模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備

模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)備電子信息系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)概述

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)、離散系統(tǒng)，而我們生活的外部世界是一個(gè)模擬系統(tǒng)。為使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠了解外部世界，對(duì)外部事物進(jìn)行處理，就必須有一個(gè)將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的接口，這就是常說(shuō)的A/D和D/A。

雖然模擬量是無(wú)限可分的、連續(xù)的，數(shù)字量是離散的，數(shù)字量永遠(yuǎn)也不能精確地描述模擬量，但由于我們對(duì)客觀世界的了解、描述并不總需要極高的精度，所以選擇適當(dāng)精度的數(shù)字量來(lái)描述模擬量是完全夠用的。

ADC和DAC是溝通模擬電路和數(shù)字電路的橋梁，也可稱之為兩者之間的接口。

能將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的電路稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC；

能將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC。本章將簡(jiǎn)單介紹D/A轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器的幾種主要形式。§1D/A轉(zhuǎn)換器(DAC)一、D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理和轉(zhuǎn)換特性將輸入的每一位二進(jìn)制代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將代表各位的模擬量相加，所得的總模擬量就與數(shù)字量成正比，這樣便實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換?；驹斫o定數(shù)字量的D/A轉(zhuǎn)換過(guò)程：⑴按權(quán)展開(kāi)，求相應(yīng)位的模擬量；⑵相加求和，求總的模擬量；⑴電阻網(wǎng)絡(luò)：實(shí)現(xiàn)按權(quán)展開(kāi)；⑵電子開(kāi)關(guān):給定數(shù)字量；⑶求和電路:完成模擬量相加。DAC的一般構(gòu)成：存在多種網(wǎng)絡(luò)形式。由晶體管或MOS管組成。由運(yùn)放組成。二、二進(jìn)制權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC參考電壓電子開(kāi)關(guān)：d＝1→接“-”;d=0→接“+”不論d接哪端（虛地或?qū)嵉兀?，各支路電流不變。求和電路⒈電路設(shè)RF=R/2⒉轉(zhuǎn)換原理⒊輸出三、T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC⒈電路電子開(kāi)關(guān)：d＝1→接“VR”;d=0→接“地”⒉轉(zhuǎn)換原理①

VR通過(guò)S0到D點(diǎn)的電壓值等效電路：S0接VRS1S2S3接地同理：所以，當(dāng)d3d2d1d0＝0001時(shí)同理，當(dāng)d3d2d1d0＝0010時(shí)當(dāng)d3d2d1d0＝0100時(shí)當(dāng)d3d2d1d0＝1000時(shí)②

d3d2d1d0為任意值時(shí)

D點(diǎn)的電壓值輸出：取Rf＝3R：⒈電路注：1、電子開(kāi)關(guān)置于電阻網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)放之間。

di＝1電流入P點(diǎn)（虛地），di＝0電流入地（實(shí)地）。

2、無(wú)論開(kāi)關(guān)在左（實(shí)地）還是在右（虛地），電流不變，故無(wú)需電流建立時(shí)間。四、倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC⒉轉(zhuǎn)換原理①節(jié)點(diǎn)A、B、C、D以左，等效電阻為2R?？偟刃щ娮铻镽。②總電流⒉轉(zhuǎn)換原理（續(xù)）③每過(guò)一個(gè)節(jié)點(diǎn)，電流被分流1/2。⒉轉(zhuǎn)換原理（續(xù)）④流入P點(diǎn)總電流⑤輸出電壓

§2A/D轉(zhuǎn)換采樣：以一定的周期讀取輸入電壓信號(hào)。采樣定理：fs≥2,fAmax

工程上：

fs＝10fAmax保持：使讀取的信號(hào)在周期內(nèi)不變。轉(zhuǎn)換原理

模擬信號(hào)（A）轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)（D）需要時(shí)間，所以轉(zhuǎn)換時(shí)間上是離散的；另一方面，模擬信號(hào)輻值連續(xù)，數(shù)字信號(hào)輻值離散。所以AD轉(zhuǎn)換需要做的是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行輻值離散和時(shí)間離散。時(shí)間離散→采樣定理輻值離散→量化編碼Vref⑴要求①在采樣時(shí)間內(nèi)，信號(hào)維持不變，以提供足夠的轉(zhuǎn)換時(shí)間。②采樣后保持原信號(hào)特征。⑵采樣定理采樣頻率大于2倍輸入信號(hào)頻率的最大值。①②③⑦①②④⑤⑥⑧主要參數(shù)參考電壓：

AD轉(zhuǎn)換最大數(shù)值輸出字段：

轉(zhuǎn)換后的字節(jié)各個(gè)位數(shù)的含義轉(zhuǎn)換精度：由參考電壓和輸出字段長(zhǎng)度共同決定，為ADC的最小步進(jìn)電壓，反映了ADC對(duì)最小電壓變化的檢測(cè)能力。模數(shù)轉(zhuǎn)換器類型跟蹤式模數(shù)轉(zhuǎn)換器快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器雙斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換器∑-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器Half-Flash模數(shù)轉(zhuǎn)換器1跟蹤式模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成：一個(gè)比較器，一個(gè)計(jì)數(shù)器，一個(gè)DAC缺點(diǎn)：

