《電子技術基礎-數(shù)字電子技術》課件第7章

第7章數(shù)/模和模/數(shù)轉換器7.1D/A轉換器7.2A/D轉換器小結技能實訓

7.1D/A轉換器

7.1.1D/A轉換器的基本概念

1.D/A轉換器的原理

D/A轉換器的作用是將數(shù)字信號轉換成相應的模擬信號,其普遍采用的轉換方法是將輸入數(shù)字信號按其權值分別轉換成模擬信號,再通過運算放大器求和相加。如輸入為n位二進制數(shù)(D)2,則對應轉換后的模擬信號u應為

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

D/A轉換器的核心部分是一個能實現(xiàn)按權轉換的電阻解碼網(wǎng)絡,此外,還有基準電壓、電子開關、求和電路、數(shù)碼寄存等部分,如圖7-1所示。圖7-1D/A轉換器框圖

2.主要性能指標

1)分辨率

分辨率是指對輸出電壓的分辨能力,當D/A轉換器輸入相鄰兩個數(shù)碼時所對應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)轉換精度

轉換精度分絕對精度和相對精度。D/A轉換器的實際輸出值與理論計算值之差,稱為絕對精度,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。相對精度是絕對精度與滿刻度輸出電壓(或電流)之比,通常用百分數(shù)表示。

3)轉換時間

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

D/A轉換器按解碼網(wǎng)絡結構的不同分為權電阻網(wǎng)絡、權電流網(wǎng)絡、T形電阻網(wǎng)絡、倒T形電阻網(wǎng)絡等,本節(jié)僅以倒T形電阻網(wǎng)絡為例介紹轉換器的轉換原理。

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

電子模擬開關受輸入二進制數(shù)D0～D3控制,隨著D為0或1,各開關分別處于圖中0和1的位置。而無論S處于何位置,其電位均為零(運放同相端接地,反相端虛地),這樣,從圖中A、B、C、D各節(jié)點向里看對地的等效電阻均為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)絡原理圖所以電路中的電流關系如下：流入運放反相端的總電流在二進制數(shù)D控制下的表達式為iΣ=i3D3+i2D2+i1D1+i0D0

輸出電壓為7.1.3集成D/A轉換器及其應用

1.集成D/A轉換器AD7520

AD7520是10位電流輸出型D/A轉換器,轉換時間為500ns,電源電壓為+5～+15V。圖7-3示出了內部的電阻網(wǎng)絡結構。圖7-3AD7520內部電阻網(wǎng)絡結構

AD7520芯片內集成了10組倒T形電阻網(wǎng)絡、CMOS電子模擬開關和一個10kΩ的反饋電阻,而求和運算放大器和基準電壓必須外接。圖7-4是外引線圖,D0～D9為10個二進制數(shù)碼輸入端,Iout1和Iout2為電流輸出端,Rf為反饋電阻引出端,UREF為基準電壓輸入端。

圖中的電子模擬開關是一個受控于數(shù)字信號D的雙向開關,圖7-5所示為CMOS電子開關。它由9個MOS管構成,其中V1、V2、V3組成電平轉移電路,使輸入信號能與TTL電平兼容,V4～V7組成兩個反相器去推動V8、V9組成的模擬開關。圖7-4AD7520外引線圖圖7-5電子模擬開關當輸入Di為高電平時,V4、V5構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組成的模擬開關,使V8截止、V9導通,開關Si打到“1”。

當輸入Di為低電平時,V4、V5反相器輸出為高電平,V6、V7反相器輸出為低電平,使V8導通、V9截止,開關Si打到“0”。

電子模擬開關的電路形式除CMOS開關外,還有雙極型開關,其中又可分為三極管電流開關型和ECL電流開關型,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轉換器,它電路簡單、功耗低、轉換速度快,通用性強。

2.AD7520應用

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

2)可編程增益放大器

用AD7520可以構成可編程增益放大器,電路如圖7-7所示。

電路中運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)絡的總等效電阻作為放大器的反饋電阻。由電路及運放的原理可得出電路增益如下：可以看出,只要調整數(shù)字信號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轉換器

模數(shù)轉換器簡稱A/D轉換器或A/D,可將模擬信號轉換為數(shù)字信號。

7.2.1A/D轉換器的基本概念

1.A/D轉換器的原理

A/D轉換器的任務是將模擬信號轉換為數(shù)字信號,我們都知道,模擬信號在時間和幅度上都是連續(xù)變化的,要將它轉換成在時間和幅度上都是離散的數(shù)字信號,必須通過采樣、保持、量化、編碼四個部分來完成,如圖7-8所示。

圖7-8A/D轉換原理框圖

1)采樣保持

采樣的概念是將在時間上連續(xù)變化的信號選出可供轉換成數(shù)字量的有限個點,根據(jù)采樣定理,只要采樣頻率大于二倍的模擬信號頻譜中的最高頻率,則就不會丟失模擬信號所攜帶的信息。這樣就把一個在時間上連續(xù)變化的模擬量變成了在時間上離散的電信號。由于每次把采樣電壓轉換成數(shù)字量都需要一定的時間,所以在每次采樣后必須將所采得的電壓保持一段時間,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效應管V是采樣開關,受控于采樣脈沖,C是保持電容。當采樣脈沖到來時,模擬開關閉合,模擬信號經(jīng)V向C充電,C上的電壓跟隨輸入信號變化。當采樣脈沖消失,模擬開關便斷開,C上的電壓會保持一段時間。具體情況如圖7-10所示,ui是待轉換的模擬信號,ut是取樣脈沖,uo是經(jīng)采樣保持電路處理后的電壓信號。圖7-9中的A是用運放構成的緩沖放大器。

