模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換

概述第

8章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器

本章小結(jié)A/D轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器

8.1概述

主要要求：

理解數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的概念和作用。

一、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換的概念和作用數(shù)模轉(zhuǎn)換即將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬電量(電壓或電流)，使輸出的模擬電量與輸入的數(shù)字量成正比。實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路稱數(shù)模轉(zhuǎn)換器

Digital-AnalogConverter，簡(jiǎn)稱

D/A轉(zhuǎn)換器或DAC。

模數(shù)轉(zhuǎn)換即將模擬電量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，使輸出的數(shù)字量與輸入的模擬電量成正比。

實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路稱模數(shù)轉(zhuǎn)換器

Analog-DigitalConverter，簡(jiǎn)稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC。

模擬量數(shù)字量模擬量數(shù)字量傳感器被控對(duì)象

自然界物理量為何要進(jìn)行數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換？二、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例數(shù)字信號(hào)物理量模擬信號(hào)壓力傳感器溫度傳感器流量傳感器四路模擬開(kāi)關(guān)數(shù)字控制計(jì)算機(jī)DAC模擬控制器模擬控制器液位傳感器DACDAC…………模擬控制器模擬控制器生產(chǎn)控制對(duì)象

DACADC二、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例主要要求：

了解數(shù)模轉(zhuǎn)換的基本原理。

了解常用D/A轉(zhuǎn)換器的類型和主要參數(shù)。了解R

-2R

倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的電路與工作原理。8.2D/A轉(zhuǎn)換器一、數(shù)模轉(zhuǎn)換的基本原理

輸出模擬電壓

uO=

D△=(Dn-12n-1+Dn-22n-2++D121+D020)△可見(jiàn)，uO∝

D，uO的大小反映了數(shù)字量

D

的大小。DACD0D1Dn-2Dn-1…uOn

位二進(jìn)制數(shù)輸入模擬電壓輸出一、數(shù)模轉(zhuǎn)換的基本原理LSB—LeastSignificantBit

輸入數(shù)字量D=(Dn-1

Dn-2

D1

D0)2

=Dn-12n-1+Dn-22n-2++D121+D020

△是DAC能輸出的最小電壓值，稱為DAC的單位量化電壓，它等于D

最低位(LSB)為1、其余各位均為0時(shí)的模擬輸出電壓(用ULSB

表示)。三、常用

DAC的類型和主要參數(shù)

(一)

常用DAC的類型

常用DAC主要有權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC、

R-2RT形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC、R-2R

倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC和權(quán)電流網(wǎng)絡(luò)DAC。其中，后兩者轉(zhuǎn)換速度快，性能好，因而被廣泛采用，權(quán)電流網(wǎng)絡(luò)DAC轉(zhuǎn)換精度高，性能最佳。

(二)

主要參數(shù)1.分辨率

DAC的最小輸出電壓變化量，也即DAC的最小輸出電壓值

表示滿度輸出電壓值，F(xiàn)SR即FullScaleRange指D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出所能產(chǎn)生的最小電壓變化量與滿刻度輸出電壓之比。

UFSR=uO|D=111=(2n–1)ULSBn位均為1例如，一個(gè)10位的DAC，分辨率為0.000978。DAC的位數(shù)越多，分辨率值就越小，能分辨的最小輸出電壓值也越小。要獲得較高精度的D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果，除了正確選用DAC的位數(shù)外，還要選用低漂移高精度的求和運(yùn)算放大器。

3.

轉(zhuǎn)換時(shí)間指DAC在輸入數(shù)字信號(hào)開(kāi)始轉(zhuǎn)換，到輸出的模擬信號(hào)達(dá)到穩(wěn)定值所需的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間越小，轉(zhuǎn)換速度就越高。2.

轉(zhuǎn)換精度

指DAC實(shí)際輸出模擬電壓與理想輸出模擬電壓間的最大誤差。它是一個(gè)綜合指標(biāo)，不僅與DAC中元件參數(shù)的精度有關(guān)，而且與環(huán)境溫度、求和運(yùn)算放大器的溫度漂移以及轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有關(guān)。

通常要求DAC的誤差小于ULSB/2。四、集成DAC應(yīng)用舉例四、集成DAC應(yīng)用舉例1.集成DAC簡(jiǎn)介常用集成DAC有兩類：一類內(nèi)部?jī)H含有電阻網(wǎng)絡(luò)和電子模擬開(kāi)關(guān)兩部分，常用于一般的電子電路。另一類內(nèi)部除含有電阻網(wǎng)絡(luò)和電子模擬開(kāi)關(guān)外，還帶有數(shù)據(jù)鎖存器，并具有片選控制和數(shù)據(jù)輸入控制端，便于和微處理器進(jìn)行連接，多用于微機(jī)控制系統(tǒng)中。

2.8位CMOS集成D/A轉(zhuǎn)換器CDA7524簡(jiǎn)介數(shù)據(jù)鎖存器20k20k20k20k20kΩ……10k10k10k10k…VDDVREF151213CSWR45611D7

(MSB)D6D5D0

(LSB)S0S1S2S7OUT112316iΣRFBOUT2GND基準(zhǔn)電壓輸入端

VREF

可正可負(fù)

