《電子技術(shù)基礎(chǔ)-數(shù)字電子技術(shù)》課件第7章

第7章數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器7.1D/A轉(zhuǎn)換器7.2A/D轉(zhuǎn)換器小結(jié)技能實(shí)訓(xùn)

7.1D/A轉(zhuǎn)換器

7.1.1D/A轉(zhuǎn)換器的基本概念

1.D/A轉(zhuǎn)換器的原理

D/A轉(zhuǎn)換器的作用是將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬信號(hào),其普遍采用的轉(zhuǎn)換方法是將輸入數(shù)字信號(hào)按其權(quán)值分別轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào),再通過(guò)運(yùn)算放大器求和相加。如輸入為n位二進(jìn)制數(shù)(D)2,則對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換后的模擬信號(hào)u應(yīng)為

u=DUR=(Dn－12n－1+Dn－22n－2+…+D121+D020)UR

D/A轉(zhuǎn)換器的核心部分是一個(gè)能實(shí)現(xiàn)按權(quán)轉(zhuǎn)換的電阻解碼網(wǎng)絡(luò),此外,還有基準(zhǔn)電壓、電子開(kāi)關(guān)、求和電路、數(shù)碼寄存等部分,如圖7-1所示。圖7-1D/A轉(zhuǎn)換器框圖

2.主要性能指標(biāo)

1)分辨率

分辨率是指對(duì)輸出電壓的分辨能力,當(dāng)D/A轉(zhuǎn)換器輸入相鄰兩個(gè)數(shù)碼時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸出電壓之差為最小可分辨電壓,分辨率的定義為最小可分辨電壓與最大輸出電壓之比,可表示為

2)轉(zhuǎn)換精度

轉(zhuǎn)換精度分絕對(duì)精度和相對(duì)精度。D/A轉(zhuǎn)換器的實(shí)際輸出值與理論計(jì)算值之差,稱為絕對(duì)精度,通常用最小分辨電壓的倍數(shù)表示,如ULSB/2就表示輸出值與理論值的誤差為最小可分辨電壓的一半。相對(duì)精度是絕對(duì)精度與滿刻度輸出電壓(或電流)之比,通常用百分?jǐn)?shù)表示。

3)轉(zhuǎn)換時(shí)間

D/A轉(zhuǎn)換器從接收數(shù)字量開(kāi)始到輸出電壓或電流達(dá)到規(guī)定誤差范圍所需要的時(shí)間稱為轉(zhuǎn)換時(shí)間,它決定D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。7.1.2倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器原理

D/A轉(zhuǎn)換器按解碼網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不同分為權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、權(quán)電流網(wǎng)絡(luò)、T形電阻網(wǎng)絡(luò)、倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)等,本節(jié)僅以倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)為例介紹轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換原理。

倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器是常用的D/A轉(zhuǎn)換器之一,其原理圖如圖7-2所示。它由基準(zhǔn)電壓UREF、R－2R倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)、S0～S3電子模擬開(kāi)關(guān)及運(yùn)算放大器求和電路組成。

電子模擬開(kāi)關(guān)受輸入二進(jìn)制數(shù)D0～D3控制,隨著D為0或1,各開(kāi)關(guān)分別處于圖中0和1的位置。而無(wú)論S處于何位置,其電位均為零(運(yùn)放同相端接地,反相端虛地),這樣,從圖中A、B、C、D各節(jié)點(diǎn)向里看對(duì)地的等效電阻均為R,即RA=2R∥2R=R,RB=(RA+R)∥2R=R,RC=(RB+R)∥2R=R,RD=(RC+R)∥2R=R圖7-2倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)原理圖所以電路中的電流關(guān)系如下：流入運(yùn)放反相端的總電流在二進(jìn)制數(shù)D控制下的表達(dá)式為iΣ=i3D3+i2D2+i1D1+i0D0

輸出電壓為7.1.3集成D/A轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用

1.集成D/A轉(zhuǎn)換器AD7520

AD7520是10位電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換時(shí)間為500ns,電源電壓為+5～+15V。圖7-3示出了內(nèi)部的電阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。圖7-3AD7520內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

