第9章 AD轉換與DA轉換

第9章A/D轉換與D/A轉換3學時A/D轉換與D/A轉換作業(yè) 9-1 9-4 9-6

9.1概述模擬信號在時間和數(shù)值上都是連續(xù)的，即對應于任意時間均有確定的電流或電壓值，并且其幅值是連續(xù)的，如正弦波信號就是典型的模擬信號，溫度、壓力和聲音等。數(shù)字信號在時間和數(shù)值上是離散的，或者說是不連續(xù)的。數(shù)字系統(tǒng)中信號的存儲方式都采用數(shù)字形式。通常需要將模擬信號轉換為數(shù)字信號，以送到數(shù)字系統(tǒng)加工處理；經過處理得到的數(shù)字信號也經常再被轉換成模擬信號，送回物理系統(tǒng)，對系統(tǒng)物理量進行調節(jié)和控制。數(shù)字-模擬接口電路中的根本概念模/數(shù)轉換〔ADC〕模擬信號到數(shù)字信號的轉換模/數(shù)轉換器〔ADC〕完成模/數(shù)轉換功能的電路數(shù)字-模擬接口電路中的根本概念數(shù)/模轉換〔DAC〕數(shù)字信號到模擬信號的轉換數(shù)/模轉換器〔DAC〕完成數(shù)/模轉換功能的電路9.2D/A轉換D/A轉換可以將輸入的一個n位的二進制數(shù)轉換成與之成比例的模擬量〔電壓或電流〕。D/A轉換器通常：由譯碼網絡、模擬開關、集成運放和基準電壓等局部組成。數(shù)字量輸入模擬開關譯碼網絡集成運放基準電壓模擬量輸出根據(jù)譯碼網絡的不同，D/A轉換器分為權電阻網絡型、T形電阻網絡型、倒T形電阻網絡型、權電流型、開關樹形和權電容網絡型等。以倒T形電阻網絡型為例介紹D/A轉換器的工作原理。倒T形電阻網絡D/A轉換器電路的組成由R-2R構成的倒T形電阻網絡、模擬開關Si〔i=03〕、集成運放A和基準電壓VREF組成模擬開關模擬開關又稱為模擬電子開關。在D/A轉換器中使用的模擬開關受輸入數(shù)字信號的控制。模擬開關分為CMOS型和雙極型兩類。CMOS型模擬開關轉換速度較低，轉換時間較長，但其功耗低。集成運算放大器集成運放的邏輯符號、簡化的集成運放低頻等效電路及其電壓傳輸特性。理想集成運放的主要參數(shù)為：1〕開環(huán)增益為無窮大，Aod=；2〕輸入電阻無窮大，Rid=；3〕輸出電阻為零，Ro=0。引入負反響時，集成運放工作在線性工作區(qū)。輸出電壓與輸入電壓成線性關系。線性區(qū)：凈輸入電壓近似為零，稱為“虛短〞；凈輸入電流也近似為零，稱為“虛斷〞。倒T形D/A轉換器的工作原理當輸入d3d2d1d0=1000時ABCDABCDRRRRII/2虛地點流向虛地點的總電流輸出電壓:n位倒T形電阻網絡D/A轉換器輸出電壓:集成D/A轉換器5G7520n=10位倒T形電阻網絡反響電阻R〔10k，Rf內〕已集成在芯片內部需要外接運算放大器；可外接反響電阻，也可使用內設反響電阻；可編程電阻網絡；參考電壓VREF保證足夠穩(wěn)定度才能確保轉換精度。