(1)轉(zhuǎn)換速度慢

(2)最高時(shí)鐘頻率取決于DAC和比較器的信號(hào)延時(shí)速度2、快速A/D轉(zhuǎn)換器快速A/D轉(zhuǎn)換器特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速率快缺點(diǎn)：耗費(fèi)了大量比較器和邏輯電路，功耗大3、逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器特點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度中速（幾十K到幾百KHz）， 成本較低。對(duì)分查找逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器特點(diǎn)通過(guò)對(duì)分查找得到輸出數(shù)值，相比于快速ADC,節(jié)省了大量的比較器。N位的ADC需N個(gè)時(shí)鐘單元內(nèi)完成一次轉(zhuǎn)換雙積分型ADC的轉(zhuǎn)換原理是先將模擬電壓UI轉(zhuǎn)換成與其大小成正比的時(shí)間間隔T，再利用基準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖通過(guò)計(jì)數(shù)器將T變換成數(shù)字量。

4雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器

雙積分型ADC雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器特點(diǎn)首先，其轉(zhuǎn)換結(jié)果與時(shí)間常數(shù)RC無(wú)關(guān)，從而消除了由于斜波電壓非線性帶來(lái)的誤差，允許積分電容在一個(gè)較寬范圍內(nèi)變化，而不影響轉(zhuǎn)換結(jié)果。其次，由于輸入信號(hào)積分的時(shí)間較長(zhǎng)，且是一個(gè)固定值T1，而T2正比于輸入信號(hào)在T1內(nèi)的平均值，這對(duì)于疊加在輸入信號(hào)上的干擾信號(hào)有很強(qiáng)的抑制能力。最后，這種A/D轉(zhuǎn)換器不必采用高穩(wěn)定度的時(shí)鐘源，它只要求時(shí)鐘源在一個(gè)轉(zhuǎn)換周期（T1+T2）內(nèi)保持穩(wěn)定即可。這種轉(zhuǎn)換器被廣泛應(yīng)用于要求精度較高而轉(zhuǎn)換速度要求不高的儀器中。5、Σ-Δ型ADCΣ-ΔADC的基本思想是用數(shù)字化速度來(lái)?yè)Q取位數(shù)，即采用高速、低位數(shù)(通常是1位)的ADC來(lái)實(shí)現(xiàn)低速、高位數(shù)的ADC。其主要組成是Σ-Δ調(diào)制器及低通數(shù)字濾波器，如圖所示。Σ-Δ調(diào)制器由差動(dòng)器、積分器和比較器構(gòu)成，它們一起構(gòu)成一個(gè)反饋環(huán)路。調(diào)制器以遠(yuǎn)大于奈奎斯特頻率的采樣率對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣和量化，輸出一位數(shù)字位流。數(shù)字低通濾波器完成低通濾波和抽取功能。Σ-Δ調(diào)制器的特點(diǎn)在于它的噪聲整型特性。它將模擬輸入與反饋信號(hào)(誤差信號(hào))進(jìn)行差動(dòng)(delta)比較，將比較產(chǎn)生的差動(dòng)輸出饋送到積分器(sigma)中，然后將積分器的輸出饋送到比較器中。比較器的輸出同時(shí)將反饋信號(hào)(誤差信號(hào))通過(guò)一位DAC后傳送到差動(dòng)器，而自身被饋送到數(shù)字濾波器中。一種集成Σ-Δ型ADC原理框圖Σ-Δ調(diào)制器Σ-Δ型A/D轉(zhuǎn)換器特點(diǎn)1、精度很高。2、轉(zhuǎn)換速率不夠高,適于音頻采樣。3、需設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器。6Half-Flash模擬轉(zhuǎn)換器將轉(zhuǎn)化比特分為高字節(jié)和低字節(jié)，以FLASH型ADC級(jí)聯(lián)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換速度處于FLASH和逐次比較型之間，減小了驅(qū)動(dòng)電流。7各種ADC的比較書上圖2.8性能比較的方面

a.轉(zhuǎn)換精度

b.最大轉(zhuǎn)換速度

采樣和保持模擬信號(hào)經(jīng)采樣后，得到一系列樣值脈沖。采樣脈沖寬度τ一般是很短暫的，在下一個(gè)采樣脈沖到來(lái)之前，應(yīng)暫時(shí)保持所取得的樣值脈沖幅度，以便進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因此，在取樣電路之后須加保持電路。采樣保持電路圖中(a)是一種常見(jiàn)的取樣保持電路，場(chǎng)效應(yīng)管V為采樣門，