AD7520芯片內(nèi)集成了10組倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)、CMOS電子模擬開(kāi)關(guān)和一個(gè)10kΩ的反饋電阻,而求和運(yùn)算放大器和基準(zhǔn)電壓必須外接。圖7-4是外引線圖,D0～D9為10個(gè)二進(jìn)制數(shù)碼輸入端,Iout1和Iout2為電流輸出端,Rf為反饋電阻引出端,UREF為基準(zhǔn)電壓輸入端。

圖中的電子模擬開(kāi)關(guān)是一個(gè)受控于數(shù)字信號(hào)D的雙向開(kāi)關(guān),圖7-5所示為CMOS電子開(kāi)關(guān)。它由9個(gè)MOS管構(gòu)成,其中V1、V2、V3組成電平轉(zhuǎn)移電路,使輸入信號(hào)能與TTL電平兼容,V4～V7組成兩個(gè)反相器去推動(dòng)V8、V9組成的模擬開(kāi)關(guān)。圖7-4AD7520外引線圖圖7-5電子模擬開(kāi)關(guān)當(dāng)輸入Di為高電平時(shí),V4、V5構(gòu)成的反相器輸入為低電平,輸出為高電平,使V6、V7反相器輸出為低電平。它們分別去控制V8、V9組成的模擬開(kāi)關(guān),使V8截止、V9導(dǎo)通,開(kāi)關(guān)Si打到“1”。

當(dāng)輸入Di為低電平時(shí),V4、V5反相器輸出為高電平,V6、V7反相器輸出為低電平,使V8導(dǎo)通、V9截止,開(kāi)關(guān)Si打到“0”。

電子模擬開(kāi)關(guān)的電路形式除CMOS開(kāi)關(guān)外,還有雙極型開(kāi)關(guān),其中又可分為三極管電流開(kāi)關(guān)型和ECL電流開(kāi)關(guān)型,其中ECL型工作速度最高,CMOS型工作速度最低。

AD7520是普通電子電路用D/A轉(zhuǎn)換器,它電路簡(jiǎn)單、功耗低、轉(zhuǎn)換速度快,通用性強(qiáng)。

2.AD7520應(yīng)用

1)單極性輸出典型D/A電路

圖7-6是由AD7520組成的單極性輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換應(yīng)用電路。電路由AD7520與求和運(yùn)算放大器組成,運(yùn)算放大器接成反向比例形式,反饋電阻Rf利用AD7520內(nèi)部提供的10kΩ電阻,也可另外再串接電阻。由前面分析可知,此電路的轉(zhuǎn)換關(guān)系為圖7-6單極性輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換應(yīng)用電路

2)可編程增益放大器

用AD7520可以構(gòu)成可編程增益放大器,電路如圖7-7所示。

電路中運(yùn)算放大器接成反相比例電路形式,ui為輸入、uo為輸出,Rf作為電路的輸入電阻,而倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)的總等效電阻作為放大器的反饋電阻。由電路及運(yùn)放的原理可得出電路增益如下：可以看出,只要調(diào)整數(shù)字信號(hào)D的數(shù)值,即可改變放大器的增益,做到增益可編程。圖7-7可編程增益放大器

7.2A/D轉(zhuǎn)換器

模數(shù)轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)稱A/D轉(zhuǎn)換器或A/D,可將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

7.2.1A/D轉(zhuǎn)換器的基本概念

1.A/D轉(zhuǎn)換器的原理

A/D轉(zhuǎn)換器的任務(wù)是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),我們都知道,模擬信號(hào)在時(shí)間和幅度上都是連續(xù)變化的,要將它轉(zhuǎn)換成在時(shí)間和幅度上都是離散的數(shù)字信號(hào),必須通過(guò)采樣、保持、量化、編碼四個(gè)部分來(lái)完成,如圖7-8所示。

