數(shù)字電路第11章數(shù)模模數(shù)轉(zhuǎn)換

第一節(jié)概述數(shù)模轉(zhuǎn)換：將數(shù)字量(Digital)轉(zhuǎn)換為模擬量(Analog)。簡稱D/A轉(zhuǎn)換。模數(shù)轉(zhuǎn)換：將模擬量(Analog)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量(Digital)。簡稱A/D轉(zhuǎn)換。1.概念第11章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換2圖11.1.2為一個(gè)溫度控制系統(tǒng)：傳感器放大器A/D轉(zhuǎn)換微型計(jì)算機(jī)被控對(duì)象D/A轉(zhuǎn)換電加熱爐熱電偶執(zhí)行機(jī)構(gòu)圖11.1.2溫度時(shí)間2.指標(biāo)及分類3D/A轉(zhuǎn)換器權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器開關(guān)樹型D/A轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器直接轉(zhuǎn)換型并聯(lián)比較型反饋比較型間接轉(zhuǎn)換型雙積分型（V－T變換型）V—F變換型計(jì)數(shù)型逐次漸進(jìn)型分類：主要指標(biāo)：轉(zhuǎn)換精度；轉(zhuǎn)換速度。11.2D/A轉(zhuǎn)換器4D111101…D/AA(電壓或電流)

？D/A轉(zhuǎn)換的目的：D/A轉(zhuǎn)換器的原理框圖一、權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器1.電路構(gòu)成由四部分組成：權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)；求和放大器；模擬開關(guān)；參考電源；權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)求和放大器模擬開關(guān)LeastSignificantBitMostSignificantBit任務(wù)：求出輸出模擬電壓與輸入數(shù)字量d3d2d1d0間的關(guān)系。2.工作原理：一、權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器（續(xù)）3.特點(diǎn)：（1）.電阻數(shù)量少，結(jié)構(gòu)簡單；（2）.電阻種類多，差別大，不易集成。輸入數(shù)字量輸入數(shù)字量2.工作原理：推廣：4.雙級(jí)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)克服上面的缺點(diǎn)一、權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器（續(xù)）二、倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器1.結(jié)構(gòu)及原理：電阻網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)：模擬開關(guān)Si不論接何位置，都相當(dāng)于接地。任意節(jié)點(diǎn)向左看的等效電阻皆為R。二、倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器（續(xù)）2.電路特點(diǎn)：(1).電阻種類少，便于集成；(2).開關(guān)切換時(shí)，各點(diǎn)電位不變。因此，速度快。二、倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器（續(xù)）3.集成D/A轉(zhuǎn)換器CB7520簡介：（十位）11可外接反饋電阻R需外接運(yùn)放模擬開關(guān)電路：二、倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器（續(xù)）三、權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器

在權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器和倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器中，若模擬開關(guān)不是理想開關(guān)，其導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通壓降將影響轉(zhuǎn)換精度。權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器可解決這一問題。恒流源如圖。但電阻REi的種類多。因此，經(jīng)常用倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)的分流作用來實(shí)現(xiàn)。13每個(gè)VE相等向右看等效R,故IEC=IEO=IE1/2=IE2/4=IE3/8=IREF/16權(quán)電流型集成數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0808簡介雙極型電路；8位數(shù)字量輸入；外接求和放大器；外接電阻。若取VREF=10V、RR=RF=5K?則：輸入數(shù)字量此時(shí)，輸出模擬電壓范圍為：0~9.96V。參考四位時(shí)的公式：有：四、具有雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器(以3位補(bǔ)碼為例)

帶符號(hào)數(shù)以補(bǔ)碼形式給出。輸出為正、負(fù)極性的模擬電壓。

當(dāng)輸入數(shù)字量是帶符號(hào)數(shù)時(shí)，就需要雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器。四、具有雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器(以3位補(bǔ)碼為例)（續(xù)）16當(dāng)D=100時(shí)，原本輸出電壓為4V。因此：三位DAC的輸出取反IB如何??？五、D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度（一）轉(zhuǎn)換精度通常用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述。1.分辨率（理論精度）

：輸出模擬電壓應(yīng)能區(qū)分0~2n-1共2n個(gè)輸入數(shù)字量。表示方法：(1)用輸入二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示；如8位。(2)用輸出模擬電壓的非零最小值與最大值的比值表示。該比值顯然等于：如10位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為18

由于電路各部分都有誤差，還要給出誤差來表示實(shí)際能達(dá)到的轉(zhuǎn)換精度。

轉(zhuǎn)換誤差有時(shí)也稱為線性誤差。它表示實(shí)際的D/A轉(zhuǎn)換特性和理想轉(zhuǎn)換特性之間的最大偏差。轉(zhuǎn)換誤差的表示形式：（1）最低有效位的倍數(shù)。如：1LSB。（2）輸出電壓滿刻度FSR(FullScaleRange)的百分?jǐn)?shù)。如：0.1％FSR。2.轉(zhuǎn)換誤差（實(shí)際精度）

