數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換課件

第十一章數(shù)－模和模－數(shù)轉(zhuǎn)換9/11/20231第十一章數(shù)－模和模－數(shù)轉(zhuǎn)換8/3/2023111.1概述

在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，被控量一般為非電量，如溫度、壓力、位移等，首先由傳感器將它們轉(zhuǎn)化成連續(xù)變化的模擬量，再由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，送到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理和計(jì)算。處理后要經(jīng)過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，加到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以調(diào)節(jié)被控對象的大小。一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的框圖如圖11.1.1所示。1.用途：9/11/2023211.1概述在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，被控量一般圖11.1.2為一個(gè)溫度控制系統(tǒng)：傳感器放大器A/D轉(zhuǎn)換微型計(jì)算機(jī)控制對象D/A轉(zhuǎn)換電加熱爐執(zhí)行機(jī)構(gòu)圖11.1.2溫度時(shí)間9/11/20233圖11.1.2為一個(gè)溫度控制系統(tǒng)：傳感器放大器A/D微型計(jì)算2、主要性能指標(biāo)

為了保證數(shù)據(jù)處理結(jié)果的準(zhǔn)確性，A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器必須有足夠的轉(zhuǎn)換精度，另外對于過程控制和檢測需求，A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器必須有足夠的轉(zhuǎn)換速度。故轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度是A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)。A/D轉(zhuǎn)換器：

將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的過程稱為模/數(shù)轉(zhuǎn)換（AnalogtoDigital），實(shí)現(xiàn)的電路稱為A/D轉(zhuǎn)換器，簡寫為ADC（Analog－DigitalConverter）。9/11/202342、主要性能指標(biāo)為了保證數(shù)據(jù)處理結(jié)果的準(zhǔn)確性，由于輸入的模擬信號(hào)在時(shí)間上是連續(xù)的，輸出的數(shù)字信號(hào)在時(shí)間和幅值都是是離散的，因此轉(zhuǎn)換時(shí)一般要經(jīng)過取樣、保持、量化和編碼四個(gè)過程。實(shí)際中有時(shí)取樣和保持、量化和編碼會(huì)同時(shí)實(shí)現(xiàn)。A/D轉(zhuǎn)換器D111101…A/DA(電壓或電流)A/D轉(zhuǎn)換器是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量

所以A/D轉(zhuǎn)換過程是首先對輸入模擬電壓信號(hào)進(jìn)行取樣，然后保持并將取樣電壓量化為數(shù)字量，并按一定的編碼形式給出轉(zhuǎn)換結(jié)果。9/11/20235由于輸入的模擬信號(hào)在時(shí)間上是連續(xù)的，輸出的數(shù)字信號(hào)在時(shí)間和幅一、取樣定理

取樣是將隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為時(shí)間離散的模擬量。

為了使得取樣信號(hào)能逼近輸入模擬信號(hào)，則取樣信號(hào)應(yīng)該有足夠高的頻率。為了保證取樣信號(hào)將被取樣信號(hào)恢復(fù)，其頻率關(guān)系必須滿足取樣定理。圖11.3.1為對某個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣的波形。其中vs為取樣信號(hào)，vI

表示輸入的模擬信號(hào)。圖11.3.19/11/20236一、取樣定理取樣是將隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬量取樣定理為：一般取注：每次取得的模擬信號(hào)必須通過保持電路保持一段時(shí)間。一般取樣和保持過程往往是通過取樣－保持電路同時(shí)完成的。

若fs為取樣信號(hào)的頻率，fi（max）為輸入模擬信號(hào)的最高頻率分量的頻率，則它們必須滿足9/11/20237取樣定理為：一般取注：每次取得的模擬信號(hào)必須通過保持電路保持二、量化和編碼1.量化

數(shù)字量不僅時(shí)間上是離散的，而且數(shù)值上也是離散的，所以任何一個(gè)數(shù)字量的大小只能是某個(gè)規(guī)定的最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。將采樣電壓表示為最小數(shù)量單位（Δ）的整數(shù)倍，稱為量化。9/11/20238二、量化和編碼1.量化數(shù)字量不僅時(shí)間上是離

將量化的結(jié)果用代碼（可以是二進(jìn)制，也可以是其他進(jìn)制）表示出來，這個(gè)過程稱為編碼，這些代碼也是A/D轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)字量。3.量化誤差：