圖7-8A/D轉(zhuǎn)換原理框圖

1)采樣保持

采樣的概念是將在時(shí)間上連續(xù)變化的信號(hào)選出可供轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的有限個(gè)點(diǎn),根據(jù)采樣定理,只要采樣頻率大于二倍的模擬信號(hào)頻譜中的最高頻率,則就不會(huì)丟失模擬信號(hào)所攜帶的信息。這樣就把一個(gè)在時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量變成了在時(shí)間上離散的電信號(hào)。由于每次把采樣電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量都需要一定的時(shí)間,所以在每次采樣后必須將所采得的電壓保持一段時(shí)間,完成這種功能的便是采樣保持電路,圖7-9示出了采樣保持電路的原理電路。圖7-9采樣保持原理電路電路中場(chǎng)效應(yīng)管V是采樣開(kāi)關(guān),受控于采樣脈沖,C是保持電容。當(dāng)采樣脈沖到來(lái)時(shí),模擬開(kāi)關(guān)閉合,模擬信號(hào)經(jīng)V向C充電,C上的電壓跟隨輸入信號(hào)變化。當(dāng)采樣脈沖消失,模擬開(kāi)關(guān)便斷開(kāi),C上的電壓會(huì)保持一段時(shí)間。具體情況如圖7-10所示,ui是待轉(zhuǎn)換的模擬信號(hào),ut是取樣脈沖,uo是經(jīng)采樣保持電路處理后的電壓信號(hào)。圖7-9中的A是用運(yùn)放構(gòu)成的緩沖放大器。

2)量化編碼

從圖7-10可看出,采樣保持后的信號(hào)uo已成為在時(shí)間上離散的階梯狀信號(hào),但由于這個(gè)信號(hào)的每個(gè)階梯值是從輸入信號(hào)取樣得來(lái)的,可能有無(wú)限多個(gè)值。而我們要用有限個(gè)n位二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示uo,則必須使uo的階梯狀電平與有限的2n個(gè)數(shù)字量相對(duì)應(yīng)。因此,必須將采樣后的值限定在2n個(gè)數(shù)字量所對(duì)應(yīng)的離散電平上,凡介于兩個(gè)離散電平之間的采樣值就用某種方式整理歸并到這兩個(gè)電平之一上,這種將幅值取整歸并的方式及過(guò)程稱為量化。量化后,有限個(gè)量化值可用n位一組的某種二進(jìn)制代碼對(duì)應(yīng)描述,這種用數(shù)字代碼表示量化幅值的過(guò)程稱為編碼。如圖7-10示出的是用三位二進(jìn)制數(shù)來(lái)量化編碼模擬信號(hào)的波形圖。在圖中,三位二進(jìn)制數(shù)可產(chǎn)生八個(gè)量化電平,而經(jīng)過(guò)采樣保持后的階梯信號(hào)uo有時(shí)剛好與量化電平相符,可直接進(jìn)行編碼,而有時(shí)不在離散的八個(gè)電平上,則需要量化,本圖采用四舍五入量化方式,即以相鄰兩個(gè)離散電平中間為準(zhǔn),采樣值進(jìn)行四舍五入處理歸并到上、下離散電平上。之后,再將量化后的信號(hào)以一定的編碼方式進(jìn)行編碼可得到標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字量信號(hào)。圖7-10模—數(shù)轉(zhuǎn)換波形

2.主要性能指標(biāo)

1)分辨率

分辨率是指A/D輸出數(shù)字量變化一個(gè)數(shù)碼所對(duì)應(yīng)的輸入模擬量的變化范圍。輸出數(shù)字量的位數(shù)越多,能分辨出的最小模擬電壓就越小,如八位A/D輸入最大模擬電壓為5V時(shí),則其分辨率為

A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率通常用輸出數(shù)字量的位數(shù)來(lái)表示,這與D/A轉(zhuǎn)換器相同。

2)絕對(duì)精度

絕對(duì)精度是指經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字量所代表的輸入模擬值與實(shí)際輸入模擬值之差。

通常以數(shù)字量最低位所代表的模擬輸入值ULSB作衡量單位,如ULSB/2、ULSB等。

3)轉(zhuǎn)換時(shí)間

轉(zhuǎn)換時(shí)間是指A/D轉(zhuǎn)換器完成一次從模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間,它反映了A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。7.2.2典型A/D轉(zhuǎn)換器原理

A/D轉(zhuǎn)換器的種類很多,按其工作原理的不同可分為直接A/D轉(zhuǎn)換器和間接A/D轉(zhuǎn)換器。所謂直接A/D轉(zhuǎn)換器,是指直接將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。典型電路有并行比較型、逐次比較型。而間接A/D轉(zhuǎn)換器則是先將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成某一中間電量,然后再將中間電量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出,其典型電路為雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器,電壓頻率轉(zhuǎn)換形A/D轉(zhuǎn)換器。