：3.轉(zhuǎn)換誤差分析D/A轉(zhuǎn)換器的四個(gè)組成部分，均可引起轉(zhuǎn)換誤差。具有不同的特點(diǎn)(1)參考電源引起的誤差稱為比例系數(shù)誤差。(2)運(yùn)放零點(diǎn)漂移引起的誤差稱為漂移誤差或平移誤差或失調(diào)誤差。(3)模擬開關(guān)的導(dǎo)通內(nèi)阻和導(dǎo)通壓降以及電阻網(wǎng)絡(luò)中電阻的偏差引起的誤差稱為非線性誤差。注意：運(yùn)放和參考電源多為外接，電阻網(wǎng)絡(luò)和模擬開關(guān)在集成DAC內(nèi)部?？傉`差：3.轉(zhuǎn)換誤差分析(續(xù))P522例：在10位倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC中，VREF=-10V。為保證VREF偏離標(biāo)準(zhǔn)值所引起的誤差小于1/2LSB，計(jì)算VREF相對(duì)穩(wěn)定度應(yīng)取多少？21解：1.計(jì)算1/2LSB:當(dāng)輸入數(shù)字量D=1時(shí)，輸出電壓為LSB。故：2.計(jì)算當(dāng)VREF變化量為時(shí)所引起的輸出變化量的最大值:現(xiàn)要求：即：=0.05%這里VREF=10V,允許的參考電源變化量小于5mV1/2LSB=輸入數(shù)字量的最大值（二）轉(zhuǎn)換速度用完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間－－建立時(shí)間tset－－來衡量。

建立時(shí)間：從輸入信號(hào)變化開始到輸出電壓進(jìn)入與穩(wěn)態(tài)值相差1/2LSB范圍以內(nèi)的時(shí)間。

輸入信號(hào)由全0變?yōu)槿?所需時(shí)間最長。不包含運(yùn)放的DAC建立時(shí)間可達(dá)0.1。當(dāng)外接運(yùn)放時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間還應(yīng)加上運(yùn)放的上升（下降）時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間建立時(shí)間輸出模擬電壓最大值運(yùn)放輸出轉(zhuǎn)換速率（三）溫度系數(shù)23指輸入不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化產(chǎn)生的變化量。一般用滿刻度輸出條件下溫度每升高1°C，輸出電壓變化的百分?jǐn)?shù)作為溫度系數(shù)11.3

A/D轉(zhuǎn)換器一、A/D轉(zhuǎn)換的基本原理A/D轉(zhuǎn)換的基本步驟：采樣（取樣）；保持；量化；編碼。由取樣－保持電路完成由A/D轉(zhuǎn)換電路完成取樣保持251.取樣、保持取樣定理（奈奎斯特采樣定理）：為保證從取樣信號(hào)恢復(fù)被取樣信號(hào)，必須滿足取樣信號(hào)頻率在實(shí)際的取樣保持電路中有一個(gè)取樣控制信號(hào)，它的頻率就是取樣信號(hào)頻率。輸入信號(hào)最高頻率2.量化和編碼量化：

把輸出數(shù)字量為1時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入模擬電壓稱為量化單元，記做。當(dāng)輸出數(shù)字量為D時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸入模擬電壓應(yīng)為D，即量化單元的整數(shù)倍。因此，對(duì)于任意輸入模擬電壓,首先應(yīng)把它量化為的整數(shù)倍。這就是量化。編碼：用二進(jìn)制代碼表示量化后的結(jié)果，即為A/D轉(zhuǎn)換輸出。

量化和編碼是在同一個(gè)電路中完成的。下圖說明了兩種量化方法：當(dāng)輸入電壓不為的整數(shù)倍時(shí)，必然產(chǎn)生誤差，稱為量化誤差。量化誤差＝量化誤差＝－1/15V若用此范圍表示001會(huì)更準(zhǔn)確輸入為雙極性時(shí)：輸出一般采用二進(jìn)制補(bǔ)碼表示?？捎孟聢D表示：=1V二進(jìn)制補(bǔ)碼符號(hào)位量化后輸出的二進(jìn)制補(bǔ)碼2.量化和編碼(續(xù))二.取樣－保持電路29為低電平時(shí)，T截止。取樣電容CH上的電荷無泄放回路，將保持。

