模數(shù)變換-莊友誼

第十章數(shù)模與模數(shù)變換器數(shù)字電子電路授課人：莊友誼1第十章數(shù)模與模數(shù)變換器§10.1D/A轉(zhuǎn)換器§10.2A/D轉(zhuǎn)換器2

數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器是計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備的重要接口,也是數(shù)字測(cè)量和數(shù)字控制系統(tǒng)的重要部件。

能將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的裝置稱為數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(簡(jiǎn)稱D/A轉(zhuǎn)換器);能將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的裝置稱為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(簡(jiǎn)稱A/D轉(zhuǎn)換器)。概述3

由于構(gòu)成數(shù)字代碼的每一位都有一定的“權(quán)重”，因此為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，就必須將每一位代碼按其“權(quán)重”轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后再將代表各位的模擬量相加，即可得到與該數(shù)字量成正比的模擬量，這就是構(gòu)成D/A變換器的基本思想?！?0.1D/A轉(zhuǎn)換器：410.1.2權(quán)電阻、權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器：

這種變換器由“電子模擬開關(guān)”、“權(quán)電阻求和網(wǎng)絡(luò)”、“運(yùn)算放大器”和“基準(zhǔn)電源”等部分組成。

UR+-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RFD3D2D1D000115kR=80

k00111、權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換器：5電子模擬開關(guān)(S0-S3)由電子器件構(gòu)成，其動(dòng)作受二進(jìn)制數(shù)D0-D3控制。當(dāng)DK＝1

時(shí)，則相應(yīng)的開關(guān)SK接到位置1上，將基準(zhǔn)電源UR經(jīng)電阻Rk引起的電流接到運(yùn)算放大器的虛地點(diǎn)（如圖中S0、S1）；當(dāng)Dk＝0時(shí)，開關(guān)Sk

接到位置0，將相應(yīng)電流直接接地而不進(jìn)運(yùn)放（如圖中S2、S3）。

UR+-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RFD3D2D1D000115kR=80

k00116T1T2SDa電子模擬開關(guān)的簡(jiǎn)化原理電路當(dāng)D=1時(shí)，T2

管飽和導(dǎo)通，T1管截止，則S與a點(diǎn)通；當(dāng)D=0時(shí)，T1管飽和導(dǎo)通，T2

管截止，則S被接地。前者相當(dāng)于開關(guān)S

接到“

1”端，后者則相當(dāng)于開關(guān)S接到“0

”端。7根據(jù)反相比例運(yùn)算公式可得：

顯然，輸出模擬電壓的大小直接與輸入二進(jìn)制數(shù)的大小成正比，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。

UR+-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RFD3D2D1D000115kR=80

k001182、權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器：-UR+-AuoS2S3S1S0RFD3D2D1D0I16I8I4I2i910.1.1T形和倒T解碼網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器：由于解碼網(wǎng)絡(luò)的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)匹配，使得上圖中D、C、B、A四點(diǎn)的電位逐位減半.和權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)相比，T形解碼網(wǎng)絡(luò)中電阻的類型少，只有R、2R兩種，電路構(gòu)成比較方便。AB+-AuoS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0RFD3D2D1D00011UR2RRRRI3I2I1I0ICD1、T形網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器：10UD=URUC=UR/

2UB=UR/4UA=UR/8即：因此，每個(gè)2R支路中的電流也逐位減半。AB+-AuoS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0RFD3D2D1D00011UR2RRRRI3I2I1I0ICD11I=I3+I2+I1+I0UR2R=D3UR16RD0UR8RD1UR4RD2+++=UR16R(8D3+4D2+2D1+1D0)=URRF16R(8D3+4D2+2D1+1D0)uo

-AB+-AuoS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0RFD3D2D1D00011UR2RRRRI3I2I1I0ICD122、倒T形網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器：UR+-AuoS2S3S1S0RFD3D2D1D0I16I8I4I2iI2I4I16I8RRR2R2R2R2R2R=URRF16R(8D3+4D2+2D1+1D0)uo

-1310.2.3D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式：

大部分的常用D/A轉(zhuǎn)換器是數(shù)字電流轉(zhuǎn)換器，輸出量是電流，需要變?yōu)殡妷骸］敵鲭妷河袉螛O性（正、負(fù)極性），也有雙極性。1410.2.4D/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。有時(shí)也用輸入數(shù)字量的有效位數(shù)來(lái)表示分辨率。1、分辨率2、轉(zhuǎn)換誤差：包括比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差和非線性誤差。二、轉(zhuǎn)換速度：一、轉(zhuǎn)換精度：三、溫度系數(shù)：n位的D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為

