數(shù)字電子技術(shù) 第八章 數(shù)模轉(zhuǎn)換 學(xué)習(xí)課件

第8章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換8.1概

述8.2D/A轉(zhuǎn)換器8.3A/D轉(zhuǎn)換器第8章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換教學(xué)基本要求：理解：A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的概念及主要性能指標(biāo)。了解：D/A、A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理。

8.1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，簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC(analog/digitalconversion)；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。物理過程微機(jī)傳感器A/DD/A執(zhí)行機(jī)構(gòu)物理過程v/iv/iDataData過程控制示意圖如：溫度、壓力、流量速度、位移等等8.2D/A轉(zhuǎn)換器8.2.1D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理

8.2.2D/A轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成8.2.3集成D/A轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用8.2.1D/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?；驹磙D(zhuǎn)換特性

D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性，是指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。Ku為電壓或電流的轉(zhuǎn)換比例系數(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：理想特性數(shù)字信號(hào)實(shí)際特性

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。分辨率的數(shù)值與轉(zhuǎn)換器輸入數(shù)字量的有效位數(shù)成反比，即數(shù)字量的有效位數(shù)越多，分辨率的數(shù)值越小，分辨力越強(qiáng)。因此在實(shí)際中常用輸入數(shù)字量的有效位數(shù)來表示分辨率，如12位D/A的分辨率為12位。

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（1/2）ULSB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。8.2.2D/A轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成無論模擬開關(guān)接到運(yùn)放的反相輸入端（虛地）還是接地（無論輸入數(shù)字信號(hào)是1還是0），各支路的電流均不變。01010101高位低位設(shè)RF=R/2缺點(diǎn)：需要多種阻值的電阻(R,2R,4R,…)，不利于集成。01010101高位低位電路構(gòu)成電子開關(guān)：d＝1→接“VR”;d=0→接“地”T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器只要求兩種阻值的電阻(R;2R)，因此最適合于集成工藝。缺點(diǎn)：①開關(guān)在電阻網(wǎng)絡(luò)和VR之間。②當(dāng)Si由地→VR時(shí)，需建立起相應(yīng)的VD，影響工作速度。③各開關(guān)動(dòng)作時(shí)間不同，輸出可能產(chǎn)生尖脈沖。如：1000→0111的轉(zhuǎn)換：可能為1000→0000→0100→0110→0111①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無論模擬開關(guān)接到運(yùn)算放大器的反相輸入端（虛地）還是接到地（無論輸入數(shù)字信號(hào)是1還是0），各支路的電流均不變。01010101高位低位01010101高位低位01010101高位低位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器（2）圖7-2倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)原理圖8.2.3集成D/A轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用RF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、倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器三大類。

T型和倒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。尤以倒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。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：8.3A/D轉(zhuǎn)換器8.3.1A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理

8.3.2A/D轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成8.3.3集成A/D轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用8.3.1A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理

1.采樣保持模擬電子開關(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。采樣階段：t0時(shí)刻S閉合，CH被迅速充電。兩個(gè)運(yùn)放放大器為電壓跟隨器，增益為1，因此t0－

t1階段uo＝ui。保持階段：t1時(shí)刻采樣階段結(jié)束，S斷開，A2的輸入阻抗為無窮大，CH沒有放電回路，兩端保持充電時(shí)的最終電壓值不變，因此t1－

t2階段uo維持不變。緩沖器

量化將采樣保持電路的采樣電平歸化到與之相接近的離散數(shù)字電平的過程。

量化階梯比較電平2.量化與編碼

編碼將量化的數(shù)值用二進(jìn)制數(shù)碼表示。以輸出為三位數(shù)字量為例,如左圖。（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）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)換速度指完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間。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。

4量化編碼部分的分類

直接比較型：輸入模擬信號(hào)直接與作為標(biāo)準(zhǔn)的參考電壓進(jìn)行比較得到按數(shù)字編碼的數(shù)字量或直接得到數(shù)字量。這種類型有反饋式、逐次比較式、電壓比較式。

間接比較型：不直接將輸入模擬信號(hào)與參考電壓進(jìn)行比較，而是將兩者都變?yōu)槟撤N物理量再進(jìn)行比較，然后將比較所得的時(shí)間（T）或頻率（f）進(jìn)行數(shù)字編碼。這種類型有雙積分式、電壓頻率變換式。1.雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器(a)原理框圖;(b)工作波形8.3.2A/D轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成定時(shí)器基本原理：對(duì)輸入模擬電壓ui和基準(zhǔn)電壓VREF進(jìn)行兩次積分。下面結(jié)合波形討論工作原理。

t=t0時(shí)，控制器將轉(zhuǎn)換開關(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，過零比較器輸出ub為1，計(jì)數(shù)器開始對(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)換開關(guān)打到下面，積分器對(duì)基準(zhǔn)電壓-VREF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)換過程中要進(jìn)行兩次積分。第一次積分為采樣階段。控制器使開關(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-VREF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)椋?-4）即（7-5）7.2.3集成A/D轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用1.ADC0804A/D轉(zhuǎn)換器圖7-13ADC0804外引線圖

ADC0804的典型應(yīng)用電路轉(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。原理框圖基本原理類似用天平稱重量3位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器轉(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8.3.3集成A/D轉(zhuǎn)換器及應(yīng)用

4集成ADC舉例

1）MC14433(位雙積分