2)量化編碼

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

2.主要性能指標

1)分辨率

分辨率是指A/D輸出數(shù)字量變化一個數(shù)碼所對應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,則其分辨率為

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

2)絕對精度

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

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)轉換時間

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

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

1.逐次比較型A/D轉換器

逐次比較型A/D轉換器由電壓比較器、邏輯控制器、D/A轉換器和數(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轉換器原理框圖逐次比較型A/D轉換器的轉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轉換得來的),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)反復比較,使反饋電壓uf逐次逼近輸入模擬量ui。具體過程是,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轉換得出電壓uf,再與ui進行比較以確定數(shù)碼寄存器的數(shù)值是1還是0。如此反復比較n次,直至數(shù)碼寄存器的最低位值確定,則此時數(shù)碼寄存器中產(chǎn)生的數(shù)碼即為A/D轉換器輸出的數(shù)字量。

2.雙積分型A/D轉換器

雙積分型A/D轉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兩次積分轉換為與其平均值成正比的時間間隔,然后用固定頻率的時鐘脈沖在這段時間間隔內進行計數(shù),其計數(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。

圖7-12是雙積分型A/D轉換器原理框圖及工作波形。它由積分器、過零比較器、計數(shù)器、寄存器、時鐘源、邏輯控制等部分組成。圖7-12雙積分型A/D轉換器(a)原理框圖;(b)工作波形下面結合波形討論其工作原理。

t=t0時,控制器將轉換開關打到上面,積分器對模擬電壓ui進行積分。此時,積分器輸出uo小于零,過零比較器輸出ub為1,計數(shù)器開始對CP脈沖計數(shù)。

t=t1時,計數(shù)器輸入N1個脈沖后,滿容量溢出,計數(shù)器回零。同時,控制器將轉換開關打到下面,積分器對基準電壓－UREF進行反方向積分,計數(shù)器重新計數(shù)。

t=t2時,積分器輸出uo等于零,過零比較器輸出ub為0,計數(shù)器停止計數(shù)。此時將計數(shù)器中的數(shù)N2輸出到寄存器,完成一次轉換。

雙積分型A/D轉換器在一次轉換過程中要進行兩次積分。第一次積分為采樣階段?？刂破魇归_關S1接至模擬電壓ui,是在固定時間T1內進行積分,積分器輸出為(7-1)式中,Ui是輸入模擬電壓ui在0~t1時刻的平均值。第二次積分為比較階段。積分器對基準電壓－UREF進行反向積分。積分器輸出為(7-2)

在第二次積分結束時,有(7-3)設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轉換器及其應用

集成A/D轉換器種類很多,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,可與微機直接相連。

1.ADC0804A/D轉換器

ADC0804是逐次比較型單通道CMOS八位A/D轉換器,其轉換時間小于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,內部含有時鐘電路。圖7-13為外引線圖。圖7-13ADC0804外引線圖圖7-14是其典型應用電路。圖中4腳和19腳外接RC電路與內部時鐘電路共同形成電路時鐘,其時鐘頻率f=(1/1.1)RC=

640kHz,對應轉換時間約為100μs。

電路的工作過程是：計算機給出片選信號(CS低電平)及寫入信號(WR低電平),使A/D轉換器啟動工作,當轉換數(shù)據(jù)完成,轉換器的INTR端向計算機發(fā)出低電平中斷信號,計算機接收后發(fā)出讀信號(RD低電平),則轉換后的數(shù)據(jù)便出現(xiàn)在D0～D7數(shù)據(jù)端口上。圖7-14ADC0804典型應用電路

2.ICL7106A/D轉換器

ICL7106是雙積分型CMOS工藝四位BCD碼輸出A/D轉換器,它內部包含雙積分A/D轉換電路、基準電壓發(fā)生器、時鐘脈沖產(chǎn)生電路、自動極性變換、調零電路、七段譯碼器、LCD驅動器及控制電路等。電路采用9V單電源供電,CMOS差動輸入,可直接驅動3(1/2)位液晶顯示器(LCD)。圖7-15是用ICL7106組成的直流電壓測量電路。圖7-15ICL7106組成直流電壓測量電路電路中U+對U－之間接9V直流電壓,通過內部基準電壓發(fā)生器在U+到COM之間產(chǎn)生2.8V基準電壓,經(jīng)分壓電阻加在REF+、REF－基準電壓輸入端,當輸入量程為200mV時,基準電壓調至100mV,當輸入量程為2V時,基準電壓為1V。OSC1～OSC3是時鐘振蕩電路引出端,外接定時電阻、電容產(chǎn)生內部時鐘。IN+、IN－是差動輸入端,將IN－與模擬地COM相連,IN+對COM之間為模擬電壓輸入。U接個位驅動、T接十位驅動、H接百位驅動、abK是千位驅動、P0為“－”號驅動、BP接液晶背板。AZ、BUFF、INT分別接調零電容、積分電阻、積分電容,通過調整它們及基準電壓,可將輸入量程調至2V(本電路為200mV)。小結

A/D和D/A轉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)中被廣泛應用。

D/A轉換器可將數(shù)字量轉換成模擬量,其電路形式按其解碼網(wǎng)絡結構分為權電阻網(wǎng)絡、權電流網(wǎng)絡、T形電阻網(wǎng)絡、倒T形電阻網(wǎng)絡等多種。其中以倒T形電阻網(wǎng)絡應用較廣,由于其支路電流流向運放反向端時不存在傳輸時間,因而具有較高的轉換速度。

A/D轉換器可將模擬量轉換成數(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,特點是工作速