1.逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器

逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器由電壓比較器、邏輯控制器、D/A轉(zhuǎn)換器和數(shù)碼寄存器組成,圖7-11為原理框圖。圖7-11逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器原理框圖逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換原理類似用天平稱重量,一邊是采樣保持電路輸出的模擬電壓ui,另一邊是預(yù)先加上的反饋電壓uf(uf是數(shù)碼寄存器中的數(shù)字量經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換得來(lái)的),用比較器將ui與uf作比較,輸出去控制數(shù)碼寄存器中的數(shù)作加減。經(jīng)反復(fù)比較,使反饋電壓uf逐次逼近輸入模擬量ui。具體過(guò)程是,首先把數(shù)碼寄存器最高位置1,其余各位置0(即100…0)。該數(shù)碼經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后的輸出電壓為uf,它等于滿量程電壓的一半。將ui與uf作比較,若ui≥uf,比較器輸出C=0,則通過(guò)邏輯控制保留數(shù)碼寄存器最高位的1;若ui＜uf,比較器輸出C=1,則將數(shù)碼寄存器最高位由1變?yōu)?。然后,控制器再將數(shù)碼寄存器的次高位置1,低位還是0,此數(shù)碼再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換得出電壓uf,再與ui進(jìn)行比較以確定數(shù)碼寄存器的數(shù)值是1還是0。如此反復(fù)比較n次,直至數(shù)碼寄存器的最低位值確定,則此時(shí)數(shù)碼寄存器中產(chǎn)生的數(shù)碼即為A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量。

2.雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器

雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器也是常用的一種電路形式,它的基本原理是先將輸入模擬電壓通過(guò)兩次積分轉(zhuǎn)換為與其平均值成正比的時(shí)間間隔,然后用固定頻率的時(shí)鐘脈沖在這段時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行計(jì)數(shù),其計(jì)數(shù)器輸出的數(shù)字量就是正比于輸入模擬量的數(shù)字信號(hào)。

圖7-12是雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器原理框圖及工作波形。它由積分器、過(guò)零比較器、計(jì)數(shù)器、寄存器、時(shí)鐘源、邏輯控制等部分組成。圖7-12雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器(a)原理框圖;(b)工作波形下面結(jié)合波形討論其工作原理。

t=t0時(shí),控制器將轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)打到上面,積分器對(duì)模擬電壓ui進(jìn)行積分。此時(shí),積分器輸出uo小于零,過(guò)零比較器輸出ub為1,計(jì)數(shù)器開(kāi)始對(duì)CP脈沖計(jì)數(shù)。

t=t1時(shí),計(jì)數(shù)器輸入N1個(gè)脈沖后,滿容量溢出,計(jì)數(shù)器回零。同時(shí),控制器將轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)打到下面,積分器對(duì)基準(zhǔn)電壓－UREF進(jìn)行反方向積分,計(jì)數(shù)器重新計(jì)數(shù)。

t=t2時(shí),積分器輸出uo等于零,過(guò)零比較器輸出ub為0,計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。此時(shí)將計(jì)數(shù)器中的數(shù)N2輸出到寄存器,完成一次轉(zhuǎn)換。

雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器在一次轉(zhuǎn)換過(guò)程中要進(jìn)行兩次積分。第一次積分為采樣階段?？刂破魇归_(kāi)關(guān)S1接至模擬電壓ui,是在固定時(shí)間T1內(nèi)進(jìn)行積分,積分器輸出為(7-1)式中,Ui是輸入模擬電壓ui在0~t1時(shí)刻的平均值。第二次積分為比較階段。積分器對(duì)基準(zhǔn)電壓－UREF進(jìn)行反向積分。積分器輸出為(7-2)

在第二次積分結(jié)束時(shí),有(7-3)設(shè)CP脈沖的周期為TC,則式(7-3)可變?yōu)?7-4)即UiN1=UREFN2(7-5)7.2.3集成A/D轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用

