第-章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器優(yōu)秀文檔

概述第8章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器

本章小結(jié)A/D轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器

8.1概述

主要要求：

理解數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的概念和作用。

一、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換的概念和作用數(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。實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路稱數(shù)模轉(zhuǎn)換器

Digital-AnalogConverter，簡(jiǎn)稱

D/A轉(zhuǎn)換器或DAC。

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。

實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路稱模數(shù)轉(zhuǎn)換器

Analog-DigitalConverter，簡(jiǎn)稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC。

模擬量數(shù)字量模擬量數(shù)字量傳感器被控對(duì)象

自然界物理量為何要進(jìn)行數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換？二、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例數(shù)字信號(hào)物理量模擬信號(hào)壓力傳感器溫度傳感器流量傳感器四路模擬開關(guān)數(shù)字控制計(jì)算機(jī)DAC模擬控制器模擬控制器液位傳感器DACDAC…………模擬控制器模擬控制器生產(chǎn)控制對(duì)象

DACADC二、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例主要要求：

了解數(shù)模轉(zhuǎn)換的基本原理。

了解常用D/A轉(zhuǎn)換器的類型和主要參數(shù)。了解R

-2R倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的電路與工作原理。8.2D/A轉(zhuǎn)換器一、數(shù)模轉(zhuǎn)換的基本原理

輸出模擬電壓

uO=

D△=(Dn-12n-1+Dn-22n-2++D121+D020)△可見，uO∝

D，uO的大小反映了數(shù)字量

D

的大小。DACD0D1Dn-2Dn-1…uOn位二進(jìn)制數(shù)輸入模擬電壓輸出一、數(shù)模轉(zhuǎn)換的基本原理LSB—LeastSignificantBit

輸入數(shù)字量D=(Dn-1

Dn-2

D1

D0)2

=Dn-12n-1+Dn-22n-2++D121+D020

△是DAC能輸出的最小電壓值，稱為DAC的單位量化電壓，它等于D最低位(LSB)為1、其余各位均為0時(shí)的模擬輸出電壓(用ULSB表示)。S0++-△∞uOS1S2S3D3D2D1D0iΣRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI301111000RRR(一)

電路組成與轉(zhuǎn)換原理二、R

-2R

倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC

由倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)和一個(gè)電流電壓轉(zhuǎn)換電路(簡(jiǎn)稱I/U轉(zhuǎn)換電路)組成。模擬開關(guān)Si

打向“1”側(cè)時(shí)，相應(yīng)2R支路接虛地；打向“0”側(cè)時(shí)，相應(yīng)2R支路接地。故無論開關(guān)打向哪一側(cè)，倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)均可等效為下圖：II3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI3RRRABC從A、B、C節(jié)點(diǎn)向左看去，各節(jié)點(diǎn)對(duì)地的等效電阻均為2R。因此，I=VREFRI3=I2=23()，I24I2

=I32=22

()，I24=I4I1

=I22=21

()，I24=I8I0

=I12=20

()I24=I16可見，支路電流值Ii正好代表了二進(jìn)制數(shù)位Di

的權(quán)值2i。即I3=23

I0，I2=22

I0，I1=21

I0，I0=20

I0

模擬開關(guān)Si

受相應(yīng)數(shù)字位Di

控制。當(dāng)Di=1時(shí)，開關(guān)合向“1”側(cè)，相應(yīng)支路電流Ii輸出；Di=0時(shí)，開關(guān)合向“0”側(cè)，Ii

流入地而不能輸出。S0++-△∞uOS1S2S3D3D2D1D0iΣRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI301111000RRRu0=-

iΣRF=-

D

I0RF=-

D

·

iΣ

=

D3I3+

D2I2+

D1I1+

D0I0

=

(

D323+

D222+

D121+

D020)

I0=

D

I0對(duì)n

位

DAC，uO=

-

D

·

若取RF=R，則uO=

-

D

·

n位DAC將參考電壓VREF分成2n份，uO是每份的D倍。調(diào)節(jié)VREF可調(diào)節(jié)DAC的輸出電壓。uO=

-

D

·

三、常用DAC的類型和主要參數(shù)