1510.1.5集成電路D/A轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用

D/A變換器集成電路有多種型號(hào)。下面僅以DAC0832為例來(lái)介紹集成電路D/A變換器。

它是八位的D/A變換器,即在對(duì)其輸入八位數(shù)字量后，通過(guò)外接的運(yùn)算放大器，可以獲得相應(yīng)的模擬電壓值。16DAC0832簡(jiǎn)化電路框圖八位寄存器(1)輸入八位寄存器(2)輸入八位變換器－＋＋URRfbIout1Iout2AGNDVCCuoDGND&ILECSWR1WR2XFERA/DD7D0......11下圖是它的內(nèi)部簡(jiǎn)化電路框圖和管腳圖：17DAC0832管腳圖CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCURRfbDGNDILEXFERIout2Iout11234567891019181716151413121120CS：片選端WR1、WR2：寫入端D7--D0：數(shù)據(jù)輸入端XFER：轉(zhuǎn)移控制端ILE：所存使能端Iout2Iout1：電流輸出端UR：參考電壓端Rfb：內(nèi)部反饋電阻輸出端18功能數(shù)據(jù)D7-D0輸入到寄存器1數(shù)據(jù)由寄存器1轉(zhuǎn)送寄存器2從輸出端取模擬量控制條件CSILEWR1WR2XFER說(shuō)明01WR1=0時(shí)存入數(shù)據(jù)WR1=1時(shí)鎖定WR2=0時(shí)存入數(shù)據(jù)WR2=1時(shí)鎖定0無(wú)控制信號(hào)，隨時(shí)可取DAC0832功能表19例1.單步輸入操作-----適用于單個(gè)DAC工作ILEWR2WR1CSXFERRfbD0D7Iout2Iout1-++...1(a)D7

~D0CSWR1數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)鎖定(b)20

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?！?0.2A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器類型比較多，按其工作原理，可分為直接A/D轉(zhuǎn)換器和間接A/D轉(zhuǎn)換器。直接A/D轉(zhuǎn)換器有：逐次逼近型、并聯(lián)比較型；間接A/D轉(zhuǎn)換器有雙積分型、電壓頻率轉(zhuǎn)換型等2110.2.1A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過(guò)程1、取樣與保持：2、量化和編碼：

取樣定理：輸入的模擬信號(hào)的最高頻率分量為fmax，取樣信號(hào)頻率為fs，如果fs>2fmax，則可以無(wú)失真地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)。數(shù)字信號(hào)的大小是某個(gè)規(guī)定最小數(shù)量單位的整數(shù)倍，取樣得到的信號(hào)必須按某種近似地規(guī)化為某一數(shù)值電平，這個(gè)過(guò)程稱量化，而量化的結(jié)果必須經(jīng)過(guò)編碼用一個(gè)代碼表示出來(lái)。由量化引起的誤差稱量化誤差。2210.2.2并聯(lián)比較型

電路由三部分組成:分壓器、比較器和編碼器。

這種A/D變換器的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快，缺點(diǎn)是所需比較器數(shù)目多，位數(shù)越多矛盾越突出。uxERRRRRRRRD2D1D0數(shù)字輸出AGFECDB先碼器7E/86E/85E/84E/83E/82E/8E/8編優(yōu)CP23比較器輸入E>ux

>7E/87E/8>ux

>6E/86E/8>ux>5E/85E/8>ux

>4E/84E/8>ux

>3E/83E/8>ux

>2E/82E/8>ux

>1E/81E/8>ux

>0ABCDEFGD2D0D1編碼器輸出輸入電壓ux11111111111111110000111110000000000000000000000000000000001111111111111111111000邏輯狀態(tài)關(guān)系表2410.2.3逐次逼近型

其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四個(gè)砝碼共重15克，每個(gè)重量分別為8、4、2、1克。設(shè)待秤重量Wx=13克，可以用下表步驟來(lái)秤量：砝碼重第一次第二次第三次第四次加4克加2克加1克8克砝碼總重<待測(cè)重量Wx，故保留砝碼總重仍<待測(cè)重量Wx，故保留砝碼總重>待測(cè)重量Wx，故撤除砝碼總重＝待測(cè)重量Wx，故保留暫時(shí)結(jié)果8克12克12克13克

結(jié)論25vi計(jì)數(shù)器D/A轉(zhuǎn)換器&CPdn-1dn-2d1d0控制信號(hào)vL并行數(shù)字輸出2610.2.4雙積分型

工作原理：對(duì)輸入的模擬電壓和參考電壓進(jìn)行兩次積分，先將輸入電壓的平均值變換為與之成正比的時(shí)間間隔，再利用時(shí)鐘脈沖和計(jì)數(shù)器測(cè)出此時(shí)間間隔，從而得到與其相應(yīng)的數(shù)字量。包括：積分器、過(guò)零比較器、計(jì)數(shù)器和定時(shí)器、時(shí)鐘脈沖控制器27+vi

n位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器開關(guān)控制電路&-VRS1S2CPQn-1Qn-2Q1Q0積分器過(guò)零比較器vo1vo2vGNt1t2t1t22nvo1vo2vGviRCVRRC2810.2.5A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)

用輸出數(shù)字量的有效位數(shù)來(lái)表示分辨率。1、分辨率2、轉(zhuǎn)換誤差：以輸出誤差的最大值的形式給出。二、轉(zhuǎn)換速度：一、轉(zhuǎn)換精度：并聯(lián)比較型：<50ns逐次逼近型:10-50us雙積分型:幾十-幾百ms2910.3.6集成電路A/D轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用

ADC0804的分辨率為八位,工作原理為逐次逼近型。

A/D變換組件有多種型號(hào)可供選擇，如：高速的，高分辨率的，高速且高精度的等等。使用者可根據(jù)任務(wù)要求進(jìn)行選擇。下面以ADC0804為例，介紹集成電路A/D變換器。30++-++-11控制邏輯時(shí)鐘CP電阻網(wǎng)絡(luò)及電子開關(guān)數(shù)據(jù)寄存器移位寄存器八位三態(tài)輸出鎖存器Uin(+)Uin(-)UccUR/2AGND......D7D0WRCSINTRRDCS