第十章 模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換

第十章模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換第1頁(yè)，共23頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)數(shù)字－模擬轉(zhuǎn)換器DAC基本概念DAC的電路結(jié)構(gòu)及工作原理DAC的主要技術(shù)指標(biāo)返回第2頁(yè)，共23頁(yè)，2023年，2月20日，星期三我們把從數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換成為數(shù)－模轉(zhuǎn)換，或D/A轉(zhuǎn)換；把從模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換成為模－數(shù)轉(zhuǎn)換，或A

/D轉(zhuǎn)換。

實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的電路稱為D/A轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)寫為DAC；實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的電路稱為A/D轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)寫為ADC。返回第3頁(yè)，共23頁(yè)，2023年，2月20日，星期三傳感器模擬信號(hào)ADC數(shù)字信號(hào)計(jì)算機(jī)DAC模擬控制返回ADC和DAC是將數(shù)字計(jì)算機(jī)應(yīng)用于生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制的橋梁。第4頁(yè)，共23頁(yè)，2023年，2月20日，星期三一、DAC基本概念返回DACDn-1Dn-2D0Uo1.DAC的基本框圖DAC的輸入是一個(gè)n位的二進(jìn)制數(shù)D，表示為：D=Dn-1×2n-1+Dn-2×2n-2+…+D0×20經(jīng)過(guò)DAC電路后輸出為模擬電壓Uo，其大小與輸入的二進(jìn)制代碼的大小成比，設(shè)比例系數(shù)為K，則第5頁(yè)，共23頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、DAC的電路結(jié)構(gòu)及工作原理1.T形電阻網(wǎng)絡(luò)DACDAC包括權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開(kāi)關(guān)和求和放大器三個(gè)部分。返回3R－＋

＋Uo∞2RRRR2R2R2R2R2RS1S0S3S2D0D1D2D3URDA第6頁(yè)，共23頁(yè)，2023年，2月20日，星期三T形電阻網(wǎng)絡(luò)2RRRR2R2R2R2RS1S0S3S2D0D1D2D3URDAUD1

000UDUR/24R同理:返回戴維寧等效電路D1=1等效電壓源為UE=UR/23D2=1等效電壓源為UE=UR/22D3=1等效電壓源為UE=UR/21第7頁(yè)，共23頁(yè)，2023年，2月20日，星期三返回DAC等效電路3R－＋

＋Uo∞R2RUE應(yīng)用疊加原理電阻網(wǎng)絡(luò)開(kāi)路電壓UE為：第8頁(yè)，共23頁(yè)，2023年，2月20日，星期三返回當(dāng)輸入D是n位數(shù)字量時(shí)：T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC的特點(diǎn)：電阻種類只有R和2R兩種，便于集成和提高精度。第9頁(yè)，共23頁(yè)，2023年，2月20日，星期三返回2.倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DACR－＋

＋Uo∞2RRRR2R2R2R2RS1S0S3S2D0D1D2D3URII=UR/RI/21I/22I/23I/24當(dāng)輸入D是n位數(shù)字量時(shí)：第10頁(yè)，共23頁(yè)，2023年，2月20日，星期三返回三、DAC的主要技術(shù)指標(biāo)1.分辨率數(shù)－模轉(zhuǎn)換器的分辨率是指最小輸出電壓（對(duì)應(yīng)的輸入二進(jìn)制數(shù)為1）與最大輸出電壓（對(duì)應(yīng)的輸入二進(jìn)制數(shù)的所有位全為1）之比。分辨率＝1/（2n－1）例如：常用的8位DAC的分辨率約為1/（28－1）≈0.004第11頁(yè)，共23頁(yè)，2023年，2月20日，星期三返回2.精度轉(zhuǎn)換器的精度是指輸出模擬電壓的實(shí)際值與理想值之差，即最大靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。3.線性度通常用非線性誤差的大小表示數(shù)－模轉(zhuǎn)換器的線性度。4.輸出電壓（或電流）的建立時(shí)間從輸入數(shù)字信號(hào)起，到輸出電壓或電流到達(dá)穩(wěn)定所需的時(shí)間，稱為建立時(shí)間。第12頁(yè)，共23頁(yè)，2023年，2月20日，星期三5.電源抑制比輸出電壓的變化與相對(duì)應(yīng)的電源電壓變化之比，稱為電源抑制比。返回例、已知倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC的參考電壓UR