假設反響電阻Rf與電阻R的關系為：Rf=mR那么輸出電壓假設采用內部集成的反響電阻，Rf=Rf內即m=1，那么權電流型D/A轉換器〔補充了解〕采用一組恒流源〔大小依次為前一個的1/2〕，減小模擬開關內阻和壓降的影響。DAC0806、DAC0807、DAC0808D/A轉換器的主要技術參數(shù)分辨率D/A轉換器所能分辨的最小輸出電壓VLSB與滿刻度輸出電壓Vm〔當輸入的數(shù)字代碼各位均為1時輸出的電壓值〕之比。VLSB是當輸入的數(shù)字代碼最低位為1，其余各位為0時對應的輸出電壓值，也被稱為輸出電壓增量。當Vm一定時，輸入數(shù)字代碼的位數(shù)n越多，分辨率數(shù)值越小，分辨能力越高。8位D/A轉換器的分辨率為10位D/A轉換器的分辨率為如果一個D/A轉換器的分辨率及滿刻度輸出電壓Vm，那么可計算出輸入最低位所對應的最小輸入電壓VLSB，即輸出電壓增量。例如：當Vm=10V，n=10時分辨率也經常直接用輸入數(shù)字代碼的位數(shù)n來表示。指輸出電壓或電流的實際值與理論值之間的誤差。一般來說，轉換精度應低于VLSB/2。轉換精度的影響因素主要有模擬開關導通的壓降、電阻網絡阻值差、參考電壓偏差和集成運放漂移等。轉換精度通常用非線性誤差的大小表示D/A轉換器的線性度。把偏離理想的輸入－輸出特性的偏差與滿刻度輸出之比的百分數(shù)定義為非線性誤差。線性度當輸入數(shù)字代碼變化時，輸出模擬電壓或電流到達穩(wěn)定輸出所需的時間，即為建立時間或穩(wěn)定時間，該參數(shù)一般由手冊給出。當轉換器的輸入由全為0變化為全為1或反向變化時，其輸出到達穩(wěn)定值所需的時間為最大轉換時間。轉換時間常用D/A轉換器及其參數(shù)產品型號工作電壓/V位數(shù)/bit建立時間/s輸出接口方式基準功耗/mWDAC5573IPW2.75.588電壓I2C外部提供500TLC5620CD5810電壓串行外部提供8TLC7524CN51580.1電流并行外部5TLV5623ID2.7~5.583電壓SPI外部2.1DAC900U3/5100.030電流并口內部/外部170DAC7731EC±15165電壓串行內部100DAC1220E52010000電壓SPI外部2.59.3A/D轉換A/D轉換可以將輸入的模擬量〔電壓或電流〕轉換為與之成比例的二進制代碼。A/D轉換一般要經過采樣、保持、量化及編碼4個過程。在實際電路中，有些過程可以進行合并，如采樣和保持、量化和編碼在轉換中一般同時實現(xiàn)。A/D轉換的一般步驟采樣：把一段時間內連續(xù)變化的信號變換為對時間離散的信號。為了使采樣輸出信號能不失真地代表輸入的模擬信號，對于一個頻率有限的模擬信號來說，可以由采樣定理確定其采樣頻率，即工程應用中，一般取