為高電平時(shí)，場效應(yīng)管T導(dǎo)通，VI對(duì)CH充電，充電結(jié)束：電路缺點(diǎn)：輸入電阻RI過大會(huì)降低取樣速度；過小又加重信號(hào)源負(fù)載。改進(jìn)方法：在輸入端加隔離放大器。

下面通過集成取樣保持電路LF198介紹改進(jìn)的取樣－保持電路。1.取樣2.保持3.集成取樣保持電路LF19830調(diào)零輸入模擬電壓取樣控制信號(hào)外接保持電容

在取樣階段，開關(guān)S接通，運(yùn)放AI,A2構(gòu)成兩級(jí)電壓跟隨器

在保持階段，S斷開，電容CH上電荷保持不變，使輸出電壓保持不變。二極管D1,D2和電阻R1構(gòu)成保護(hù)電路。在取樣階段，S接通，D1,D2截止，保護(hù)電路不起作用。

在保持階段，S斷開，保持不變；但在變，使達(dá)到正（負(fù)）最大值，使開關(guān)S承受過高的電壓。接上保護(hù)電路后可使基本等于輸入電壓。自學(xué)三、并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器（直接轉(zhuǎn)換法）ADC分兩大類31直接轉(zhuǎn)換法間接轉(zhuǎn)換法直接法是通過一套基準(zhǔn)電壓與取樣保持電壓進(jìn)行比較，從而直接將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。其特點(diǎn)是工作速度高，轉(zhuǎn)換精度容易保證，調(diào)準(zhǔn)也比較方便。間接法是將取樣后的模擬信號(hào)先轉(zhuǎn)換成中間變量時(shí)間t或頻率f,然后再將t或f轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。其特點(diǎn)是工作速度較低，但轉(zhuǎn)換精度可以做得較高，且抗干擾性強(qiáng)。間接A/D轉(zhuǎn)換器有單次積分型、雙積分型等。并聯(lián)比較型反饋比較型單次積分型雙積分型將輸入模擬電壓直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，不經(jīng)過中間變量。并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器采用第二類量化方法322.工作原理：圖11.3.71.電路結(jié)構(gòu)：a.電壓比較器判斷vI屬于哪一范圍，有八種可能b.寄存器存儲(chǔ)判斷結(jié)果。兼有保持電路的作用c.代碼轉(zhuǎn)換器把判斷結(jié)果編碼成3位二進(jìn)制代碼代碼轉(zhuǎn)換器寄存器電壓比較器并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器--工作原理并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器(續(xù))特點(diǎn)：34速度快，轉(zhuǎn)換時(shí)間小于50ns；電路復(fù)雜。不需取樣－保持電路；四、反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器（直接轉(zhuǎn)換法）351.思路：將一數(shù)字量加到D/A轉(zhuǎn)換器上，再把D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬電壓與輸入模擬電壓相比較。若不相等，則修改數(shù)字量，直到兩模擬電壓相等，此時(shí)對(duì)應(yīng)的數(shù)字量就是轉(zhuǎn)換結(jié)果。2.計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字量由計(jì)數(shù)器提供。（初態(tài)為00……0）啟動(dòng)轉(zhuǎn)換10=量化引起的誤差為1LSB，也就是1.屬于第一種量化方法特點(diǎn)：1.電路簡單；2.速度慢。最長轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)2n-1倍時(shí)鐘信號(hào)周期。a.電路結(jié)構(gòu)b.工作原理3.逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器可提高轉(zhuǎn)換速度。雖然也是反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器，但D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量的給出方式不同。工作思路：如13g的重物，有砝碼8g、4g、2g、1g。比較過程如表所示3.逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器38數(shù)字量由逐次漸近寄存器提供。思路：從輸出數(shù)字量的最高位起，逐位判斷該位的值（0,1）。以輸出四位數(shù)字量a3a2a1a0為例（類似與天平稱重）

