數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器

隨著數(shù)字電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是計算機在自動控制、自動檢測、電子信息處理及許多其他領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，用數(shù)字電路來處理模擬信號的方式更加普遍。完成D/A轉(zhuǎn)換的電路稱為D/A轉(zhuǎn)換器（DigitaltoAnalogConverter簡稱DAC）。完成A/D轉(zhuǎn)換的電路稱為A/D轉(zhuǎn)換器（AnalogtoDigitalConverter簡稱ADC）。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。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。目前一頁\總數(shù)五十一頁\編于七點●典型應(yīng)用系統(tǒng)之一——多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)目前二頁\總數(shù)五十一頁\編于七點●典型應(yīng)用系統(tǒng)之二

——聲音的存儲與回放系統(tǒng)目前三頁\總數(shù)五十一頁\編于七點一、D/A轉(zhuǎn)換器的基本概念數(shù)字信號模擬信號將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化成與其成正比的模擬信號。19-1D/A轉(zhuǎn)換器19.1.1D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理目前四頁\總數(shù)五十一頁\編于七點以三位DAC為例，設(shè)K=1，可得出vO和Dn的關(guān)系D2D1D0vO0000V0011V0102V0113V1004V1015V1106V1117V目前五頁\總數(shù)五十一頁\編于七點組成：

D/A轉(zhuǎn)換器由數(shù)碼寄存器、模擬電子開關(guān)電路、解碼網(wǎng)絡(luò)、求和電路、基準電壓幾部分構(gòu)成。

原理：對數(shù)字量的每位二進制代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字量成正比的總模擬量，從而實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換。數(shù)碼寄存器模擬

開關(guān)譯碼

網(wǎng)絡(luò)求和放大器Du基準電壓UREFDAC方框圖目前六頁\總數(shù)五十一頁\編于七點電阻網(wǎng)絡(luò)模擬電子開關(guān)求和放大器參考電壓19.1.2權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器目前七頁\總數(shù)五十一頁\編于七點集成運放通過RF接入負反饋，有虛短，V-≈V+=0取RF=R/2目前八頁\總數(shù)五十一頁\編于七點n位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，當反饋電阻取為R/2時，輸出電壓的計算公式：輸出電壓的變化范圍:優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，所用的電阻元件數(shù)很少。缺點：各電阻的阻值相差較大，不能保證有很高的精度。目前九頁\總數(shù)五十一頁\編于七點RF19.1.3倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器電阻網(wǎng)絡(luò)模擬電子開關(guān)目前十頁\總數(shù)五十一頁\編于七點圖中S0～S3為模擬開關(guān)，由輸入數(shù)碼Di控制，①當Di=1時，Si接運算放大器反相輸入端（虛地），電流Ii流入求和電路；②當Di=0時，Si將電阻2R接地。

所以，無論Si處于何種位置，與Si相連的2R電阻均接“地”（地或虛地），因此流經(jīng)2R電阻的電流與開關(guān)位置無關(guān)，為確定值。工作原理目前十一頁\總數(shù)五十一頁\編于七點等效電路：可算出，基準電流I=VREF/R輸出電壓：則流過各開關(guān)支路（從右到左）的電流分別為I/2、I/4、I/8、I/16。于是得總電流：取RF=R則：目前十二頁\總數(shù)五十一頁\編于七點n位輸入的倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，當反饋電阻取為R時，輸出電壓的計算公式：優(yōu)點：（1）只有R和2R兩種阻值的電阻，可達到較高的精度；（2）各支路電流恒定不變，在開關(guān)狀態(tài)變化時，不需電流建立時間，所以電路轉(zhuǎn)換速度高，使用廣泛。目前十三頁\總數(shù)五十一頁\編于七點常見DAC輸出公式歸納權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)取Rf＝R：目前十四頁\總數(shù)五十一頁\編于七點集成D/A轉(zhuǎn)換器CB7520為10位DACCB7520運算放大器的反饋電阻可使用CB7520內(nèi)設(shè)的R如上圖所示（16腳與1腳相連），也可另選反饋電阻接到IOUT1與VO之間。CB7520引腳排列圖CB7520需外接運放需外接基準電壓源目前十五頁\總數(shù)五十一頁\編于七點D/A轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例設(shè)集成D/A轉(zhuǎn)換器CB7520按圖聯(lián)接，且VREF=-10V，求輸出與輸入的關(guān)系。解：目前十六頁\總數(shù)五十一頁\編于七點CB7520D/A轉(zhuǎn)換器輸出與輸入的關(guān)系目前十七頁\總數(shù)五十一頁\編于七點19.1.5具有雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器接一偏置電流符號位求反目前十八頁\總數(shù)五十一頁\編于七點若選VB=VREF和RB=2R，則:

當UREF=－8v時，有補碼輸入對應(yīng)的十進制數(shù)要求的輸出電壓d2d1d0011010001000111110101100+3+2+10-1-2-3-4+3v+2v+1v0-1v-2v-3v-4v則可得左表目前十九頁\總數(shù)五十一頁\編于七點（1）分辨率：D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級數(shù)。在實際應(yīng)用中，常用數(shù)字量的位數(shù)表示D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率。即分辨率為2n。在分辨率為n位的D/A轉(zhuǎn)換器中，可以區(qū)分的模擬輸出的最小非零電壓值|VREF／2n|，能給出2n個不同等級的輸出模擬電壓。

（2）轉(zhuǎn)換誤差

D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換誤差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。19.1.6D/A轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)通常用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述。一、D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度目前二十頁\總數(shù)五十一頁\編于七點一般不包含運放的DAC建立時間可達0.1μs，包含了運放的建立時間可以達到1.5μs。二、D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度

當輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時，輸出的模擬量并不能立即達到所對應(yīng)的量值，而需要一段時間。用建立時間（tset）和轉(zhuǎn)換速率（SR）來描述轉(zhuǎn)換速度。目前二十一頁\總數(shù)五十一頁\編于七點例1、已知4位倒T型DAC，輸入數(shù)字量為1101，UREF=-8V，Rf=R，則輸出模擬量UO=?解：目前二十二頁\總數(shù)五十一頁\編于七點解：計數(shù)器狀態(tài)為0000時，模擬輸出為0；當狀態(tài)為0001時，D/A輸入數(shù)字量為0001000000，輸出為：編碼＋1遞增，所以模擬電平輸出也按0.625V遞增。例2、位D/A轉(zhuǎn)換器，VREF=-10V,畫輸出波形。目前二十三頁\總數(shù)五十一頁\編于七點0.625VCPtt0(V)1160目前二十四頁\總數(shù)五十一頁\編于七點

例3、波形產(chǎn)生電路如圖，圖中ROM的數(shù)據(jù)如表所示。對應(yīng)CP波形，畫出輸出vO的波形，并標出波形上各點的電壓值。目前二十五頁\總數(shù)五十一頁\編于七點解、由74161可得狀態(tài)為

查ROM表可得AD7533高4位數(shù)據(jù)為

0111，0001，0010，

0011，0100，0011。計算出vO值為3.5V、0.5V、1V、1.5V、2V、1.5V波形：目前二十六頁\總數(shù)五十一頁\編于七點19-2A／D轉(zhuǎn)換器0~5V00000000~11111111A/DUI輸入模擬電壓D7~D0輸出數(shù)字量目前二十七頁\總數(shù)五十一頁\編于七點19.2.1A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟

將連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號，通常的轉(zhuǎn)換過程為：采樣、保持、量化和編碼。目前二十八頁\總數(shù)五十一頁\編于七點Ot1.采樣－保持

采樣是對模擬信號進行周期性地抽取樣值的過程，就是把隨時間連續(xù)變化的信號轉(zhuǎn)換成在時間上斷續(xù)、在幅度上等于采樣時間內(nèi)模擬信號大小的一串脈沖。OtvI(t)OtS(t)vI(t)vo(t)目前二十九頁\總數(shù)五十一頁\編于七點①采樣定理：為了不失真地恢復(fù)原始信號，采樣頻率至少應(yīng)是原始信號最高有效頻率的兩倍采樣定理：fs≥2fi(max)輸入模擬信號的最高頻率分量的頻率采樣頻率目前三十頁\總數(shù)五十一頁\編于七點②采樣—保持電路電路組成及工作原理（要求電路中Av1Av2=1）t=t0時，S閉合，電容充電，vo=vI，t0～t1階段為取樣階段；t=t1時，S斷開，電容沒有放電回路，其兩端電壓保持vo不變，t1～

t2階段為保持階段。目前三十一頁\總數(shù)五十一頁\編于七點取樣保持目前三十二頁\總數(shù)五十一頁\編于七點量化——將采樣—保持后的信號幅值轉(zhuǎn)化成某個最小數(shù)量單位（量化單位）的整數(shù)倍。即單位數(shù)字量所代表的模擬量。

如量化單位用△表示，量化過程為：把采樣的模擬量除△，得：①整數(shù)部分，用二進制表示，即得轉(zhuǎn)換數(shù)字量。②余數(shù)部分，即量化誤差。誤差處理：四舍五入——誤差小。只舍不入——誤差大。量化單位越小→轉(zhuǎn)換位數(shù)越多→量化誤差越小。編碼——量化后的數(shù)值需要用一個代碼來表示，這一過程稱為編碼。2、量化與編碼目前三十三頁\總數(shù)五十一頁\編于七點例:試用三位二進制代碼對0～1V的電壓進行量化與編碼01/8V7/8V2/8V3/8V4/8V5/8V6/8V1V0△0001△0012△0103△0114△1005△1016△1107△111

