第9章 AD轉(zhuǎn)換與DA轉(zhuǎn)換

第9章A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換3學(xué)時(shí)A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換作業(yè) 9-1 9-4 9-6

9.1概述模擬信號在時(shí)間和數(shù)值上都是連續(xù)的，即對應(yīng)于任意時(shí)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(shí)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(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以送到數(shù)字系統(tǒng)加工處理；經(jīng)過處理得到的數(shù)字信號也經(jīng)常再被轉(zhuǎn)換成模擬信號，送回物理系統(tǒng)，對系統(tǒng)物理量進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。數(shù)字-模擬接口電路中的根本概念模/數(shù)轉(zhuǎn)換〔ADC〕模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換模/數(shù)轉(zhuǎn)換器〔ADC〕完成模/數(shù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換〔DAC〕數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)換數(shù)/模轉(zhuǎn)換器〔DAC〕完成數(shù)/模轉(zhuǎn)換功能的電路9.2D/A轉(zhuǎn)換D/A轉(zhuǎn)換可以將輸入的一個(gè)n位的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成與之成比例的模擬量〔電壓或電流〕。D/A轉(zhuǎn)換器通常：由譯碼網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)、集成運(yùn)放和基準(zhǔn)電壓等局部組成。數(shù)字量輸入模擬開關(guān)譯碼網(wǎng)絡(luò)集成運(yùn)放基準(zhǔn)電壓模擬量輸出根據(jù)譯碼網(wǎng)絡(luò)的不同，D/A轉(zhuǎn)換器分為權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型、T形電阻網(wǎng)絡(luò)型、倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)型、權(quán)電流型、開關(guān)樹形和權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)型等。以倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)型為例介紹D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理。倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器電路的組成由R-2R構(gòu)成的倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)Si〔i=03〕、集成運(yùn)放A和基準(zhǔn)電壓VREF組成模擬開關(guān)模擬開關(guān)又稱為模擬電子開關(guān)。在D/A轉(zhuǎn)換器中使用的模擬開關(guān)受輸入數(shù)字信號的控制。模擬開關(guān)分為CMOS型和雙極型兩類。CMOS型模擬開關(guān)轉(zhuǎn)換速度較低，轉(zhuǎn)換時(shí)間較長，但其功耗低。集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)放的邏輯符號、簡化的集成運(yùn)放低頻等效電路及其電壓傳輸特性。理想集成運(yùn)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(fù)反響時(shí)，集成運(yùn)放工作在線性工作區(qū)。輸出電壓與輸入電壓成線性關(guān)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(zhuǎn)換器的工作原理當(dāng)輸入d3d2d1d0=1000時(shí)ABCDABCDRRRRII/2虛地點(diǎn)流向虛地點(diǎn)的總電流輸出電壓:n位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓:集成D/A轉(zhuǎn)換器5G7520n=10位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)反響電阻R〔10k，Rf內(nèi)〕已集成在芯片內(nèi)部需要外接運(yùn)算放大器；可外接反響電阻，也可使用內(nèi)設(shè)反響電阻；可編程電阻網(wǎng)絡(luò)；參考電壓VREF保證足夠穩(wěn)定度才能確保轉(zhuǎn)換精度。假設(shè)反響電阻Rf與電阻R的關(guān)系為：Rf=mR那么輸出電壓假設(shè)采用內(nèi)部集成的反響電阻，Rf=Rf內(nèi)即m=1，那么權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器〔補(bǔ)充了解〕采用一組恒流源〔大小依次為前一個(gè)的1/2〕，減小模擬開關(guān)內(nèi)阻和壓降的影響。DAC0806、DAC0807、DAC0808D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)分辨率D/A轉(zhuǎn)換器所能分辨的最小輸出電壓VLSB與滿刻度輸出電壓Vm〔當(dāng)輸入的數(shù)字代碼各位均為1時(shí)輸出的電壓值〕之比。VLSB是當(dāng)輸入的數(shù)字代碼最低位為1，其余各位為0時(shí)對應(yīng)的輸出電壓值，也被稱為輸出電壓增量。當(dāng)Vm一定時(shí)，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(zhuǎn)換器的分辨率為10位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為如果一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率及滿刻度輸出電壓Vm，那么可計(jì)算出輸入最低位所對應(yīng)的最小輸入電壓VLSB，即輸出電壓增量。例如：當(dāng)Vm=10V，n=10時(shí)分辨率也經(jīng)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(shí)際值與理論值之間的誤差。一般來說，轉(zhuǎn)換精度應(yīng)低于VLSB/2。轉(zhuǎn)換精度的影響因素主要有模擬開關(guān)導(dǎo)通的壓降、電阻網(wǎng)絡(luò)阻值差、參考電壓偏差和集成運(yùn)放漂移等。轉(zhuǎn)換精度通常用非線性誤差的大小表示D/A轉(zhuǎn)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?jǐn)?shù)定義為非線性誤差。線性度當(dāng)輸入數(shù)字代碼變化時(shí)，輸出模擬電壓或電流到達(dá)穩(wěn)定輸出所需的時(shí)間，即為建立時(shí)間或穩(wěn)定時(shí)間，該參數(shù)一般由手冊給出。當(dāng)轉(zhuǎn)換器的輸入由全為0變化為全為1或反向變化時(shí)，其輸出到達(dá)穩(wěn)定值所需的時(shí)間為最大轉(zhuǎn)換時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間常用D/A轉(zhuǎn)換器及其參數(shù)產(chǎn)品型號工作電壓/V位數(shù)/bit建立時(shí)間/s輸出接口方式基準(zhǔn)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(nèi)部/外部170DAC7731EC±15165電壓串行內(nèi)部100DAC1220E52010000電壓SPI外部2.59.3A/D轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換可以將輸入的模擬量〔電壓或電流〕轉(zhuǎn)換為與之成比例的二進(jìn)制代碼。A/D轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過采樣、保持、量化及編碼4個(gè)過程。在實(shí)際電路中，有些過程可以進(jìn)行合并，如采樣和保持、量化和編碼在轉(zhuǎn)換中一般同時(shí)實(shí)現(xiàn)。A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟采樣：把一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)變化的信號變換為對時(shí)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(gè)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(yīng)用中，一般取