片選控制端

電源電壓范圍+5V~+15V

8位數(shù)據(jù)輸入端，其電平與TTL電平兼容。MSB表示最高位，LSB表示最低位。接地端

內(nèi)部反饋電阻RF

的引出端

兩個(gè)輸出端，一般將OUT2

接地，OUT1

接運(yùn)放反向端。

寫(xiě)信號(hào)控制端

[例]右圖為CDA7524的單極性輸出應(yīng)用電路。圖中電位器R1

用于調(diào)整運(yùn)放增益，電容

C

用以消除運(yùn)放的自激。已知ULSB=VREF/256，試求滿度輸出電壓及滿度輸出時(shí)所需的輸入信號(hào)。CDA752445789106111213D7D6D4D3D2D1D5D0CS314VDD151612VREF=

10V++-△∞OUT1OUT2uOC2kR2R11k15pFWR解：當(dāng)

D7D6D5D4D3D2D1D0=

11111111

時(shí)，輸出為滿度值。uO=-

UFSR

-9.961V。主要要求：了解模數(shù)轉(zhuǎn)換的基本原理。了解A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)。了解常用A/D轉(zhuǎn)換器。8.3A/D轉(zhuǎn)換器

一、A/D轉(zhuǎn)換的基本原理和一般步驟

“[]”表示取整?；驹鞟DCD0D1Dn-2Dn-1…uI模擬輸入信號(hào)n

位二進(jìn)制數(shù)輸出

D=Dn-1

Dn-2

D1

D0可見(jiàn)，輸出數(shù)字量D

正比于輸入模擬量uI。

△稱為ADC的單位量化電壓或量化單位，它是ADC的最小分辨電壓。采樣：把時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)變換為時(shí)間離散的信號(hào)。

保持：保持采樣信號(hào)，使有充分時(shí)間轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

量化：把采樣保持電路的輸出信號(hào)用單位量化電壓的

整數(shù)倍表示。

編碼：把量化的結(jié)果用二進(jìn)制代碼表示。A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟uI(t)C量化編碼電路Dn-1D1D0…uI(t)S采樣保持電路輸入模擬量輸出數(shù)字量三、常用

ADC的類型和主要參數(shù)

(一)常用ADC的類型常用ADC主要有并聯(lián)比較型、雙積分型和逐次逼近型。其中，并聯(lián)比較型ADC轉(zhuǎn)換速度最快，但價(jià)格貴；雙積分型ADC精度高、抗干擾能力強(qiáng)，但速度慢；逐次逼近型速度較快、精度較高、價(jià)格適中，因而被廣泛采用。指ADC實(shí)際輸出數(shù)字量與理想輸出數(shù)字量之間的最大差值。通常用最低有效位LSB的倍數(shù)來(lái)表示。

(二)

主要參數(shù)2.相對(duì)精度(又稱轉(zhuǎn)換誤差)

指ADC輸出數(shù)字量的最低位變化一個(gè)數(shù)碼時(shí)，對(duì)應(yīng)輸入模擬量的變化量。

1.分辨率例如最大輸出電壓為5V的8位ADC的分辨率為：

5V/28=19.6mA分辨率也可用ADC的位數(shù)表示。位數(shù)越多，能分辨的最小模擬電壓值就越小。例如轉(zhuǎn)換誤差不大于1/2LSB，即說(shuō)明實(shí)際輸出數(shù)字量與理想輸出數(shù)字量之間的最大誤差不超過(guò)1/2LSB。3.轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換速度比較：并聯(lián)比較型>逐次逼近型>雙積分型數(shù)十ns數(shù)十s

數(shù)十ms指ADC完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間，即從轉(zhuǎn)換開(kāi)始到輸出端出現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所需要的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間越小，轉(zhuǎn)換速度越高。D/A

轉(zhuǎn)換是將輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為與之成正比的模擬電量。常用的

DAC主要有權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC、R

-2RT形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC、R

-2R倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC和權(quán)電流網(wǎng)絡(luò)DAC。其中，后兩者轉(zhuǎn)換速度快，性能好，因而被廣泛采用，權(quán)電流網(wǎng)絡(luò)DAC轉(zhuǎn)換精度高，性能最佳。本章小結(jié)A/D轉(zhuǎn)換是將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換為與之成正比的數(shù)字量。常用ADC主要有并聯(lián)比較型、雙積分型和逐次逼近型。其中，并聯(lián)比較型ADC屬于直接轉(zhuǎn)換型，其轉(zhuǎn)換速度最快，但價(jià)格貴；雙積分型ADC屬于間接轉(zhuǎn)換型，其速度慢，但精度高、抗干擾能力強(qiáng)；逐次逼近型也屬于直接轉(zhuǎn)換型，其速度較快、精度較高、價(jià)格適中，因而被廣泛采用。A/D轉(zhuǎn)換要經(jīng)過(guò)采樣-

保持和量化與編碼兩步實(shí)現(xiàn)。采樣-

保持電路對(duì)輸入模擬信號(hào)抽取樣值，并展寬(保持)；量化是對(duì)樣值脈沖進(jìn)行分級(jí)，編碼是將分級(jí)后的信號(hào)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制代碼