(一)常用DAC的類型

常用DAC主要有權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC、R-2RT形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC、R-2R倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC和權(quán)電流網(wǎng)絡(luò)DAC。其中，后兩者轉(zhuǎn)換速度快，性能好，因而被廣泛采用，權(quán)電流網(wǎng)絡(luò)DAC轉(zhuǎn)換精度高，性能最佳。

(二)主要參數(shù)1.分辨率DAC的最小輸出電壓變化量，也即DAC的最小輸出電壓值表示滿度輸出電壓值，F(xiàn)SR即FullScaleRange指D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出所能產(chǎn)生的最小電壓變化量與滿刻度輸出電壓之比。

UFSR=uO|D=111=(2n–1)ULSBn位均為1例如，一個(gè)10位的DAC，分辨率為0.000978。DAC的位數(shù)越多，分辨率值就越小，能分辨的最小輸出電壓值也越小。要獲得較高精度的D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果，除了正確選用DAC的位數(shù)外，還要選用低漂移高精度的求和運(yùn)算放大器。

3.

轉(zhuǎn)換時(shí)間指DAC在輸入數(shù)字信號(hào)開始轉(zhuǎn)換，到輸出的模擬信號(hào)達(dá)到穩(wěn)定值所需的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間越小，轉(zhuǎn)換速度就越高。2.

轉(zhuǎn)換精度

指DAC實(shí)際輸出模擬電壓與理想輸出模擬電壓間的最大誤差。它是一個(gè)綜合指標(biāo)，不僅與DAC中元件參數(shù)的精度有關(guān)，而且與環(huán)境溫度、求和運(yùn)算放大器的溫度漂移以及轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有關(guān)。

通常要求DAC的誤差小于ULSB/2。對(duì)信號(hào)進(jìn)行量化會(huì)引起誤差嗎？量化誤差大小與ADC的位數(shù)、當(dāng)Di=1時(shí)，開關(guān)合向“1”側(cè)，相應(yīng)支路電流Ii輸出；指D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出所能產(chǎn)生的最小電壓變化量與滿刻度輸出電壓之比。一、數(shù)模轉(zhuǎn)換的基本原理△是DAC能輸出的最小電壓值，稱為DAC的單位量化電壓，它等于D最低位(LSB)為1、其余各位均為0時(shí)的模擬輸出電壓(用ULSB表示)。A/D轉(zhuǎn)換是將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換為與之成正比的數(shù)字量。n位二進(jìn)制數(shù)輸出

D=Dn-1Dn-2D1D0中最高頻率的兩倍時(shí)，采樣信號(hào)可以相對(duì)精度(又稱轉(zhuǎn)換誤差)[例]右圖為集成DAC簡(jiǎn)介可見，支路電流值Ii正好代表了二進(jìn)制數(shù)位Di的權(quán)值2i。四、集成DAC應(yīng)用舉例四、集成DAC應(yīng)用舉例1.集成DAC簡(jiǎn)介常用集成DAC有兩類：一類內(nèi)部?jī)H含有電阻網(wǎng)絡(luò)和電子模擬開關(guān)兩部分，常用于一般的電子電路。另一類內(nèi)部除含有電阻網(wǎng)絡(luò)和電子模擬開關(guān)外，還帶有數(shù)據(jù)鎖存器，并具有片選控制和數(shù)據(jù)輸入控制端，便于和微處理器進(jìn)行連接，多用于微機(jī)控制系統(tǒng)中。2.8位CMOS集成D/A轉(zhuǎn)換器CDA7524簡(jiǎn)介數(shù)據(jù)鎖存器20k20k20k20k20kΩ……10k10k10k10k…VDDVREF151213CSWR45611D7

(MSB)D6D5D0

(LSB)S0S1S2S7OUT112316iΣRFBOUT2GND基準(zhǔn)電壓輸入端

VREF可正可負(fù)