保持：把每次的采樣值存儲到下一個(gè)采樣脈沖到來之前。量化：把采樣后的電壓幅值轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)換成3位二進(jìn)制代碼。編碼：用數(shù)字代碼表示量化結(jié)果的過程。A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器和間接A/D轉(zhuǎn)換器直接A/D轉(zhuǎn)換器不需要經(jīng)過中間變量就能把輸入的模擬信號直接轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器首先將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成一個(gè)中間變量〔時(shí)間或頻率〕，然后再將中間變量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。常用電路有電壓時(shí)間變換〔V-T〕型-積分型電壓頻率變換〔V-F〕型A/D轉(zhuǎn)換器按工作原理的分類圖A/D轉(zhuǎn)換器直接型間接型并聯(lián)比較型反響比較型計(jì)數(shù)型逐次漸近型電壓時(shí)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(zhuǎn)換器又稱為逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換過程類似天平稱物體重量的過程。以一系列二進(jìn)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(zhuǎn)換器、電壓比較器、順序脈沖發(fā)生器及相應(yīng)的控制電路。SARADC轉(zhuǎn)換開始前將存放器清零；轉(zhuǎn)換時(shí)，逐位改變存放器的數(shù)字代碼；將代碼經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬電壓vO；vO與輸入電壓vI進(jìn)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(zhuǎn)換器的電路框圖設(shè)參考電壓VR=-5V，那么對應(yīng)不同輸入DAC的輸出為：假設(shè)待轉(zhuǎn)換的模擬電壓vI=3.2V。工作前先將存放器清零，同時(shí)將環(huán)形計(jì)數(shù)器置成F1F2F3F4F5=00001。5V3.2V100001002.5V00第一個(gè)CP到來時(shí)5V3.2V010001103.75V10第二個(gè)CP到來時(shí)5V3.2V001001013.125V01第三個(gè)CP到來時(shí)5V3.2V000101013.125V0第四個(gè)CP到來時(shí)5V3.2V000011013.125V0第五個(gè)CP到來時(shí)101經(jīng)過5個(gè)CP周期后，輸入的模擬電壓3.2V被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號101。逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器優(yōu)點(diǎn)是精度高，轉(zhuǎn)換速度較快，由于它的轉(zhuǎn)換時(shí)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(zhuǎn)換器通過兩次積分，先將模擬電壓vI轉(zhuǎn)換成與之大小相對應(yīng)的時(shí)間T，再在時(shí)間間隔T內(nèi)用計(jì)數(shù)頻率不變的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)字量就正比于輸入模擬電壓。為間接A/D轉(zhuǎn)換。開關(guān)S積分器S過零電壓比較器C計(jì)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(guān)S接至模擬電壓vI，積分器對其在T1內(nèi)進(jìn)行反向積分。積分結(jié)束時(shí)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(zhǔn)電壓-VR進(jìn)行反向積分。積分器的輸出電壓開始上升，經(jīng)時(shí)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(zhuǎn)換器與逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器相比，最大的優(yōu)點(diǎn)是它具有較強(qiáng)的抗干擾能力。由于雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器采用了測量輸入電壓在采樣時(shí)間內(nèi)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(zhuǎn)換器AD574ACECSR/C12/8A0功能說明0XXXX不允許轉(zhuǎn)換X1XXX未接通芯片100X0啟動(dòng)1次12位轉(zhuǎn)換（作12位轉(zhuǎn)換器）100X1啟動(dòng)1次8位轉(zhuǎn)換（作8位轉(zhuǎn)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(yīng)用電路A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)分辨率A/D轉(zhuǎn)換器所能分辨的模擬輸入信號的最小變化量。設(shè)A/D轉(zhuǎn)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(shí)的分辨率稱為相對分辨率轉(zhuǎn)換時(shí)間是指按照規(guī)定的精度將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并輸出所需要的時(shí)間。一般用s或ms來表示。轉(zhuǎn)換速率是指能夠重復(fù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的速度，即每秒轉(zhuǎn)換的次數(shù)。轉(zhuǎn)換精度A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度分為絕對精度和相對精度。絕對精度：對應(yīng)于輸出數(shù)碼的實(shí)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?jǐn)?shù)，即常用A/D轉(zhuǎn)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(zhǔn)電壓ADC084S051NS8SPI/QSPI/Microwire4500k否2.75.25內(nèi)部AD9287ADI8LVDS,Ser4100M否1.8內(nèi)部ADCS7477TI10SPI/QSPI/Microwire11000k否2.75.25內(nèi)部MAX1308美信12μP/1284000否5內(nèi)外ADC121S705NS12SPI/QSPI/Microwire11000k是5V外部MAX1069美信14I2C158k否5V內(nèi)外DS2450美信161-wire41440k否5V內(nèi)部ADS1250TI20SPI125K否5V外部ADS1258TI24SPI168125k是2.75.25外部8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，由一個(gè)8路模擬開關(guān)、一個(gè)地址鎖存譯碼器、一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE端為高電平時(shí)，才可