Vi量化結(jié)果編碼結(jié)果①只舍不入（舍尾取整）

取量化單位

即取△=1/8V,量化誤差為△=1/8V目前三十四頁\總數(shù)五十一頁\編于七點即取△=2/15V,量化誤差為△/2=1/15V01/15V13/15V3/15V5/15V7/15V9/15V11/15V1V0△0001△0012△0103△0114△1005△1016△1107△111

Vi量化結(jié)果編碼結(jié)果如果取量化單位

②有舍有入（四舍五入）目前三十五頁\總數(shù)五十一頁\編于七點19.2.2A/D轉(zhuǎn)換器的分類工作原理：直接ADC：模擬信號→數(shù)字信號特點：速度快典型電路：并行比較型ADC、逐次比較型ADC間接ADC：模擬信號→中間信號→數(shù)字信號特點：速度慢典型電路：雙積分型ADC、電壓頻率轉(zhuǎn)換型ADC目前三十六頁\總數(shù)五十一頁\編于七點一、

并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器目前三十七頁\總數(shù)五十一頁\編于七點特點：速度快，但是隨著分辨率增加，元件數(shù)目急劇增加。不易于集成。目前三十八頁\總數(shù)五十一頁\編于七點逐次逼近型ADC的工作原理很像用天平稱重的過程

將輸入模擬信號與不同的參考電壓進行多次比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量在數(shù)值上逐次逼近輸入模擬量。二、反饋比較型逐次比較型A／D轉(zhuǎn)換器1．轉(zhuǎn)換原理：目前三十九頁\總數(shù)五十一頁\編于七點2、電路結(jié)構(gòu)目前四十頁\總數(shù)五十一頁\編于七點CPd3d2d1d0vO比較結(jié)果處理123410001100101010112.5V3.75V3.125V3.4375VvI＞vOvI＞vOvI＜vOvI＞vO（d3）1保留（d2）1不保留（d1）1保留（d0）1保留如：Vi=3.5V,D3D2D1Do=1011目前四十一頁\總數(shù)五十一頁\編于七點3．邏輯電路目前四十二頁\總數(shù)五十一頁\編于七點三.間接轉(zhuǎn)換型ADC

間接轉(zhuǎn)換型ADC實現(xiàn)基本原理直接轉(zhuǎn)換型ADC是直接進行輸入模擬電壓到輸出數(shù)字編碼的變換。

雙積分型ADC間接轉(zhuǎn)換型ADC是是通過電壓－時間變換或電壓－頻率變換，對變換后的時間或頻率進行計量，從而得到數(shù)字編碼量。對輸入模擬電壓進行積分，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時間間隔。再對已知參考電壓進行積分。積分時利用時鐘脈沖和計數(shù)器測出相應(yīng)時間間隔，進而得到相應(yīng)的數(shù)字量輸出。該ADC也稱為電壓－時間－數(shù)字式積分器。目前四十三頁\總數(shù)五十一頁\編于七點雙積分型ADC電路原理分析它由積分器、過零比較器（C）、時鐘脈沖控制門（G）和定時器、計數(shù)器（FF0～FFn）等幾部分組成目前四十四頁\總數(shù)五十一頁\編于七點（2）第一次積分階段工作原理：（1）準備階段計數(shù)器清零，積分電容放電，

vO=0Vt=0時，輸入電壓vI加到積分器的輸入端。積分器從0開始積分：由于vO<0V，過零比較器輸出vC=1，控制門G打開。計數(shù)器從0開始計數(shù)

經(jīng)過2n個時鐘脈沖后，觸發(fā)器FF0～FFn－1都翻轉(zhuǎn)到0態(tài)，而Qn=1，開關(guān)S1由A點轉(zhuǎn)到B點，第一次積分結(jié)束。第一次積分時間為：

t1=T1=2nTC

目前四十五頁\總數(shù)五十一頁\編于七點（3）第二次積分階段工作原理：當t=t1時，S1轉(zhuǎn)接到B點，基準電壓－VREF加到積分器的輸入端；積分器開始反向積分同時，N級計數(shù)器又從0開始計數(shù)當t=t2時，積分器輸出電壓vO>0V，比較器輸出vC=0，控制門G被關(guān)閉，計數(shù)停止。目前四十六頁\總數(shù)五十一頁\編于七點在T2結(jié)束時vO的表達式可寫為：設(shè)T2=t2－t1，于是有：設(shè)在此期間計數(shù)器所累計的時鐘脈沖個數(shù)為D，則：T2與VI成正比，T2就是雙積分A/D轉(zhuǎn)換過程的中間變量

計數(shù)器中所計得的數(shù)D（D=Qn-1…Q1