片選控制端

電源電壓范圍+5V~+15V

8位數(shù)據(jù)輸入端，其電平與TTL電平兼容。MSB表示最高位，LSB表示最低位。接地端

內(nèi)部反饋電阻RF的引出端

兩個(gè)輸出端，一般將OUT2接地，OUT1接運(yùn)放反向端。

寫信號(hào)控制端

[例]右圖為CDA7524的單極性輸出應(yīng)用電路。圖中電位器R1用于調(diào)整運(yùn)放增益，電容

C用以消除運(yùn)放的自激。已知ULSB=VREF/256，試求滿度輸出電壓及滿度輸出時(shí)所需的輸入信號(hào)。CDA752445789106111213D7D6D4D3D2D1D5D0CS314VDD151612VREF=

10V++-△∞OUT1OUT2uOC2kR2R11k15pFWR解：當(dāng)

D7D6D5D4D3D2D1D0=

11111111

時(shí)，輸出為滿度值。uO=-

UFSR

-9.961V。主要要求：了解模數(shù)轉(zhuǎn)換的基本原理。了解A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)。了解常用A/D轉(zhuǎn)換器。8.3A/D轉(zhuǎn)換器

一、A/D轉(zhuǎn)換的基本原理和一般步驟

“[]”表示取整。基本原理ADCD0D1Dn-2Dn-1…uI模擬輸入信號(hào)n位二進(jìn)制數(shù)輸出

D=Dn-1

Dn-2

D1

D0可見，輸出數(shù)字量D正比于輸入模擬量uI?！鞣Q為ADC的單位量化電壓或量化單位，它是ADC的最小分辨電壓。采樣：把時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)變換為時(shí)間離散的信號(hào)。

保持：保持采樣信號(hào)，使有充分時(shí)間轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

量化：把采樣保持電路的輸出信號(hào)用單位量化電壓的

整數(shù)倍表示。

編碼：把量化的結(jié)果用二進(jìn)制代碼表示。A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟uI(t)C量化編碼電路Dn-1D1D0…uI(t)S采樣保持電路輸入模擬量輸出數(shù)字量采樣信號(hào)是否會(huì)丟失原信號(hào)的信息呢？對(duì)信號(hào)進(jìn)行量化會(huì)引起誤差嗎？量化誤差大小與ADC的位數(shù)、基準(zhǔn)電壓VREF和量化方法有關(guān)。

采樣定理：當(dāng)采樣頻率不小于輸入模擬信號(hào)頻譜中最高頻率的兩倍時(shí)，采樣信號(hào)可以不失真地恢復(fù)為原模擬信號(hào)。

量化誤差：因模擬電壓不一定能被ULSB整除，量化時(shí)舍去余數(shù)而引起的誤差。

劃分量化電平的兩種方法最大量化誤差==(1/8)V最大量化誤差

=/2=(1/15)V1=1/8V4=4/8V0(6/8)V(7/8)V000001010011100101110111模擬電平二進(jìn)制代碼代表的模擬電平0=0V2=2/8V3=3/8V5=5/8V6=6/8V7=7/8V(5/8)V(4/8)V(3/8)V(2/8)V(1/8)V(8/8)V模擬電平二進(jìn)制代碼代表的模擬電平0=0V1=2/15V2=4/15V3=6/15V4=8/15V5=10/15V6=12/15V7=14/15V(13/15)V0000001010011100101110111(11/15)V(15/15)V(9/15)V(3/15)V(7/15)V(1/15)V(5/15)VVREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型ADC

0000000000uI電阻構(gòu)成分壓器VREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型ADC

0000001001uI常用集成DAC有兩類：一類內(nèi)部?jī)H含有電阻網(wǎng)絡(luò)和電子模擬開關(guān)兩部分，常用于一般的電子電路。最大量化誤差

