數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器

第10章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器10.1概述數(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。實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路稱數(shù)模轉(zhuǎn)換器

Digital-AnalogConverter，簡稱

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。

實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路稱模數(shù)轉(zhuǎn)換器

Analog-DigitalConverter，簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC。

模擬量數(shù)字量模擬量數(shù)字量傳感器被控對象

自然界物理量為何要進行數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換？數(shù)字信號物理量模擬信號壓力傳感器溫度傳感器流量傳感器四路模擬開關(guān)數(shù)字控制計算機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)控制對象

DACADC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。10.1D/A轉(zhuǎn)換器了解權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的電路與工作原理。輸出模擬電壓

uO=

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

D，uO的大小反映了數(shù)字量

D

的大小。DACD0D1Dn-2Dn-1…uOn

位二進制數(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時的模擬輸出電壓(用ULSB

表示)。10.1.1D/A轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成不論模擬開關(guān)接到運算放大器的反相輸入端（虛地）還是接到地，也就是不論輸入數(shù)字信號是1還是0，各支路的電流不變的。設(shè)RF=R/2S0++-△∞uOS1S2S3D3D2D1D0iΣRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI301111000RRR

(一)

電路組成與轉(zhuǎn)換原理10.1.3R

-2R

倒

T形電阻網(wǎng)絡(luò)

DAC

由倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)和一個電流電壓轉(zhuǎn)換電路(簡稱I/U

轉(zhuǎn)換電路)組成。模擬開關(guān)Si

打向“1”側(cè)時，相應(yīng)2R

支路接虛地；打向“0”側(cè)時，相應(yīng)2R

支路接地。故無論開關(guān)打向哪一側(cè)，倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)均可等效為下圖：II3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI3RRRABC從A、B、C節(jié)點向左看去，各節(jié)點對地的等效電阻均為2R。因此，I=VREFRI3=I2=23()，I24I2

=I32=22

()，I24=I4I1

=I22=21

()，I24=I8I0

=I12=20

()I24=I16可見，支路電流值Ii

正好代表了二進制數(shù)位Di

的權(quán)值2i。即I3=23

I0，I2=22

I0，I1=21

I0，I0=20

I0

模擬開關(guān)Si

受相應(yīng)數(shù)字位Di

控制。當(dāng)Di=1

時，開關(guān)合向“1”側(cè)，相應(yīng)支路電流Ii

輸出；Di=0時，開關(guān)合向“0”側(cè)，Ii

流入地而不能輸出。S0++-△∞uOS1S2S3D3D2D1D0iΣRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI301111000RRRu0=-

iΣRF=-

D

I0RF=-

D

·

iΣ

=

D3I3+

D2I2+

D1I1+

D0I0

=

(

D323+

D222+

D121+

D020)

I0=

D

I0對n

位

DAC，uO=

-

D

·

若取RF=R，則uO=

-

D

·

n

位DAC將參考電壓VREF

分成2n

份，uO

是每份的D

倍。調(diào)節(jié)VREF

可調(diào)節(jié)DAC的輸出電壓。uO=

-

D

·

誤差分析1、因參考電壓的偏離引起的誤差2、實際運放的偏離引起的誤差3、模擬開關(guān)的導(dǎo)通壓降引起的誤差4、電阻阻值的偏差引起的誤差一種簡化的CMOS開關(guān)型D/A轉(zhuǎn)換器CMOS開關(guān)電路的組成及工作原理（1）分辨率分辨率用輸入二進制數(shù)的有效位數(shù)表示。在分辨率為n位的D/A轉(zhuǎn)換器中，輸出電壓能區(qū)分2n個不同的輸入二進制代碼狀態(tài)，能給出2n個不同等級的輸出模擬電壓。分辨率也可以用D/A轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓的比值來表示。10位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為：（2）轉(zhuǎn)換精度

D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是指輸出模擬電壓的實際值與理想值之差，即最大靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。（3）輸出建立時間從輸入數(shù)字信號起，到輸出電壓或電流到達穩(wěn)定值時所需要的時間，稱為輸出建立時間。