由于模擬電壓是連續(xù)的，那么不可能所有的電壓都能被量化單位△整除，所以量化過程不可避免地會(huì)引入誤差，這種誤差就叫做量化誤差。量化誤差屬于原理性誤差，無法消除。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，各離散電平之間的差值就越小，量化誤差也越小。2.編碼：9/11/20239將量化的結(jié)果用代碼（可以是二進(jìn)制，也可以是3.單片集成取樣－保持電路LF398

圖11.3.5（a）是LF398的電路結(jié)構(gòu)圖，圖11.3.5（b）是其典型接法。圖11.3.5VOS是失調(diào)電壓輸入端，此段可以通過外接電阻調(diào)整輸出電壓的零點(diǎn)，使得vI=0時(shí),vo=0。9/11/2023103.單片集成取樣－保持電路LF398圖1111.3.3并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器

并聯(lián)比較型屬于直接A/D轉(zhuǎn)換器，它把輸入的模擬電壓直接轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字量。1.組成：

并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器是由電壓比較器、寄存器和代碼轉(zhuǎn)換電路三部分組成。圖11.3.69/11/20231111.3.3并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器并聯(lián)比較輸入為0~VREF間的模擬電壓，輸出為3位二進(jìn)制代碼d2d1d0。此A/D轉(zhuǎn)換器不包括取樣－保持電路，即假定輸入的模擬電壓vI為取樣－保持電路的輸出電壓。圖11.3.69/11/202312輸入為0~VREF間的模擬電壓，輸出為3位二進(jìn)制代碼d2d12.量化方式：

取量化單位為其比較器中量化電平的劃分如圖11.3.7所示。9/11/2023132.量化方式：取量化單位為其比較器中量化電9/11/2023148/3/2023149/11/2023158/3/202315則比較器輸出均為低電平，當(dāng)CLK上升沿到來后，所有的觸發(fā)器狀態(tài)置成0，即d2d1

d0＝000圖11.3.69/11/202316則比較器輸出均為低電平，當(dāng)CLK上升沿到來后，所有的觸發(fā)器狀圖11.3.6則比較器C1輸出為高電平，其他為低電平。當(dāng)CLK上升沿到來后，觸發(fā)器的狀態(tài)置成0000001，則d2d1

d0＝001，依此類推。若9/11/202317圖11.3.6則比較器C1輸出為高電平，其他為低電平。當(dāng)CL1.并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快，轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)50ns以下。另外此電路可不用取樣－保持電路，因?yàn)楸容^器和寄存器有這樣的功能。特點(diǎn)：2.并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的缺點(diǎn)是需要較多的電壓比較器和觸發(fā)器,n位需要2n-1比較器。3.并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度主要取決于量化電平的劃分，劃分越細(xì)，精度越高，但所用的比較器和觸發(fā)器的數(shù)目越多。另外轉(zhuǎn)換精度與參考電壓、電阻及運(yùn)放也有關(guān)。9/11/2023181.并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快，轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)1.分辨率：

A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率是輸出二進(jìn)制數(shù)或十進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示。它表示A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號(hào)的分辨能力。*從理論上講，n位二進(jìn)制數(shù)字輸出的A/D轉(zhuǎn)換器能區(qū)分2n不同等級(jí)的輸入模擬電壓，能區(qū)分輸入電壓的最小值為滿量程輸入的1/2n

如10位二進(jìn)制A/D轉(zhuǎn)換器，若最大輸入信號(hào)為5V，則應(yīng)能區(qū)分輸入信號(hào)的最小電壓為5V/210=4.88mV.11.3.5A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度9/11/2023191.分辨率：A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率是輸出二進(jìn)2.A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度是用轉(zhuǎn)換時(shí)間來描述，轉(zhuǎn)換時(shí)間定義為A/D轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控制信號(hào)到來時(shí)起，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所經(jīng)過的時(shí)間。A/D轉(zhuǎn)換器類型不同，轉(zhuǎn)換速度差別很大。*在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)從系統(tǒng)數(shù)據(jù)總的位數(shù)、精度要求、輸入模擬信號(hào)的范圍及輸出信號(hào)極性等方面綜合考慮A/D轉(zhuǎn)換器的選用。9/11/2023202.A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換11.2D/A轉(zhuǎn)換器對于有權(quán)碼，每位代碼都有一定的權(quán)。為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，必須將每一位的代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后相加，即可得與數(shù)字量成正比的總模擬量，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字－模擬的轉(zhuǎn)換。D111101…D/AA(電壓或電流)

