第章數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換

第8章數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換第8章數(shù)摸轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換8.1概述8.2數(shù)／模轉(zhuǎn)換電路(DAC)8.3模／數(shù)轉(zhuǎn)換電路（ADC）本章小結(jié)第8章數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換8.1概述隨著數(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A/D轉(zhuǎn)換的電路稱為A/D轉(zhuǎn)換器（簡稱ADC），ADC的轉(zhuǎn)換過程稱為編碼。完成D/A轉(zhuǎn)換的電路稱為D/A轉(zhuǎn)換器（簡稱DAC），DAC的轉(zhuǎn)換過程稱為解碼。例如，用計算機對粉狀貨物（例如水泥、面粉）和顆粒狀貨物進(jìn)行稱重包裝系統(tǒng)（如圖8.1所示）。稱重傳感器小信號放大器A/D微處理器CPUD/A放大驅(qū)動料門開關(guān)驅(qū)動顯示mgΔU模擬量數(shù)字量數(shù)字量模擬量第8章數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換一、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器按結(jié)構(gòu)劃分，ADC和DAC可分為三大類：第一類是單片集成的，它是ADC和DAC產(chǎn)品的主流。這一類產(chǎn)品的特點是：通用性強，已形成系列化，可靠性高，成本也較低，但單片式ADC和DAC器件頻帶寬度有限制，影響轉(zhuǎn)換速度和精度，能達(dá)到16位精度的水平也就不錯了。第二類是混合集成式的，它可以根據(jù)轉(zhuǎn)換精度和速度的要求，在集成芯片外的陶瓷基片上制造與之匹配的電阻網(wǎng)絡(luò)，使得混合式集成芯片在轉(zhuǎn)換精度和速度上大大優(yōu)于單片式芯片。

第三類是模塊結(jié)構(gòu)式的，這一類轉(zhuǎn)換器實際上是一個功能完整的最小數(shù)字系統(tǒng)。第8章數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換8.2數(shù)／模轉(zhuǎn)換電路(DAC)數(shù)／模轉(zhuǎn)換器(即DAC)是數(shù)字系統(tǒng)和模擬系統(tǒng)的接口，它將輸入的二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬電壓輸出。數(shù)／模轉(zhuǎn)換有多種方法，如權(quán)電流法、權(quán)電阻法、T型R－2R網(wǎng)絡(luò)法等。一、權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D／A轉(zhuǎn)換電路1.電路組成4位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D／A轉(zhuǎn)換電路如圖所示。它由求和運算放大器、基準(zhǔn)電壓UREF、權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)和電子模擬開關(guān)S0～S3等四部分組成。4位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D／A轉(zhuǎn)換器UREF第8章數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換2.工作原理

在圖4位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D／A轉(zhuǎn)換中，當(dāng)電子開關(guān)S0～S3都接1端時，流入求和運算放大器反相輸入端A的總電流為：Di∈(0，1)又由于，于是運算放大器的輸出電壓u0為：第8章數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換對于n位權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換器，則有權(quán)電阻D／A轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點是：電路簡單，轉(zhuǎn)換速度比較快。權(quán)電阻D／A轉(zhuǎn)換器的缺點是：各個電阻的阻值相差很大，而且隨著輸入二進(jìn)制代碼位數(shù)的增多，電阻的差值也隨之增加，難以保證電阻阻值精度的要求，這既不利用電路的集成化，又給電路的轉(zhuǎn)換精度帶來嚴(yán)重的影響。第8章數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換二、R－2R倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D／A轉(zhuǎn)換電路1.電路組成4位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D／A轉(zhuǎn)換電路，如圖8.6所示。它由求和運算放大器，基準(zhǔn)電URET，R－2R倒和形電阻網(wǎng)絡(luò)和電子模擬開關(guān)S0～S3等四部分組成。UREF第8章數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換2.工作原理四位倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)的等效電路如圖所示。四位倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)的等效電路第8章數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換從數(shù)字量高位D3至低位D0的電流分別為因此，流入求和運算放大器的輸入電流分別為：所以，運算放大器原輸出電壓u0為：對于n位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D／A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓u0為：第8章數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換三、權(quán)電流型D／A轉(zhuǎn)換電路權(quán)電流型D／A轉(zhuǎn)換電路原理圖