集成A/D轉(zhuǎn)換器種類很多,如從使用的角度上看也可分為兩大類：一類在電子電路中使用,不帶使能控制端;另一類帶有使能端,可與微機(jī)直接相連。

1.ADC0804A/D轉(zhuǎn)換器

ADC0804是逐次比較型單通道CMOS八位A/D轉(zhuǎn)換器,其轉(zhuǎn)換時(shí)間小于100μs,電源電壓為+5V,輸入輸出都和TTL兼容,輸入電壓范圍為0～+5V模擬信號(hào),內(nèi)部含有時(shí)鐘電路。圖7-13為外引線圖。圖7-13ADC0804外引線圖圖7-14是其典型應(yīng)用電路。圖中4腳和19腳外接RC電路與內(nèi)部時(shí)鐘電路共同形成電路時(shí)鐘,其時(shí)鐘頻率f=(1/1.1)RC=

640kHz,對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換時(shí)間約為100μs。

電路的工作過(guò)程是：計(jì)算機(jī)給出片選信號(hào)(CS低電平)及寫(xiě)入信號(hào)(WR低電平),使A/D轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)工作,當(dāng)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)完成,轉(zhuǎn)換器的INTR端向計(jì)算機(jī)發(fā)出低電平中斷信號(hào),計(jì)算機(jī)接收后發(fā)出讀信號(hào)(RD低電平),則轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)便出現(xiàn)在D0～D7數(shù)據(jù)端口上。圖7-14ADC0804典型應(yīng)用電路

2.ICL7106A/D轉(zhuǎn)換器

ICL7106是雙積分型CMOS工藝四位BCD碼輸出A/D轉(zhuǎn)換器,它內(nèi)部包含雙積分A/D轉(zhuǎn)換電路、基準(zhǔn)電壓發(fā)生器、時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路、自動(dòng)極性變換、調(diào)零電路、七段譯碼器、LCD驅(qū)動(dòng)器及控制電路等。電路采用9V單電源供電,CMOS差動(dòng)輸入,可直接驅(qū)動(dòng)3(1/2)位液晶顯示器(LCD)。圖7-15是用ICL7106組成的直流電壓測(cè)量電路。圖7-15ICL7106組成直流電壓測(cè)量電路電路中U+對(duì)U－之間接9V直流電壓,通過(guò)內(nèi)部基準(zhǔn)電壓發(fā)生器在U+到COM之間產(chǎn)生2.8V基準(zhǔn)電壓,經(jīng)分壓電阻加在REF+、REF－基準(zhǔn)電壓輸入端,當(dāng)輸入量程為200mV時(shí),基準(zhǔn)電壓調(diào)至100mV,當(dāng)輸入量程為2V時(shí),基準(zhǔn)電壓為1V。OSC1～OSC3是時(shí)鐘振蕩電路引出端,外接定時(shí)電阻、電容產(chǎn)生內(nèi)部時(shí)鐘。IN+、IN－是差動(dòng)輸入端,將IN－與模擬地COM相連,IN+對(duì)COM之間為模擬電壓輸入。U接個(gè)位驅(qū)動(dòng)、T接十位驅(qū)動(dòng)、H接百位驅(qū)動(dòng)、abK是千位驅(qū)動(dòng)、P0為“－”號(hào)驅(qū)動(dòng)、BP接液晶背板。AZ、BUFF、INT分別接調(diào)零電容、積分電阻、積分電容,通過(guò)調(diào)整它們及基準(zhǔn)電壓,可將輸入量程調(diào)至2V(本電路為200mV)。小結(jié)

A/D和D/A轉(zhuǎn)換器集成芯片又可稱為ADC、DAC,它們都是大規(guī)模集成芯片,在電子系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。

D/A轉(zhuǎn)換器可將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量,其電路形式按其解碼網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、權(quán)電流網(wǎng)絡(luò)、T形電阻網(wǎng)絡(luò)、倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)等多種。其中以倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用較廣,由于其支路電流流向運(yùn)放反向端時(shí)不存在傳輸時(shí)間,因而具有較高的轉(zhuǎn)換速度。

A/D轉(zhuǎn)換器可將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,按其工作原理可分為直接型和間接型。直接型典型電路有并行比較型、逐次比較型,特點(diǎn)是工作速