？D/A轉(zhuǎn)換器的目的為：9/11/20232111.2D/A轉(zhuǎn)換器對于有權(quán)碼，每位代碼都有一定的權(quán)。為了一個(gè)多位二進(jìn)制數(shù)可表示為其中：2n-1、2n－2．．．21、20稱為最高位（MostSignificantBit，簡稱MSB）到最低位（LeastSignificantBit，簡稱LSB）的權(quán)。9/11/202322一個(gè)多位二進(jìn)制數(shù)可表示為其中：2n-1、2n－2．．．21、圖11.2.2

圖11.2.2是4位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖，它是由權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、4個(gè)電子模擬開關(guān)和1個(gè)求和放大器組成。11.2.1權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器1.組成：9/11/202323圖11.2.2圖11.2.2是4位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)（1）S3~S0:為電子開關(guān)，其狀態(tài)受輸入數(shù)碼d3~d0的取值控制。當(dāng)di＝1時(shí)開關(guān)接到參考電壓VREF上，有支路電流Ii流向求和放大器；當(dāng)di＝0時(shí)開關(guān)接地，支路電流Ii為零。9/11/202324（1）S3~S0:為電子開關(guān)，其狀態(tài)受輸入數(shù)碼d3~d0的?。?）求和放大器A：為一個(gè)接成負(fù)反饋的理想運(yùn)算放大器。即：AV＝∞，iI＝0，Ro＝0。由于負(fù)反饋，存在虛短和虛斷，即V－≈V＋＝0，iI＝0。（3）VREF：基準(zhǔn)電壓9/11/202325（2）求和放大器A：為一個(gè)接成負(fù)反饋的理想運(yùn)算放大器。即：A2.輸出電壓的計(jì)算：由于V－≈V＋＝0，故各電流為輸出電壓為9/11/2023262.輸出電壓的計(jì)算：由于V－≈V＋＝0，故各電流為輸出電壓取RF＝R/2，則輸出電壓為9/11/202327取RF＝R/2，則輸出電壓為8/3/202327上式標(biāo)明，輸出的模擬電壓與輸入的數(shù)字量Dn成正比。注：1.若VREF取正值，則輸出電壓為負(fù)值。若想輸出電壓為正值，可以將VREF取負(fù)值。2.此電路的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單，所用的電阻元件少。缺點(diǎn)是各個(gè)電阻的阻值相差較大，輸入數(shù)字量的位數(shù)越多，差別就越大，故很難保證電阻的精確度。9/11/202328上式標(biāo)明，輸出的模擬電壓與輸入的數(shù)字量Dn成正比。注：1.若為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，在輸入數(shù)字量較多時(shí)可采用圖11.2.3所示的電路。其輸出電壓為9/11/202329為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，在輸入數(shù)字量較多時(shí)可采用圖11.2.3所示

為了克服權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器電阻阻值相差太大的缺點(diǎn)，改進(jìn)電路為倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，如圖11.2.4所示。圖11.2.49/11/202330為了克服權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器電阻阻值相差太根據(jù)“虛短”“虛地”，有V－≈V＋，無論開關(guān)打在哪一面，流過每個(gè)支路的電流始終不變。故可等效成圖11.2.5所示電路。RRRR圖11.2.59/11/202331根據(jù)“虛短”“虛地”，有V－≈V＋，無論開關(guān)打在哪一面，流過RRRR圖11.2.59/11/202332RRRR圖11.2.58/3/202332故輸出電壓為9/11/202333故輸出電壓為8/3/202333

對于n位輸入的倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，在求和放大器的反饋電阻為R時(shí)，其輸出的模擬電壓為上式說明輸出的模擬電壓與輸入的數(shù)字量成正比，其其輸出公式與權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器相同。9/11/202334對于n位輸入的倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，在圖11.2.6為采用倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)的單片集成D/A轉(zhuǎn)換器CB7520(AD7520)的電路。圖11.2.6其輸入為10位二進(jìn)制數(shù)，采用CMOS電路構(gòu)成的模擬開關(guān)。9/11/202335圖11.2.6為采用倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)的單片集成D/A轉(zhuǎn)換器CB輸出電壓為圖11.2.69/11/202336輸出電壓為圖11.2.68/3/202336注：在使用CB7520時(shí)需要外接運(yùn)算放大器，反饋電阻可以采用內(nèi)部的電阻R，也可以外接反饋電阻接到Iout1和vo之間。外接參考電壓VREF必須有足夠的穩(wěn)定度，才能確保應(yīng)有的轉(zhuǎn)換精度。圖11.2.69/11/202337注：在使用CB7520時(shí)需要外接運(yùn)算放大器，反饋電阻可以采用11.2.3權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器

在前面介紹的權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器和倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器中，都沒有考慮開關(guān)