉(zhuǎn)換器10位CMOS電流開關型D/A轉(zhuǎn)換器

16關于D/A轉(zhuǎn)換器精度的討論(1)基準電壓穩(wěn)定性好；(2)倒T形電阻網(wǎng)絡中R和2R電阻比值的精度要高；(4)為實現(xiàn)電流從高位到低位按2的整數(shù)倍遞減，模擬開關的導通電阻也相應地按2的整數(shù)倍遞增。為進一步提高D/A轉(zhuǎn)換器的精度，可采用權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器。為提高D/A轉(zhuǎn)換器的精度，對電路參數(shù)的要求：(3)每個模擬開關的開關電壓降要相等17Di=1時，開關Si接運放的反相端;Di=0時，開關Si接地。9.1.3權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器4位權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器18在恒流源電路中，各支路權(quán)電流的大小均不受開關導通電阻和壓降的影響，這樣降低了對開關電路的要求，提高了轉(zhuǎn)換精度。199.1.5D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標分辨率：其定義為D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級數(shù)。n位DAC最多有2n個模擬輸出電壓。位數(shù)越多D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率越高。分辨率也可以用能分辨的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比給出。n位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率可表示為1、分辨率202、轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度是指對給定的數(shù)字量，D/A轉(zhuǎn)換器實際值與理論值之間的最大偏差。產(chǎn)生原因：由于D/A轉(zhuǎn)換器中各元件參數(shù)值存在誤差，如基準電壓不夠穩(wěn)定或運算放大器的零漂等各種因素的影響。幾種轉(zhuǎn)換誤差：有如比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差和非線性誤差等213、轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度是指輸出模擬量的變化滯后輸入數(shù)字量變化的延遲時間的長短。通常用建立時間和轉(zhuǎn)換速率來表示。指輸入不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化所產(chǎn)生的變化量。4、溫度系數(shù)229.1.6集成D/A轉(zhuǎn)換器的應用(1)數(shù)字式可編程增益控制電路

D2

D7

uO

D0

D1

2R

2R

2R

2R

R

R

R

D8

D9

R

R

R

uI

2R

2R

2R

-

+

RF

IOUT1

IOUT2

VREF

23

D2

D7

uOD0

D1

2R

2R

2R

2R

R

R

R

D8

D9

R

R

R

uI2R

2R

2R

-

+

RF

IOUT1

IOUT2

VREF

uO

-

+

R

uIOUT2I

IOUT1

倒T形電阻網(wǎng)絡OVIAuu=Iout1＝

I0+I1+I2+…I9根據(jù)虛斷有:24(2)脈沖波產(chǎn)生電路74163具同步清零功能74163和與非門構(gòu)成十進制計數(shù)器：0000~1001*9.2.6集成A/D轉(zhuǎn)換器及其應用9.2A/D

轉(zhuǎn)換器9.2.1A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程9.2.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器9.2.3逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器9.2.5A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標26概述ADCDn~D0輸出數(shù)字量輸入模擬電壓能將模擬電壓成正比地轉(zhuǎn)換成對應的數(shù)字量。1.A/D功能:9.2A/D轉(zhuǎn)換器27①并行比較型

特點:轉(zhuǎn)換速度快,轉(zhuǎn)換時間10ns~1s,但電路復雜。②逐次逼近型

特點:轉(zhuǎn)換速度適中,轉(zhuǎn)換時間為幾s~100s,轉(zhuǎn)換精度高，在轉(zhuǎn)換速度和硬件復雜度之間達到一個很好的平衡。③雙積分型

特點:轉(zhuǎn)換速度慢,轉(zhuǎn)換時間幾百s~幾ms,但抗干擾能力最強。2.A/D轉(zhuǎn)換器分類28取樣時間上離散的信號保持、量化量值上也離散的信號編碼模擬信號時間上和量值上都連續(xù)數(shù)字信號時間上和量值上都離散9.2.1A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程

A/D轉(zhuǎn)換器一般要包括取樣，保持，量化及編碼4個過程。291.取樣與保持

取樣是將隨時間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為時間離散的模擬量。

取樣信號S(t)的頻率愈高，所采得信號經(jīng)低通濾波器后愈能真實地復現(xiàn)輸入信號。合理的采樣頻率由采樣定理確定。

取樣定理：設取樣信號S(t)的頻率為fs，輸入模擬信號I(t)的最高頻率分量的頻率為fimax，則fs≥2fimax S(t)=1:開關閉合S(t)=0:開關斷開30采得模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號都需要一定時間，為了給后續(xù)的量化編碼過程提供一個穩(wěn)定的值，在取樣電路后要求將所采樣的模擬信號保持一段時間。采樣保持取樣與保持電路及工作原理312.