:1.輸入1000到逐次漸近寄存器，以確定a3的值；2.輸入a3100到逐次漸近寄存器，以確定a2的值；3.輸入a3a210到逐次漸近寄存器，以確定a1的值；4.輸入a3a2a11到逐次漸近寄存器，以確定a0的值；可見，主要轉(zhuǎn)換步驟只需4個(gè)時(shí)鐘周期就可完成。（實(shí)際轉(zhuǎn)換器還要增加兩個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)間。）下面結(jié)合具體電路說明工作過程。(P534圖11.3.10)電路結(jié)構(gòu)框圖39>時(shí)，該位的1去掉，否則該位的1保留。原理說明圖11.3.10移位寄存器初始狀態(tài)：Q1Q2Q3Q4Q5=10000>時(shí)，＝1CP1后,移位寄存器為01000，QAQBQC=100;CP2后,移位寄存器為00100，QAQBQC=d210;確定d2值。CP3后,移位寄存器為00010，QAQBQC=d2d11;確定d1值。CP4后,移位寄存器為00001，QAQBQC=d2d1d0;確定d0值。同時(shí)輸出d2d1d0。CP5后,移位寄存器為10000，QAQBQC＝d2d1d0，但對(duì)下一步無影響。一般，當(dāng)輸出為n位時(shí)，需n+2個(gè)時(shí)鐘周期可完成轉(zhuǎn)換。特點(diǎn)：速度較快；電路也不太復(fù)雜。因此，逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器是集成A/D轉(zhuǎn)換器用的最多的一種。第二種量化方法CLKQ1Q2Q3Q4Q5QAQBQCd2d1d00100000000001010001000002001001(原VOVi,VB=0)100(原VO>Vi,VB=1)10000300010保持1(原VOVi,VB=0)1保持0(原VO>Vi,VB=1)1000400001保持保持1(原VOVi,VB=0)保持保持0(原VO>Vi,VB=1)輸出QAQBQC510000重新轉(zhuǎn)換000五、雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器(間接A/D轉(zhuǎn)換器)間接轉(zhuǎn)換型ADC：模擬量—中間量—數(shù)字量中間變量為時(shí)間T的，稱為V-T變換型（電壓－時(shí)間變換型）；中間變量為頻率F的，稱為V-F變換型（電壓－頻率變換型）；間接轉(zhuǎn)換型雙積分型（V－T變換型）V—F變換型五、雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器(續(xù))1.雙積分型ADC屬于V-T變換型。43模擬量時(shí)間寬度信號(hào)寬度內(nèi)計(jì)數(shù)2.電路結(jié)構(gòu)。S2n位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器定時(shí)器邏輯控制門uIS1RCuOCOclk&dn-1d0基準(zhǔn)電壓輸入電壓-+-+積分器時(shí)鐘脈沖控制門過零比較器第一次積分:對(duì)輸入模擬電壓定時(shí)積分，時(shí)間為T1,由控制邏輯電路決定；第二次積分:對(duì)參考電源VREF定速積分，Vo

的變化速度由VREF,R和C決定。S2n位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器定時(shí)器邏輯控制門uIS1RCuOCOCP&dn-1d0基準(zhǔn)電壓輸入電壓-+-+積分器時(shí)鐘脈沖控制門過零比較器積分前讓C釋放電荷45t1時(shí)刻電容電壓即值為：第二次積分結(jié)束時(shí)積分器輸出電壓為0，即故：46T2期間對(duì)CLK計(jì)數(shù)得D。設(shè)時(shí)鐘周期為TC，則代入上式得：可使T1=2nTC，T2=DTC的電路如下圖：至于T1，若滿足47vova48L0=0使S0閉合L0=1使S0斷開L1=0使S1接VI計(jì)數(shù)器清零VLQA=0使L1=0從而使S1接VIVoCLK通過門G，計(jì)數(shù)器加法計(jì)數(shù)積分器對(duì)VI積分使Va<0，比較器則輸出Vo=1至2n-1QA=1、VL=1使L1=1從而使S1接-VREF歸零后重新加法計(jì)數(shù)積分器對(duì)-VREF反向積分使Va上升，但還是滿足Va<0至Va=0后輸出Vo=0Vo=0使門G關(guān)閉CLK，計(jì)算器停止計(jì)數(shù)，此數(shù)為數(shù)字量vova計(jì)數(shù)器歸零2nTC2nTC特點(diǎn)：

性能穩(wěn)定。轉(zhuǎn)換結(jié)果與R,C無關(guān)；也與時(shí)鐘周期無關(guān)。這是兩次積分的結(jié)果。

抗干擾能力強(qiáng)。積分器對(duì)平均值為0的干擾有很強(qiáng)的抑制能力。如電網(wǎng)干擾，若取第一次積分時(shí)間為交流電網(wǎng)電壓周期的整數(shù)倍，理論上可完全抑制電網(wǎng)干擾。缺點(diǎn)是速度慢。完成一次轉(zhuǎn)換時(shí)間不小于2n+1TC。在要求速度不高的場合有廣泛的應(yīng)用。如數(shù)字電壓表等。影響精度因素：計(jì)數(shù)器位數(shù)；比較器靈敏度；比較器零點(diǎn)漂移；運(yùn)放零點(diǎn)漂移；積分電容漏電；TC瞬間波動(dòng)。六.V-F變換型A/D轉(zhuǎn)換器50

壓控振蕩器輸出脈沖頻率與輸入電壓有很好的線性關(guān)系。

寄存器可防止輸出數(shù)字跳動(dòng)。影響精度的