應(yīng)用電工學(xué)13-模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換教材

能將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的電路，稱為數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，簡稱D/A轉(zhuǎn)換器。能將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的電路，稱為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱A/D轉(zhuǎn)換器。溝通模擬電路與數(shù)字電路的橋梁，是計算機和許多電子系統(tǒng)中不可或缺的接口電路。完整的電子系統(tǒng)通常是模擬－數(shù)字混合系統(tǒng)。2、D/A和A/D轉(zhuǎn)換器的功用：概述：1、什么是D/A和A/D轉(zhuǎn)換器？13

模擬信號與數(shù)字信號的相互轉(zhuǎn)換(P391~399)了解數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換的基本原理基本要求：1(1)

自動控制系統(tǒng)被控物理量傳感器模擬信號A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字信號DSPD/A轉(zhuǎn)換器模擬信號驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)(2)數(shù)字測量儀表數(shù)字信號處理衰減器或放大器被測物理量傳感器模擬信號A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字信號計數(shù)譯碼顯示13模擬信號與數(shù)字信號的相互轉(zhuǎn)換(P391~399)了解數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換的基本原理基本要求：213.1D/A轉(zhuǎn)換器概述:一、實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的基本思路：∵數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合起來表示的，每位代碼都有一定的權(quán)（有權(quán)碼），∴要把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成與之成正比的模擬量，

2)將每一位數(shù)字量轉(zhuǎn)換成的模擬量相加。即可得到與數(shù)字量成正比的總模擬量。必須：

1)用一個解碼網(wǎng)絡(luò)來分配各位的權(quán)，將每一位代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量；3二、n位D/A轉(zhuǎn)換器的方框圖：n位數(shù)字量輸入數(shù)碼寄存器n位模擬開關(guān)解碼網(wǎng)絡(luò)求和電路模擬量輸出基準(zhǔn)電壓三、D/A轉(zhuǎn)換器的分類：按解碼網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)分類T形電阻網(wǎng)絡(luò)型倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)型權(quán)電流型權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)型開關(guān)樹型4倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器+-+A△∞一、電路組成D0~D3:待轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號；vo:模擬電壓輸出；510.1.2+-+A△∞R-2R：組成倒T型電阻解碼網(wǎng)絡(luò)；+VREF:基準(zhǔn)電壓；S0~S3:受Di

控制的模擬開關(guān)，當(dāng)Di=1時，

Si打向右側(cè)，與運放A的反相輸入端相連；當(dāng)Di=0時，

Si打向左側(cè)，與運放A的同相輸入端相連；運放A:組成求和及電流-電壓轉(zhuǎn)換電路(外接)。6AA′BB′CC′DD′

1)根據(jù)運放A線性運用時的虛短（現(xiàn)為虛地）法則，無論Si打向何處，與之相連的2R電阻均接“地”；即流經(jīng)2R電阻的電流與Si的位置無關(guān)。

2)則從D、C、B、A向左看的二端網(wǎng)絡(luò)的等效電阻均為R。二、工作原理：而，從基準(zhǔn)電壓源提供的總電流I=VREF/R；+-+A△∞7AA′BB′CC′DD′

3)流入每個2R電阻的電流從高位到低位按2的整數(shù)倍遞減。即：流入各開關(guān)支路的電流（從右至左）分別為I/2、I/4、I/8、I/16。

4)總電流為

5)輸出模擬電壓為+-+A△∞8

6)將輸入數(shù)字量擴(kuò)展到n位，則，倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器輸出模擬量與輸入數(shù)字量的一般關(guān)系式為：其中

n位二進(jìn)制數(shù)對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)三、特點：

1)各支路電流直接流入運放的輸入端，之間不存在傳輸上的時間差，所以轉(zhuǎn)換速度較快；

2)模擬開關(guān)在地-地之間轉(zhuǎn)換，減少了動態(tài)過程中輸出端可能出現(xiàn)的尖脈沖。——是目前廣泛應(yīng)用的轉(zhuǎn)換速度較快的D/A轉(zhuǎn)換器vo∝NB9四、主要技術(shù)參數(shù)：1、轉(zhuǎn)換精度：常用集成電路有：AD7520（10位）、DAC1210（12位）等

1)分辨率：電路所能分辨的最小輸出電壓VLSB(輸入數(shù)字代碼最低位為1，其余位均為0)與滿刻度輸出電壓Vm(輸入數(shù)字代碼最低位為1，其余位均為0)之比。即分辨率=VLSBVm=2n-11

Vm一定時，輸入數(shù)字代碼的位數(shù)n越多，分辨率越小，分辨能力越高。10

2)轉(zhuǎn)換誤差：用最低有效位的倍數(shù)表示。例如：AD7520（10位）的分辨率為210-11例如，轉(zhuǎn)換誤差為VLSB2表示輸出模擬電壓的絕對誤差等于最小輸出電壓的一半。

2、轉(zhuǎn)換速度：指從數(shù)碼輸入到模擬穩(wěn)定電壓輸出之間的響應(yīng)時間。一般用輸入由全0變?yōu)槿?，或由全1變?yōu)槿?時，輸出達(dá)到穩(wěn)定值所需要的轉(zhuǎn)換時間來表示。