保持：把每次的采樣值存儲到下一個采樣脈沖到來之前。量化：把采樣后的電壓幅值轉化為最小量化單位的整數(shù)倍的過程。量化的方法有兩種，一種是只舍不入，另一種是有舍有入。取最小量化單位=Vm/2n，其中Vm為輸入模擬電壓的最大值，n為轉化輸出數(shù)字代碼的位數(shù)，將0之間的模擬電壓歸并為0，把2之間的模擬電壓歸并為1，依次類推。這種方法產生的最大量化誤差為。只舍不入法：取最小量化單位=

2Vm/(2n+1

?1)。將0(1/2)之間的模擬電壓歸并為0，把(1/2)(3/2)之間的模擬電壓歸并為1，依次類推。這種方法產生的最大量化誤差為/2。有舍有入法：例：把01V的模擬信號電壓轉換成3位二進制代碼。編碼：用數(shù)字代碼表示量化結果的過程。A/D轉換器的分類按模擬量的輸入方式可分為：單極性輸入和雙極性輸入按數(shù)字量輸出方式可分為：串行輸出和并行輸出按工作原理可以分成：直接A/D轉換器和間接A/D轉換器直接A/D轉換器不需要經過中間變量就能把輸入的模擬信號直接轉換為輸出的數(shù)字代碼。常用的電路有并聯(lián)比較型反響比較型間接A/D轉換器首先將輸入的模擬信號轉換成一個中間變量〔時間或頻率〕，然后再將中間變量轉換成數(shù)字量。常用電路有電壓時間變換〔V-T〕型-積分型電壓頻率變換〔V-F〕型A/D轉換器按工作原理的分類圖A/D轉換器直接型間接型并聯(lián)比較型反響比較型計數(shù)型逐次漸近型電壓時間變換〔V-T〕型-積分型電壓頻率變換〔V-F〕型逐次漸近型A/D轉換器又稱為逐次逼近型A/D轉換器，其轉換過程類似天平稱物體重量的過程。以一系列二進制碼的重量之和表示了被稱物體的重量。組成：存放器、D/A轉換器、電壓比較器、順序脈沖發(fā)生器及相應的控制電路。SARADC轉換開始前將存放器清零；轉換時，逐位改變存放器的數(shù)字代碼；將代碼經D/A轉換器轉換成模擬電壓vO；vO與輸入電壓vI進行比較,以判斷此數(shù)字位是否保存；逐位比較下去，直到最低位為止。3位逐次漸近型A/D轉換器的電路框圖設參考電壓VR=-5V，那么對應不同輸入DAC的輸出為：假設待轉換的模擬電壓vI=3.2V。工作前先將存放器清零，同時將環(huán)形計數(shù)器置成F1F2F3F4F5=00001。5V3.2V100001002.5V00第一個CP到來時5V3.2V010001103.75V10第二個CP到來時5V3.2V001001013.125V01第三個CP到來時5V3.2V000101013.125V0第四個CP到來時5V3.2V000011013.125V0第五個CP到來時101經過5個CP周期后，輸入的模擬電壓3.2V被轉換成數(shù)字信號101。逐次漸近型A/D轉換器優(yōu)點是精度高，轉換速度較快，由于它的轉換時間固定，簡化了與CPU間的同步，所以常常用作與CPU間的接口電路。雙積分型A/D轉換器通過兩次積分，先將模擬電壓vI轉換成與之大小相對應的時間T，再在時間間隔T內用計數(shù)頻率不變的計數(shù)器計數(shù)，計數(shù)器所計的數(shù)字量就正比于輸入模擬電壓。為間接A/D轉換。開關S積分器S過零電壓比較器C計數(shù)器模擬量輸入vI參考電壓vR數(shù)字量輸出工作原理開關S接至模擬電壓vI，積分器對其在T1內進行反向積分。積分結束時vO的絕對值與vI的大小成正比。第一次積分為采樣階段積分器對基準電壓-VR進行反向積分。積分器的輸出電壓開始上升，經時間T2后回到0，由于T2階段定斜率反向積分，所以T2與vI成正比。第二次積分為比較階段雙積分型A/D轉換器與逐次漸近型A/D轉換器相比，最大的優(yōu)點是它具有較強的抗干擾能力。由于雙積分型A/D轉換器采用了測量輸入電壓在采樣時間內的平均值的原理，因此對于周期等于T1或T1/n〔n=1，2，3，〕的對稱干擾，從理論上講具有無窮大的抑制能力。集成A/D轉換器AD574ACECSR/C12/8A0功能說明0XXXX不允許轉換X1XXX未接通芯片100X0啟動1次12位轉換（作12位轉換器）100X1啟動1次8位轉換（作8位轉換器）1011X1次輸出12位10100輸出高位字節(jié)10101輸出低位字節(jié)AD574A功能表AD574應用電路A/D轉換器的主要技術參數(shù)分辨率A/D轉換器所能分辨的模擬輸入信號的最小變化量。設A/D轉換器的位數(shù)為n，滿量程電壓為Vm，那么也可用百分比來表示分辨率，此時的分辨率稱為相對分辨率轉換時間是指按照規(guī)定的精度將模擬信號轉換為數(shù)字信號并輸出所需要的時間。一般用s或ms來表示。轉換速率是指能夠重復進行數(shù)據(jù)轉換的速度，即每秒轉換的次數(shù)。轉換精度A/D轉換器的轉換精度分為絕對精度和相對精度。絕對精度：對應于輸出數(shù)碼的實際模擬輸入電壓與理想模擬輸入電壓之差。絕對誤差包括增益誤差、偏移誤差、非線性誤差和量化誤差。相對精度：絕對精度與滿刻度電壓之比的百分數(shù)，即常用A/D轉換器及其參數(shù)芯片型號公司分辨率接口方式輸入通道數(shù)采樣速率差分輸入工作電壓基準電壓ADC084S051NS8SPI/QSPI/Microwire4500k否2.75.25內部AD9287ADI8LVDS,Ser4100M否1.8內部ADCS7477TI10SPI/QSPI/Microwire11000k否2.75.25內部MAX1308美信12μP/1284000否5內外ADC121S705NS12SPI/QSPI/Microwire11000k是5V外部MAX1069美信14I2C158k否5V內外DS2450美信161-wire41440k否5V內部ADS1250TI20SPI125K否5V外部ADS1258TI24SPI168125k是2.75.25外部8位逐次逼近型A/D轉換器，由一個8路模擬開關、一個地址鎖存譯碼器、一個A/D轉換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉換器進行轉換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉換完的數(shù)字量，當OE端為高電平時，才可