量化數(shù)字信號在數(shù)值上是離散的。采樣–保持電路的輸出電壓還需按某種近似方式歸化到與之相應的離散電平上，任何數(shù)字量只能是某個最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。量化后的數(shù)值最后還需通過編碼過程用一個代碼表示出來。經(jīng)編碼后得到的代碼就是A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量。3.編碼兩種近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。4.量化方式32011111101011000110100010000Δ=0v7Δ=7/8v6Δ=6/8v5Δ=5/8v4Δ=4/8v3Δ=3/8v2Δ=2/8v1Δ=1/8v輸入信號編碼量化后電壓a)只舍不入量化方式:量化中把不足一個量化單位的部分舍棄；對于等于或大于一個量化單位部分按一個量化單位處理。最大量化誤差為：最小量化單位＝1/8VΔ=1LSB=1/8V例：將0~1V電壓轉(zhuǎn)換為3位二進制代碼33b)四舍五入量化方式:量化過程將不足半個量化單位部分舍棄，對于等于或大于半個量化單位部分按一個量化單位處理。最大量化誤差為：最小量化單位：011111101011000110100010000Δ=0v7Δ=14/15v6Δ=12/15v5Δ=10/15v4Δ=8/15v3Δ=6/15v2Δ=4/15v1Δ=2/15v輸入信號編碼模擬電平Δ=1LSB=

2/15V＝1/15V例：將0~1V電壓轉(zhuǎn)換為3位二進制代碼34在量化過程中由于所采樣電壓不一定能被整除，所以量化前后一定存在誤差，此誤差我們稱之為量化誤差，用表示。量化誤差屬原理誤差，它是無法消除的。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，各離散電平之間的差值越小，量化誤差越小。5.量化誤差：量化前的電壓與量化后的電壓差359.2.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器電壓比較器取樣保持電路輸出精密電阻網(wǎng)絡精密參考電壓VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15輸出數(shù)字量1、電路組成36

vI

CO1CO2CO3CO4CO5CO6CO7

D2D1D0

7VREF/15

vI<9VREF/15

0001111100

9VREF/15

vI<11VREF/15

0011111101

5VREF/15

vI<7VREF/15

0000111011

3VREF/15

vI

<5VREF/15000001101011VREF/15

vI

<13VR/15

011111111013VREF/15

vI<VREF/15

1111111111

VREF/15

vI<3VREF/15

0000001001

0vI<VREF/15

0000000000

根據(jù)各比較器的參考電壓值，可以確定輸入模擬電壓值與各比較器輸出狀態(tài)的關系。比較器的輸出狀態(tài)由D觸發(fā)器存儲，經(jīng)優(yōu)先編碼器編碼，得到數(shù)字量輸出。37VI=8VREF/151111000001VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15382、電路特點：在并行A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入電壓I同時加到所有比較器的輸入端。如不考慮各器件的延遲，可認為三位數(shù)字量是與I輸入時刻同時獲得的。所以它的轉(zhuǎn)換時間最短。缺點是電路復雜，如三位ADC需7個比較器、7個觸發(fā)器、8個電阻。位數(shù)越多，電路越復雜。為了解決提高分辨率和增加元件數(shù)的矛盾，可以采取分級并行轉(zhuǎn)換的方法。單片集成并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的產(chǎn)品很多，如AD公司的AD9012(TTL工藝8位)、AD9002(ECL工藝，8位)、AD9020(TTL工藝，10位)等。399.2.3逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器逐次逼近轉(zhuǎn)換過程與用天平稱物重非常相似。砝碼重量

結(jié)果

第一次8克砝碼總重<待測重量Wx，8克砝碼保留8克第二次再加4克砝碼總重仍<待測重量Wx，4克砝碼保留12克第三次再加2克砝碼總重>待測重量Wx，2克砝碼撤除12克第四次再加1克砝碼總重＝待測重量Wx，1克砝碼保留13克1.轉(zhuǎn)換原理

所用砝碼重量：8克、4克、2克和1克。設待秤重量Wx=13克。401.轉(zhuǎn)換原理

100…0100…0I

≥5V

1A=6.84VVREF=-10V第一個CP：411.轉(zhuǎn)換原理

第二個CP：010…0110…010I

<7.5VI=6.84VVREF=10V421.轉(zhuǎn)換原理第三個CP：001…