第9章 數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換

學(xué)習(xí)要點(diǎn)：

數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換的基本原理第9章數(shù)模轉(zhuǎn)換與模數(shù)轉(zhuǎn)換器3/21/20241概述9.1D/A轉(zhuǎn)換器9.2A/D轉(zhuǎn)換器退出第9章數(shù)模轉(zhuǎn)換與模數(shù)轉(zhuǎn)換器3/21/20242概述能將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的電路稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC；能將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC。ADC和DAC是溝通模擬電路和數(shù)字電路的橋梁，也可稱之為兩者之間的接口。3/21/202439.1D/A轉(zhuǎn)換器9.1.1D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理9.1.2倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器9.1.5D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)退出3/21/202449.1.1D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理將輸入的每一位二進(jìn)制代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將代表各位的模擬量相加，所得的總模擬量就與數(shù)字量成正比，這樣便實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換?；驹?/21/20245轉(zhuǎn)換特性D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性，是指其輸出模擬量和輸入數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。圖示是輸入為3位二進(jìn)制數(shù)時(shí)的D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性。理想的D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性，應(yīng)是輸出模擬量與輸入數(shù)字量成正比。即：輸出模擬電壓

uo=Ku×D或輸出模擬電流io=Ki×D。其中Ku或Ki為電壓或電流轉(zhuǎn)換比例系數(shù)，D為輸入二進(jìn)制數(shù)所代表的十進(jìn)制數(shù)。如果輸入為n位二進(jìn)制數(shù)dn-1dn-2…d1d0，則輸出模擬電壓為：3/21/20246D/A轉(zhuǎn)換器原理電路不論模擬開關(guān)接到運(yùn)算放大器的反相輸入端（虛地）還是接到地，也就是不論輸入數(shù)字信號(hào)是1還是0，各支路的電流不變的。3/21/20247設(shè)RF=R/23/21/202489.1.2倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器希望用較少類型的電阻，仍然能得到一系列權(quán)電流3/21/20249RRRR①分別從虛線A、B、C、D處向右看的二端網(wǎng)絡(luò)等效電阻都是R。②不論模擬開關(guān)接到運(yùn)算放大器的反相輸入端（虛地）還是接到地，也就是不論輸入數(shù)字信號(hào)是1還是0，各支路的電流不變。3/21/2024109.1.23/21/2024113/21/202412習(xí)題9.1.13/21/202413

集成D/A轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用3/21/202414（1）分辨率(理論精度）分辨率用輸入二進(jìn)制數(shù)的有效位數(shù)表示。在分辨率為n位的D/A轉(zhuǎn)換器中，輸出電壓能區(qū)分2n個(gè)不同的輸入二進(jìn)制代碼狀態(tài)，能給出2n個(gè)不同等級(jí)的輸出模擬電壓。分辨率也可以用D/A轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓的比值來表示。10位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為：9.1.53/21/2024159.1.5D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)2.轉(zhuǎn)換精度（實(shí)際精度）D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是指輸出模擬電壓的實(shí)際值與理想值之差，即最大靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。有時(shí)也用絕對(duì)誤差與輸出電壓滿刻度的百分?jǐn)?shù)來表示3/21/202416誤差分析3/21/2024173/21/2024183.轉(zhuǎn)換速度（1）建立時(shí)間（2）轉(zhuǎn)換速率（3）溫度系數(shù)3/21/202419本節(jié)小結(jié)：