=/2=(1/15)V故無論開關(guān)打向哪一側(cè)，倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)均可等效為下圖：另一類內(nèi)部除含有電阻網(wǎng)絡(luò)和電子模擬開關(guān)外，還帶有數(shù)據(jù)鎖存器，并具有片選控制和數(shù)據(jù)輸入控制端，便于和微處理器進(jìn)行連接，多用于微機(jī)控制系統(tǒng)中。LSB—LeastSignificantBit基準(zhǔn)電壓輸入端

VREF可正可負(fù)相對(duì)精度(又稱轉(zhuǎn)換誤差)MSB表示最高位，LSB表示最低位。要獲得較高精度的D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果，除了正確選用DAC的位數(shù)外，還要選用低漂移高精度的求和運(yùn)算放大器。n位二進(jìn)制數(shù)輸出

D=Dn-1Dn-2D1D0對(duì)信號(hào)進(jìn)行量化會(huì)引起誤差嗎？和權(quán)電流網(wǎng)絡(luò)DAC。量化：把采樣保持電路的輸出信號(hào)用單位量化電壓的

整數(shù)倍表示。逐次逼近型也屬于直接轉(zhuǎn)換型，其速度較快、精度較高、價(jià)格適中，因而被廣泛采用。5=10/15V例如，一個(gè)10位的DAC，分辨率為0.不失真地恢復(fù)為原模擬信號(hào)。VREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型ADC0000011010uIVREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型ADC0000111011uIVREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型ADC0001111100uIVREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型ADC0011111101uIVREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型ADC0111111110uIVREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型ADC1111111111uI三、常用ADC的類型和主要參數(shù)

(一)常用ADC的類型常用ADC主要有并聯(lián)比較型、雙積分型和逐次逼近型。其中，并聯(lián)比較型ADC轉(zhuǎn)換速度最快，但價(jià)格貴；雙積分型ADC精度高、抗干擾能力強(qiáng)，但速度慢；逐次逼近型速度較快、精度較高、價(jià)格適中，因而被廣泛采用。2D/A轉(zhuǎn)換器Di=0時(shí)，開關(guān)合向“0”側(cè)，Ii流入地而不能輸出。例如，一個(gè)10位的DAC，分辨率為0.其中，并聯(lián)比較型ADC轉(zhuǎn)換速度最快，但3A/D轉(zhuǎn)換器之間的最大誤差不超過1/2LSB。iΣ=D3I3+D2I2+D1I1+D0I0

=(D323+D222+D121+D020)I0=DI0這樣才能不失真地恢復(fù)出原模擬信號(hào)。另一類內(nèi)部除含有電阻網(wǎng)絡(luò)和電子模擬開關(guān)外，還帶有數(shù)據(jù)鎖存器，并具有片選控制和數(shù)據(jù)輸入控制端，便于和微處理器進(jìn)行連接，多用于微機(jī)控制系統(tǒng)中。采樣：把時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)變換為時(shí)間離散的信號(hào)。在對(duì)模擬信號(hào)采樣時(shí)，必須滿足采樣定理：采樣脈沖的頻率fS必須大于輸入模擬信號(hào)最高頻率分量的2倍。8位CMOS集成D/A轉(zhuǎn)換器CDA7524簡(jiǎn)介Analog-DigitalConverter，簡(jiǎn)稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC。它是一個(gè)綜合指標(biāo)，不僅與DAC中元件參數(shù)的精度有關(guān)，而且與環(huán)境溫度、求和運(yùn)算放大器的溫度漂移以及轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有關(guān)。最大量化誤差==(1/8)Vn位二進(jìn)制數(shù)輸出

D=Dn-1Dn-2D1D0指ADC實(shí)際輸出數(shù)字量與理想輸出數(shù)字量之間的最大差值。通常用最低有效位LSB的倍數(shù)來表示。

(二)主要參數(shù)2.相對(duì)精度(又稱轉(zhuǎn)換誤差)

指ADC輸出數(shù)字量的最低位變化一個(gè)數(shù)碼時(shí)，對(duì)應(yīng)輸入模擬量的變化量。

1.分辨率例如最大輸出電壓為5V的8位ADC的分辨率為：

5V/28=19.6mA