第九章數(shù)模和模數(shù)變換器

電子技術(shù)數(shù)字電路部分第九章數(shù)/模與模/數(shù)變換器1第九章數(shù)/模與模/數(shù)變換器§9.1概述§9.2D/A變換器§9.3A/D變換器2一、數(shù)/模和模/數(shù)器是模擬、數(shù)字系統(tǒng)間的橋梁模

/

數(shù)（A

/

D）轉(zhuǎn)換:AnalogtoDigitalConverter（ADC）數(shù)

/

模（D

/

A）轉(zhuǎn)換:DigitaltoAnalogConverterDAC）數(shù)字計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)A/DD/A二進(jìn)制二進(jìn)制線性線性存儲(chǔ)分析控制物理生物化學(xué)§9.1概述3四、分類4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。D/A變換器的電路形式很多，這里只介紹兩種?！?.2D/A變換器59.2.1權(quán)電阻D/A變換器這種變換器由“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

k00116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）。++-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RFD3D2D1D00011

UR5

kR=80

k7T1T2SDa電子模擬開關(guān)的簡化原理電路當(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。8Uo

=-URRFR（）D3D0D1D223202122＋＋＋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。++-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RFD3D2D1D00011

UR5

kR=80

k99.2.3DAC的轉(zhuǎn)換精度、速度和主要參數(shù)一、轉(zhuǎn)換精度指D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出產(chǎn)生的最小電壓變化量與滿刻度輸出電壓之比，也可用輸入的位數(shù)表示。為實(shí)際輸出與理想輸出模擬電壓間的最大誤差。

ULSBUFSR=12n–1分辨率=LSB

—LeastSignificantBit2.轉(zhuǎn)換誤差

可用占輸出電壓滿刻度值的百分?jǐn)?shù)表示或可用最低有效位（LSB）的倍數(shù)表示。如:?（LSB）=輸入為0…01時(shí)輸出模擬電壓的一半。1.分辨率（Resolution）FSR

—FullScaleRange10二、轉(zhuǎn)換速度1.建立時(shí)間tsts為在大信號工作下（輸入由全0變?yōu)槿?，或由全1變?yōu)槿?）,輸出電壓達(dá)到某一規(guī)定值所需時(shí)間

。不包含UREF和運(yùn)放的單片DAC最短ts<0.1s；包含UREF和運(yùn)放的單片DAC最短t

s<1.5s。2.轉(zhuǎn)換速率SR用大信號工作狀態(tài)下模擬電壓的變化率表示TTR=ts+

tr（tf）上升時(shí)間下降時(shí)間完成一次轉(zhuǎn)換所需時(shí)間TTR（max）=ts+UO（max）/SR11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(yīng)的數(shù)字量。1.A/D功能:9.3A/D轉(zhuǎn)換器122.A/D轉(zhuǎn)換器分類①并聯(lián)比較型

特點(diǎn):轉(zhuǎn)換速度快,轉(zhuǎn)換時(shí)間10ns~1s,但電路復(fù)雜。②逐次逼近型

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

特點(diǎn):轉(zhuǎn)換速度慢,轉(zhuǎn)換時(shí)間幾百s~幾ms,但抗干擾能力最強(qiáng)。13取樣時(shí)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(shí)間上和量值上都連續(xù)數(shù)字信號時(shí)間上和量值上都離散9.3.1A/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(gè)過程。141.取樣與保持

采樣是將隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為在時(shí)間離散的模擬量。

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

采樣定理：設(shè)采樣信號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(guān)閉合S(t)=0:開關(guān)斷開15采得模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號都需要一定時(shí)間，為了給后續(xù)的量化編碼過程提供一個(gè)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(shí)間。采樣保持取樣與保持電路及工作原理162.量化與編碼數(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(yīng)的離散電平上，任何數(shù)字量只能是某個(gè)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(gè)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。量化3.編碼17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。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.量化誤差：量化前的電壓與量化后的電壓差5.量化方式18011111101011000110100010000Δ=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(gè)量化單位的部分舍棄；對于等于或大于一個(gè)量化單位部分按一個(gè)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(jìn)制代碼19b)四舍五入量化方式:量化過程將不足半個(gè)量化單位部分舍棄，對于等于或大于半個(gè)量化單位部分按一個(gè)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(jìn)制代碼209.3.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器電壓比較器輸入模擬電壓精密電阻網(wǎng)絡(luò)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21VI=8VREF/15111100000122

vI

CO1CO2CO3CO4CO5CO6CO7

D2D1D0

7VREF/15

vI9VREF/15

0001111100

9VREF/15

vI11VREF/15

0011111101

5VREF/15

vI7VREF/15

0000111011

3VREF/15

vI

5VREF/15000001101011VREF/15

vI13VR/15

011111111013VREF/15

vIVREF/15

1111111111

VREF/15

vI

3VREF/15

0000001001

0vIVREF/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(guān)系。比較器的輸出狀態(tài)由D觸發(fā)器存儲(chǔ)，經(jīng)優(yōu)先編碼器編碼，得到數(shù)字量輸出。233、電路特點(diǎn)：在并行A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入電壓I同時(shí)加到所有比較器的輸入端。如不考慮各器件的延遲，可認(rèn)為三位數(shù)字量是與I輸入時(shí)刻同時(shí)獲得的。所以它的轉(zhuǎn)換時(shí)間最短。缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，如三位ADC需7個(gè)比較器、7個(gè)觸發(fā)器、8個(gè)電阻。位數(shù)越多，電路越復(fù)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。249.3.5A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度一、轉(zhuǎn)換精度分辨率1.用二進(jìn)制或十進(jìn)制位數(shù)表示(設(shè)計(jì)參數(shù))LSB變化一個(gè)數(shù)碼時(shí)，對應(yīng)輸入模擬量的變化量(測量參數(shù))如最大輸出電壓為5

V的8位A/D的分辨率為：轉(zhuǎn)換誤差：表示實(shí)際輸出