由于運算放大器的輸入阻抗多數(shù)情況下可以近似認(rèn)為無窮大，所以流過RF的電流近似等于。由圖得：

==第8章數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換8.3模／數(shù)轉(zhuǎn)換電路（ADC）模／數(shù)轉(zhuǎn)換電路的作用是將輸入連續(xù)變化的模擬信號變換為與其成正比的數(shù)字量信號輸出。在進(jìn)行模／數(shù)(即A／D)轉(zhuǎn)換時，通常按取樣、保持、量化、編碼四個步驟進(jìn)行。一、ADC的基本過程1.所謂取樣，就是對模擬信號ui(t)進(jìn)行周期性抽取樣值的過程。2.量化與編碼所謂量化，就是用數(shù)字信號的最低位1(LSB)所對應(yīng)的模擬電壓作為量化單位，用表示，將樣值電壓變換為量化單位()電壓整數(shù)倍的過程。量化后的離散量用相應(yīng)的二進(jìn)制碼表示，稱作編碼。第8章數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換A／D轉(zhuǎn)換器的種類很多，按其工作原理不同來劃分，可分為直接A／D轉(zhuǎn)換器和間接A／D轉(zhuǎn)換器兩大類型。直接A／D轉(zhuǎn)換器具有較快的轉(zhuǎn)換速度，典型電路有并行比較型A／D轉(zhuǎn)換器，逐次比較型A／D轉(zhuǎn)換器。間接A／D轉(zhuǎn)換器由于要先將模擬信號轉(zhuǎn)換成時間或頻率，再將時間或頻率轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出，所以轉(zhuǎn)換速度慢。雙積分型A／D轉(zhuǎn)換器、電壓／頻率轉(zhuǎn)換型A／D轉(zhuǎn)換器、計數(shù)式A／D轉(zhuǎn)換器都屬于間接A／D轉(zhuǎn)換器。二、并行比較型A／D轉(zhuǎn)換器并行比較型A／D轉(zhuǎn)換器的主要優(yōu)點是轉(zhuǎn)換速度快，只要進(jìn)行一次比較就能得出結(jié)果。它的缺點是電路比較復(fù)雜，成本高。第8章數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換1.電路組成如圖所示，并行比較型A／D轉(zhuǎn)換器由電阻分壓器、電壓比較器、寄存器和優(yōu)先編碼器四部分組成。第8章數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換2.并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的真值表并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的真值表第8章數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換三、逐次比較型A／D轉(zhuǎn)換器1．轉(zhuǎn)換原理：第8章數(shù)模旅轉(zhuǎn)換爐和模秧數(shù)轉(zhuǎn)蔑換2．逼邏輯沒電路第8章數(shù)模兆轉(zhuǎn)換取和模筍數(shù)轉(zhuǎn)幸換四、叉雙積儀分型A/持D轉(zhuǎn)換嘗器它由拉積分險器、紀(jì)過零個比較合器（C）、賭時鐘把脈沖洲控制院門（G）和唉定時符器、王計數(shù)拿器（FF界0～FF橋n）等降幾部鴿分組嶺成。第8章數(shù)模波轉(zhuǎn)換桐和模邊數(shù)轉(zhuǎn)劣換工作剝原理鹽：（1）準(zhǔn)被備階忌段計誼數(shù)器模清零私，積熱分電威容放遣電，vO=0紅V。（2）第木一次宇積分月階段t=畝0時，淘開關(guān)S1與A端接通亭，輸命入電釀壓vI加到積分出器的賀輸入丘端。騙積分器從0開始混積分圍：第8章數(shù)模喚轉(zhuǎn)換好和模巨數(shù)轉(zhuǎn)屆換由于vO<0榆V，過娘零比漁較器待輸出vC=1，控水制門G打開晴。計續(xù)數(shù)器驕從0開始鋤計數(shù)畜。經(jīng)過2n個時英鐘脈嗎沖后盜，觸同發(fā)器FF織0～FF叛n－1都翻丙轉(zhuǎn)到0態(tài)，朽而Qn=1，開伙關(guān)S1由A點轉(zhuǎn)鳥到B點，陪第一墨次積危分結(jié)伏束。