D/A轉(zhuǎn)換器的功能是將輸入的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)輸出。D/A轉(zhuǎn)換器根據(jù)工作原理基本上可分為二進(jìn)制權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器和T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器兩大類。由于T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器只要求兩種阻值的電阻，因此最適合于集成工藝，集成D/A轉(zhuǎn)換器普遍采用這種電路結(jié)構(gòu)。如果輸入的是n位二進(jìn)制數(shù)，則D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為：3/21/2024209.2A/D轉(zhuǎn)換器9.2.1A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程9.2.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器9.2.3逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器退出3/21/2024219.2.1A/D的一般工作過程模擬電子開關(guān)S在采樣脈沖CPS的控制下重復(fù)接通、斷開的過程。S接通時(shí)，ui(t)對(duì)C充電，為采樣過程；S斷開時(shí)，C上的電壓保持不變，為保持過程。在保持過程中，采樣的模擬電壓經(jīng)數(shù)字化編碼電路轉(zhuǎn)換成一組n位的二進(jìn)制數(shù)輸出。3/21/202422t0時(shí)刻S閉合，CH被迅速充電，電路處于取樣階段。由于兩個(gè)放大器的增益都為1，因此這一階段uo跟隨ui變化，即uo＝ui。t1時(shí)刻采樣階段結(jié)束，S斷開，電路處于保持階段。若A2的輸入阻抗為無窮大，S為理想開關(guān)，則CH沒有放電回路，兩端保持充電時(shí)的最終電壓值不變，從而保證電路輸出端的電壓uo維持不變。3/21/2024232.量化和編碼量化：將數(shù)值連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的過程。量化誤差：當(dāng)采樣電壓不能被Δ整除時(shí)，將引入量化誤差2.編碼：將量化的結(jié)果用代碼表示出來（二進(jìn)制，二-十進(jìn)制）舍尾取整法四舍五入法3/21/2024249.2.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器量化3/21/202425輸入→量化→編碼111110101100011010001000習(xí)題9.2.13/21/2024262、特點(diǎn)*快，CLK觸發(fā)信號(hào)到達(dá)到輸出穩(wěn)定建立只需幾十納秒*精度，受參考電壓、分壓網(wǎng)絡(luò)等因素影響*有存儲(chǔ)器，不需要S/H電路*電路規(guī)模，n位需要2n-1比較器，觸發(fā)器3/21/2024273/21/202428轉(zhuǎn)換開始前先將所有寄存器清零。開始轉(zhuǎn)換以后，時(shí)鐘脈沖首先將寄存器最高位置成1，使輸出數(shù)字為100…0。這個(gè)數(shù)碼被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓uo，送到比較器中與ui進(jìn)行比較。若ui＞uo，說明數(shù)字過大了，故將最高位的1清除；若ui＜uo，說明數(shù)字還不夠大，應(yīng)將這一位保留。然后，再按同樣的方式將次高位置成1，并且經(jīng)過比較以后確定這個(gè)1是否應(yīng)該保留。這樣逐位比較下去，一直到最低位為止。比較完畢后，寄存器中的狀態(tài)就是所要求的數(shù)字量輸出。原理框圖基本原理3/21/2024293位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器3/21/202430轉(zhuǎn)換開始前，先使Q1=Q2=Q3=Q4=0，Q5=1，第一個(gè)CP到來后，Q1=1，Q2=Q3=Q4=Q5=0，于是FFA被置1，F(xiàn)FB和FFC被置0。這時(shí)加到D/A轉(zhuǎn)換器輸入端的代碼為100，并在D/A轉(zhuǎn)換器的輸出端得到相應(yīng)的模擬電壓輸出uo。uo和ui在比較器中比較，當(dāng)若ui＜uo時(shí)，比較器輸出uc=1；當(dāng)ui≥uo時(shí)，uc=0。第二個(gè)CP到來后，環(huán)形計(jì)數(shù)器右移一位，變成Q2=1，Q1=Q3=Q4=Q5=0，這時(shí)門G1打開，若原來uc=1，則FFA被置0，若原來uc=0，則FFA的1狀態(tài)保留。與此同時(shí)，Q2的高電平將FFB置1。第三個(gè)CP到來后，環(huán)形計(jì)數(shù)器又右移一位，一方面將FFC置1，同時(shí)將門G2打開，并根據(jù)比較器的輸出決定FFB的1狀態(tài)是否應(yīng)該保留。第四個(gè)CP到來后，環(huán)形計(jì)數(shù)器Q4=1，Q1=Q2=Q3=Q5=0，門G3打開，根據(jù)比較器的輸出決定FFC的1狀態(tài)是否應(yīng)該保留。第五個(gè)CP到來后，環(huán)形計(jì)數(shù)器Q5=1，Q1=Q2=Q3=Q4=0，F(xiàn)FA、FFB、FFC的狀態(tài)作為轉(zhuǎn)換結(jié)果，通過門G6、G7、G8送出。工作原理3/21/202431基本原理：對(duì)輸入模擬電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行兩次積分，先對(duì)輸入模擬電壓進(jìn)行積分，將其變換成與輸入模擬電壓成正比的時(shí)間間隔T1，再利用計(jì)數(shù)器測(cè)出此時(shí)間間隔，則計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)字量就正比于輸入的模擬電壓；接著對(duì)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行同樣的處理。原理電路3/21/2024323/21/202433（1）分辨率A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率用輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示，位數(shù)越多，誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高。例如，輸入模擬電壓的變化范圍為0～5V，輸出8位二進(jìn)制數(shù)可以分辨的最小模擬電壓為5V×2－8＝20mV；而輸出12位二進(jìn)制數(shù)可以分辨的最小模擬電壓為5V×2－12≈1.22mV。（2）相對(duì)精度在理想情況下，所有的轉(zhuǎn)換點(diǎn)應(yīng)當(dāng)在一條直線上。相對(duì)精度是指實(shí)際的各個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)偏離理想特性的誤差。（3）轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間是指完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間是指從接到轉(zhuǎn)換控制信號(hào)開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字輸出信號(hào)所經(jīng)過的這段時(shí)間。3/21/2024349.2.6集成A/D轉(zhuǎn)換器及應(yīng)用3/21/202435

A/D轉(zhuǎn)換器的功能是將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成一組多位的二進(jìn)制數(shù)字輸出。不同的A/D轉(zhuǎn)換方式具有各自的特點(diǎn)。并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度快，主要缺點(diǎn)是要使用的