AD7520的轉(zhuǎn)換時間≤500ns。11六、CMOS模擬開關(guān)電路T1～T3：電平移動電路，使輸入端可與TTL電平兼容，T4～T5和T6～T7：組成兩個反相器，分別作為模擬開關(guān)管T8～T9的驅(qū)動電路；T8～T9：構(gòu)成單刀雙擲開關(guān)。100101增強型P型溝道增強型N型溝道增強型N型溝道1213.2模/數(shù)轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換：將隨時間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為與之相應(yīng)的數(shù)字量。取樣后要保持一段時間，在此時間內(nèi)，將取樣的電壓量化為數(shù)字量——變?yōu)闀r間、幅值的離散量；∵模擬量是時間、幅值均連續(xù)；而數(shù)字量則時間、幅值均離散，∴實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，首先必須在一系列選定的瞬間，對輸入的模擬信號取樣——變?yōu)闀r間的離散量；然后，按一定的編碼方式給出結(jié)果。即實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，一般要經(jīng)過4個過程：取樣、保持、量化、編碼。131、取樣與保持取樣電路：SvIvOS(t)TSt0vIt0S(t)t0vOTC：取樣時間；此時，開關(guān)閉合，vO=vITS：取樣周期fS：1/TS取樣頻率TS-TC：開關(guān)斷開，vO=0TC●取樣保持一、A/D

轉(zhuǎn)換的一般工作過程取樣信號14取樣－保持電路（a）電路結(jié)構(gòu)（b）典型接法集成取樣－保持電路LF198外接的保持電容CH的取值必須兼顧輸出電壓下降率和獲取時間兩方面的要求。152、量化與編碼量化：將離散的階梯幅值化成最小量化單位整數(shù)倍的過程。取樣信號→數(shù)字信號量化誤差:由于模擬電壓是連續(xù)的，所以取樣電壓不一定能被△整除，因此，量化過程不可避免地會引入誤差，稱為量化誤差。最小量化單位Δ：

D＝00…1時所代表的數(shù)值(VLSB)量化誤差屬于原理誤差，無法消除。但位數(shù)越多，誤差越小。編碼：用數(shù)字代碼表示量化結(jié)果的過程。16量化的方法有兩種:1)只舍不入法:取Δ=Vm/2n模擬電壓最大值數(shù)字代碼位數(shù)將0~Δ之間的模擬電壓歸為0Δ；

Δ~2Δ之間的模擬電壓歸為1Δ……例如，把0~1V的模擬電壓轉(zhuǎn)換成三位二進(jìn)制代碼，令Δ=1/23V=1/8V，則，0~1/8V的模擬電壓歸為0Δ，用000表示；

1/8V~2/8V的模擬電壓歸為1Δ，用001表示；——最大量化誤差為1/8V。171)有舍有入法:取Δ=2Vm2n+1-1將0~Δ/2之間的模擬電壓歸為0Δ；

Δ/2~3Δ/2之間的模擬電壓歸為1Δ……例如，把0~1V的模擬電壓轉(zhuǎn)換成三位二進(jìn)制代碼，令Δ=2/15V，則，0~1/15V的模擬電壓歸為0Δ，用000表示；

1/15V~3/15V的模擬電壓歸為1Δ，用001表示；

——最大量化誤差為1/15V。18只舍不入法有舍有入法19二、A/D轉(zhuǎn)換器的分類：（1）直接A/D轉(zhuǎn)換器：將輸入的模擬電壓直接（不需要中間變量）轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。①并行比較型:由電壓比較器、觸發(fā)器、寄存器構(gòu)成，可以不附加取樣-保持電路。特點：轉(zhuǎn)換速度快，但隨著輸出代碼數(shù)位的增加，電路規(guī)模急劇膨脹。②反饋比較型：由D/A轉(zhuǎn)換器、電壓比較器、寄存器等構(gòu)成，20取一個數(shù)字量加到D/A轉(zhuǎn)換器上，得到一個對應(yīng)的模擬輸出電壓，將其與待轉(zhuǎn)換的模擬電壓相比較，若兩者不等，則調(diào)整所取的數(shù)字量，直到兩個模擬電壓相等為止，此時所取的數(shù)字量即為轉(zhuǎn)換結(jié)果。其思路是:常用典型電路為逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器：特點：轉(zhuǎn)換速度較慢，但數(shù)位較多時，電路規(guī)模比并行比較型小得多。

——是目前集成A/D轉(zhuǎn)換器中應(yīng)用最多的一種。21（2）間接A/D轉(zhuǎn)換器：①

電壓-頻率變換型（V-F變換型）首先將輸入模擬電壓轉(zhuǎn)換為與之成正比的頻率信號，然后在固定的時間間隔內(nèi)，對頻率信號計數(shù)，其結(jié)果即為所求。②電壓-時間變換型（V-T變換型）首先將輸入模擬電壓轉(zhuǎn)換為與之成正比的時間間隔，然后用固定的時鐘脈沖測定該時間間隔，其結(jié)果即為所求。

典型電路有雙積分A/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換速度較慢，但工作性能比較穩(wěn)定，特別是雙積分A/D轉(zhuǎn)換器抗干擾能力強，對元器件的要求較低，所以在數(shù)字儀表中應(yīng)用非常廣泛。間接A/D轉(zhuǎn)換器的特點：22