盲第一遙次積螞分時皂間為騰：t=茂T1架=2歉nT保C第一腔次積吵分結(jié)漏束時辜，積煌分器巨的輸催出電斜壓VP為：（3）第框二次飯積分宣階段當(dāng)t=榜t1時，S1轉(zhuǎn)接唐到B點，譽基準(zhǔn)臺電壓賽－VR鄉(xiāng)豐EF加到狂積分刻器的惠輸入寄端；良積分若器開始列向相光反進(jìn)叔行第稠二次域積分俯。當(dāng)t=尼t(yī)2時，耗積分奪器輸每出電型壓vO>0糊V，比丹較器凝輸出vC=0，控壟制門G被關(guān)亮閉，真計數(shù)蒼停止牌。第8章數(shù)模攪轉(zhuǎn)換牽和模蓮數(shù)轉(zhuǎn)睜換在此派階段溉結(jié)束萬時vO的表允達(dá)式?jīng)r可寫欣為：設(shè)T2剩=t餓2－t1，于星是有救：設(shè)在深此期獨間計雨數(shù)器妹所累軍計的亮?xí)r鐘僵脈沖的個數(shù)論為λ，則挨：T2=λ茫TC可見挑，T2與VI成正兆比，T2就是戲雙積筍分A/剖D轉(zhuǎn)換顯過程加的中絕間變隱量。上式切表明憤，計狹數(shù)器緣瑞中所腰計得喬的數(shù)λ（λ=Qn-1窄…Q惡1Q踩0），召與在庸取樣胳時間T1內(nèi)輸矛入電壺壓的浙平均祥值VI成正筒比。槽只要VI哨<V即RE魂F，轉(zhuǎn)霉換器擁就能賭將輸往入電珠壓轉(zhuǎn)防換為玩數(shù)字變量。第8章數(shù)模疏轉(zhuǎn)換傅和模絲式數(shù)轉(zhuǎn)埋換本蹦章混小止結(jié)在許辱多計捷算機咱測控達(dá)系統(tǒng)腫中，草系統(tǒng)德所能脂達(dá)到擾的精東度和島速度悼最終扶是由A/喬D和D/稍A轉(zhuǎn)換扎器的猛轉(zhuǎn)換弄速度料和轉(zhuǎn)渴換精為度所澡決定吃的。鑒因此食，轉(zhuǎn)慰換精魔度和產(chǎn)轉(zhuǎn)換遇速度放是A/騾D和D/扎A轉(zhuǎn)換投器的博兩個寒重要抱指標(biāo)寫。D/膊A轉(zhuǎn)換伴器功黃能是趴將輸默入的按二進(jìn)韻制數(shù)醋字信師號轉(zhuǎn)林換成俱與之漢正比艙的模扶擬電諸壓。程常用社的D/卡A轉(zhuǎn)換叔器有襖權(quán)電近阻網(wǎng)司絡(luò)、R-亭2R倒T形和動權(quán)電壇流型D/鋤A轉(zhuǎn)換哲器。R-輪2R倒T形電胸阻網(wǎng)部絡(luò)D/鑒A轉(zhuǎn)換拔器所課需的斜電阻園種類沉少，愛轉(zhuǎn)換我速度做快，冬但轉(zhuǎn)長換精青度低咸。權(quán)雕電流路網(wǎng)絡(luò)D/敵A轉(zhuǎn)換昏器轉(zhuǎn)提換速仆度和姨轉(zhuǎn)換腸精度氧都比顆較高錢。A/獅D轉(zhuǎn)換用要經(jīng)妹過取亡樣、蠅保持銀、量戲化和串編碼接四個窮步驟怠實現(xiàn)架。前它兩個悼步驟凈在取串樣－垮保持牧電路侄中完易成，擔(dān)后兩梨?zhèn)€步作驟在A/凍D轉(zhuǎn)換鼠器中饅完成食。對疾模擬爪信號鉤進(jìn)行悲取樣盜時，騰必須往滿足羞低通濾信號吵的取動樣定吊理，倉取樣差脈沖閱的頻鳴率fs≥2協(xié)fi櫻(m從ax擾),即在多模擬充信號噴的一尺個周諒期內(nèi)碌至少饅取樣2次，尼這樣編才能被做到囑不失霞真地敢恢復(fù)咽原來織的模棋擬信咽號。A/螞D轉(zhuǎn)換羽器的醒功能愈是將尤輸入宿的模錯擬電那壓轉(zhuǎn)瀉換成基下之振成正炒比的席二進(jìn)站制數(shù)務(wù)字信索號。A/屬D轉(zhuǎn)換菌分為果直接求轉(zhuǎn)換尸和間扛接轉(zhuǎn)奪換兩腥種類誘型。突直接菜轉(zhuǎn)換姐速度左快，買如并聚聯(lián)比熄較型A/域D轉(zhuǎn)換扔器，較通常反用于層高速縫轉(zhuǎn)換若場合嫌。間滑接轉(zhuǎn)享換速膀度慢殺，如則雙積住分型A/倦D轉(zhuǎn)換倍器，叛但其港性能跨穩(wěn)定經(jīng)，轉(zhuǎn)糟換精局度高推，抗煉干擾懶能力氧強，筑目前碼使用夕較多葵。逐你次比砌較型A/葵D轉(zhuǎn)換鉤器，屆屬于愧直接抓轉(zhuǎn)換喘型，寬但要槐經(jīng)過喉多次灘反復(fù)場饋比獎較，問其轉(zhuǎn)耐換速雹度比香并聯(lián)謀比較及型慢洞，但貪比雙芽積分刻型要繞快，爪屬于不中速A/隸D轉(zhuǎn)換栗器，循在集往成A/姻D轉(zhuǎn)換惠器中鋒用得及最多家。由于票微電求子技罰術(shù)的英高速底發(fā)展蝴，集道成A/溝D和D/委A得到