D/A轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)含義1、分辨率：所能產(chǎn)生的最小電壓變化量與滿刻度輸出電壓之比。位數(shù)越高，分辨能力就越強，分辨率的值越低（?。?。2、轉(zhuǎn)換精度（絕對精度）：實際輸出的模擬電壓與理論輸出模擬電壓間的最大誤差。與元件參數(shù)的精度、工作溫度、運放的溫度漂移及轉(zhuǎn)換位數(shù)有關(guān)。通常要求小于最小電壓變化量的一半。3、轉(zhuǎn)換時間：衡量轉(zhuǎn)換速度。4*、線性度：又稱為非線性誤差，是偏離理想的輸入-輸出特性的偏差與滿刻度輸出之比的百分率。集成D/A轉(zhuǎn)換器5G7520及其應(yīng)用電路舉例1、輸入全為0時，調(diào)運放調(diào)零電位器使輸出為0；2、輸入全為1時，調(diào)R1使輸出為預(yù)定滿量程輸出；3、R2用以調(diào)節(jié)輸出電壓值（滿量程下降）。由5G7520構(gòu)成數(shù)控電流源10.2A/D轉(zhuǎn)換器4、分兩步完成。1、用于將模擬信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量，是模擬系統(tǒng)到數(shù)字系統(tǒng)的接口電路。2、轉(zhuǎn)換需要時間，故要求轉(zhuǎn)換期間輸入的模擬量保持不變；須進行模擬信號的離散處理，即采樣和保持。3、把保持的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的過程稱為量化過程；把量化的結(jié)果進行編碼得到輸出的數(shù)字信號。10.2.1A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理模擬電子開關(guān)S在采樣脈沖CPS的控制下重復(fù)接通、斷開的過程。S接通時，ui(t)對C充電，為采樣過程；S斷開時，C上的電壓保持不變，為保持過程。在保持過程中，采樣的模擬電壓經(jīng)數(shù)字化編碼電路轉(zhuǎn)換成一組n位的二進制數(shù)輸出。t0時刻S閉合，CH被迅速充電，電路處于采樣階段。由于兩個放大器的增益都為1，因此這一階段uo跟隨ui變化，即uo＝ui。t1時刻采樣階段結(jié)束，S斷開，電路處于保持階段。若A2的輸入阻抗為無窮大，S為理想開關(guān)，則CH沒有放電回路，兩端保持充電時的最終電壓值不變，從而保證電路輸出端的電壓uo維持不變。10.2.4并聯(lián)（行）比較型A/D工作原理特點：是所有A/D中速度最快的一種，但電路復(fù)雜、成本高、價格貴，一般分辨率較低。分辨率的提高0≤ui＜VREF/14時，7個比較器輸出全為0，CP到來后，7個觸發(fā)器都置0。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進制代碼為d2d1d0＝000。VREF/14≤ui＜3VREF/14時，7個比較器中只有C1輸出為1，CP到來后，只有觸發(fā)器FF1置1，其余觸發(fā)器仍為0。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進制代碼為d2d1d0=001。3VREF/14≤ui＜5VREF/14時，比較器C1、C2輸出為1，CP到來后，觸發(fā)器FF1、FF2置1。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進制代碼為d2d1d0＝010。5VREF/14≤ui＜7VREF/14時，比較器C1、C2、C3輸出為1，CP到來后，觸發(fā)器FF1、FF2、FF3置1。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進制代碼為d2d1d0=011。依此類推，可以列出ui為不同等級時寄存器的狀態(tài)及相應(yīng)的輸出二進制數(shù)。轉(zhuǎn)換開始前先將所有寄存器清零。開始轉(zhuǎn)換以后，時鐘脈沖首先將寄存器最高位置成1，使輸出數(shù)字為100…0。這個數(shù)碼被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓uo，送到比較器中與ui進行比較。若ui＞uo，說明數(shù)字過大了，故將最高位的1清除；若ui＜uo，說明數(shù)字還不夠大，應(yīng)將這一位保留。然后，再按同樣的方式將次高位置成1，并且經(jīng)過比較以后確定這個1是否應(yīng)該保留。這樣逐位比較下去，一直到最低位為止。比較完畢后，寄存器中的狀態(tài)就是所要求的數(shù)字量輸出。原理框圖基本原理10.2.2逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器3位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換開始前，先使Q1=Q2=Q3=Q4=0，Q5=1，第一個CP到來后，Q1=1，Q2=Q3=Q4=Q5=0，于是FFA被置1，F(xiàn)FB和FFC被置0。這時加到D/A轉(zhuǎn)換器輸入端的代碼為100，并在D/A轉(zhuǎn)換器的輸出端得到相應(yīng)的模擬電壓輸出uo。uo和ui在比較器中比較，當(dāng)若ui＜uo時，比較器輸出uc=1；當(dāng)ui≥uo時，uc=0。第二個CP到來后，環(huán)形計數(shù)器右移一位，變成Q2=1，Q1=Q3=Q4=Q5=0，這時門G1打開，若原來uc=1，則FFA被置0，若原來uc=0，則FFA的1狀態(tài)保留。與此同時，Q2的高電平將FFB置1。第三個CP到來后，環(huán)形計數(shù)器又右移一位，一方面將FFC置1，同時將門G2打開，并根據(jù)比較器的輸出決定FFB的1狀態(tài)是否應(yīng)該保留。第四個CP到來后，環(huán)形計數(shù)器Q4=1，Q1=Q2=Q3=Q5=0，門G3打開，根據(jù)比較器的輸出決定FFC的1狀態(tài)是否應(yīng)該保留。第五個CP到來后，環(huán)形計數(shù)器Q5=1，