=10V，試求出4位和8位DAC的輸出最小電壓和輸出最大電壓。4位：8位：第13頁(yè)，共23頁(yè)，2023年，2月20日，星期三返回常用D／A轉(zhuǎn)換器DAC08328位CMOSD/A轉(zhuǎn)換器DAC100210位COMSD/A轉(zhuǎn)換器AD7541A12位乘法型D/A轉(zhuǎn)換器DAC6312位超高速D/A轉(zhuǎn)換器DAC72918位超高分辨率D/A轉(zhuǎn)換器第14頁(yè)，共23頁(yè)，2023年，2月20日，星期三并聯(lián)比較型ADC逐次逼近型ADCADC的主要技術(shù)指標(biāo)返回第二節(jié)模擬－數(shù)字轉(zhuǎn)換器第15頁(yè)，共23頁(yè)，2023年，2月20日，星期三返回模擬－數(shù)字轉(zhuǎn)換的過(guò)程包括取樣、保持、量化、編碼四個(gè)步驟。一般取樣、保持用一個(gè)取樣保持電路完成，量化與編碼用ADC完成。一、并聯(lián)比較型ADC包括分壓器、比較器、編碼器三部分：分壓器將輸入模擬量予以量化；再把得到的2N個(gè)量化電平與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較；再將比較結(jié)果進(jìn)行編碼，從而得到相應(yīng)的數(shù)字量。第16頁(yè)，共23頁(yè)，2023年，2月20日，星期三編碼器－＋＋∞－＋＋∞－＋＋∞－＋＋∞－＋＋∞－＋＋∞－＋＋∞RRRRRRREuxRABCDEFGD0D1D2數(shù)字輸出輸入電壓ux比較器輸入編碼器輸入ABCDEFGD2D1D0E>ux>7E/811111111117E/8>ux>6E/811111101106E/8>ux>5E/811111001015E/8>ux>4E/811110001004E/8>ux>3E/811100000113E/8>ux>2E/811000000102E/8>ux>E/81000000001E/8>ux>00000000000優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度快。缺點(diǎn)：需要的比較器數(shù)目多，位數(shù)越多此矛盾越突出。返回第17頁(yè)，共23頁(yè)，2023年，2月20日，星期三返回二、逐次逼近型ADC逐次逼近型模-數(shù)轉(zhuǎn)換器一般由順序脈沖發(fā)生器、逐次逼近寄存器、數(shù)-模轉(zhuǎn)換器和電壓比較器等幾部分組成。逐次逼近是由D/A轉(zhuǎn)換器從高位到低位逐位增加轉(zhuǎn)換位數(shù)，產(chǎn)生不同的已知電壓UA，把輸入電壓Ui逐次與這些已知電壓進(jìn)行比較而實(shí)現(xiàn)。順序脈沖發(fā)生器逐次逼近寄存器DAC電壓比較器輸入電壓Ui輸出數(shù)字量dUA基準(zhǔn)UR第18頁(yè)，共23頁(yè)，2023年，2月20日，星期三返回8g+4g8g+4g+2g8g+4g+1g8g8g<13g，12g<13g，14g>13g，13g＝13g，2341砝碼重比較判斷順序保留保留撤去保留

其工作原理可用天平秤重過(guò)程作比喻來(lái)說(shuō)明。若有四個(gè)砝碼共重15克，每個(gè)重量分別為8、4、2、1克。設(shè)待秤重量Wx=13克，可以用下表步驟來(lái)秤量：第19頁(yè)，共23頁(yè)，2023年，2月20日，星期三返回輸出為四位逐次逼近A／D轉(zhuǎn)換過(guò)程23411000UA<Ui6UA<Ui5.5留去留留4UA>Ui5UA

Ui“1”留否d3d2d1d0UA(V)順序比較判斷110010101011例、UR=8V，Ui=5.52V轉(zhuǎn)換數(shù)字量10114V+1V+0.5V=5.5V轉(zhuǎn)換誤差為–0.02V第20頁(yè)，共23頁(yè)，2023年，2月20日，星期三返回逐次逼近轉(zhuǎn)換過(guò)程1011清零t5.52第21頁(yè)，共23頁(yè)，2023年，2月20日，星期三返回1.分辨率以輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示分辨率。位數(shù)越多，誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高。3.轉(zhuǎn)換速度完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間，即從接到轉(zhuǎn)換控制信號(hào)起，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字量輸出所需要的時(shí)間。2.相