09-第9章 數(shù)—模和模—數(shù)轉(zhuǎn)換(31)

1、模數(shù)轉(zhuǎn)換模數(shù)轉(zhuǎn)換即將模擬電量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，使輸出即將模擬電量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，使輸出 的數(shù)字量與輸入的模擬電量成正比。的數(shù)字量與輸入的模擬電量成正比。 實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路稱模數(shù)轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路稱模數(shù)轉(zhuǎn)換器 A Analog to nalog to D Digital igital C Converteronverter，簡稱，簡稱 A/D A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 或或ADCADC。 數(shù)模轉(zhuǎn)換數(shù)模轉(zhuǎn)換即將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬電量即將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬電量( (電壓或電壓或 電流電流) )，使輸出的模擬電量與輸入的數(shù)字量成正比。，使輸出的模擬電量與輸入的數(shù)字量成正比。 實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路稱數(shù)模轉(zhuǎn)換器實

2、現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路稱數(shù)模轉(zhuǎn)換器 D Digital to igital to A Analog nalog C Converteronverter，簡稱，簡稱 D/A D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 或或 DACDAC。 第第9 9章章 數(shù)數(shù)模和模模和模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換 計計 算算 機機 模模 擬擬 信信 號號 模模 擬擬 信信 號號 A / DD / A 9.1.1 D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理轉(zhuǎn)換器的基本原理 1210 1210 2222 nn nn Ddddd 輸出模擬量與輸入數(shù)字量的關(guān)系輸出模擬量與輸入數(shù)字量的關(guān)系 1210 OO1210 ()(2222 ) nn nn VIKDK dddd 或 二進制數(shù)二

3、進制數(shù)D的按權(quán)展開式為的按權(quán)展開式為 9.1 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 K：轉(zhuǎn)換比例系數(shù)：轉(zhuǎn)換比例系數(shù) 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 倒倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 權(quán)電流型權(quán)電流型D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)D/A 轉(zhuǎn)換器等轉(zhuǎn)換器等 下面僅介紹下面僅介紹權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器和目前集成和目前集成D/A 轉(zhuǎn)換器中常用的轉(zhuǎn)換器中常用的倒倒T T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器。 D/A轉(zhuǎn)換器的組成轉(zhuǎn)換器的組成 按照譯碼網(wǎng)絡(luò)的不同分類：按照譯碼網(wǎng)絡(luò)的不同分類： D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器通常由通常由譯碼網(wǎng)絡(luò)譯碼網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)模擬開關(guān)、求和求和 運算

4、放大器運算放大器和和基準(zhǔn)電壓源基準(zhǔn)電壓源等部分組成。等部分組成。 9.1.2 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 4位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器主要由轉(zhuǎn)換器主要由權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、模模 擬開關(guān)擬開關(guān)、求和運算放大器求和運算放大器和和基準(zhǔn)電源基準(zhǔn)電源VREF四部分組成。四部分組成。 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò) 模擬開關(guān)模擬開關(guān) 求和運算求和運算 放大器放大器 基準(zhǔn)電源基準(zhǔn)電源 開關(guān)開關(guān)S S3 3S S0 0受受d d3 3d d0 0取取 值控制值控制: :d di i=0,s=0,si i接地接地; ; d di i=1,s=1,si i接接V VREF REF REF 33 V

5、Id R REF 22 2 V Id R REF 11 2 2 V Id R REF 00 3 2 V Id R OFF3210 ()VR iRIIII 3210REF 3210 4 (2222 ) 2 V dddd 模擬量的計算模擬量的計算 1210REF O1210 (2222 ) 2 nn nn n V Vdddd 特點特點：結(jié)構(gòu)比較簡單，所用的電阻元件數(shù)很少。：結(jié)構(gòu)比較簡單，所用的電阻元件數(shù)很少。 缺點缺點：各個電阻的阻值相差較大，尤其在輸入信號：各個電阻的阻值相差較大，尤其在輸入信號 的位數(shù)較多時，這個問題就更加突出。的位數(shù)較多時，這個問題就更加突出。 對于對于n n位的權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)位

6、的權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器: : 當(dāng)某位數(shù)碼為當(dāng)某位數(shù)碼為1時時,相應(yīng)的開關(guān)將電阻接到運算放大相應(yīng)的開關(guān)將電阻接到運算放大 器器A的反相輸入端的反相輸入端（求和點虛地）；（求和點虛地）； 當(dāng)某位數(shù)碼為當(dāng)某位數(shù)碼為0時時, ,相應(yīng)的開關(guān)將電阻接到運算放大相應(yīng)的開關(guān)將電阻接到運算放大 器的同相輸入端（地）。器的同相輸入端（地）。 9.1.3 倒倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 從每個節(jié)點向左看從每個節(jié)點向左看, 每個二端網(wǎng)絡(luò)的等每個二端網(wǎng)絡(luò)的等 效電阻均為效電阻均為R。 所以總電流所以總電流I= VREF R II/16 VREF 2R2R2R2R2R RRR I/8I/4I/

7、2 REF /IVR 3210 24816 IIII idddd 3210REF O3210 4 (2222 ) 2 V Vi Rdddd 對于對于n位輸入的倒位輸入的倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器：轉(zhuǎn)換器： 1210REF O1210 (2222 ) 2 nn nn n V Vdddd 節(jié)點節(jié)點: :兩個兩個 2R并聯(lián)等并聯(lián)等 效效R 每個節(jié)點都是兩個每個節(jié)點都是兩個2R并聯(lián)并聯(lián),電電 流每流經(jīng)一個節(jié)點被分流流每流經(jīng)一個節(jié)點被分流1/2。 1. 1. 電阻種類少，只有電阻種類少，只有R R和和2 2R R兩種，有利于提高制作精度兩種，有利于提高制作精度; ; 2 2模擬開關(guān)在地和虛地之

8、間轉(zhuǎn)換，不論開關(guān)狀態(tài)如何，模擬開關(guān)在地和虛地之間轉(zhuǎn)換，不論開關(guān)狀態(tài)如何， 各支路的電流始終不變，因此不需要電流建立時間；各支路的電流始終不變，因此不需要電流建立時間； 3 3各支路電流直接流入運算放大器的輸入端，不存在各支路電流直接流入運算放大器的輸入端，不存在 傳輸時間差，因而提高了轉(zhuǎn)換速度，并減小了動態(tài)傳輸時間差，因而提高了轉(zhuǎn)換速度，并減小了動態(tài) 過程中輸出端可能出現(xiàn)的尖峰脈沖。過程中輸出端可能出現(xiàn)的尖峰脈沖。 倒倒T T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)D/AD/A轉(zhuǎn)換器的特點是：轉(zhuǎn)換器的特點是： 1 1集成集成D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 AD7520的電路的輸入為的電路的輸入為10位二進制數(shù)，芯片內(nèi)只

9、含倒位二進制數(shù)，芯片內(nèi)只含倒 T形電阻網(wǎng)絡(luò)、形電阻網(wǎng)絡(luò)、CMOS電流開關(guān)和反饋電阻電流開關(guān)和反饋電阻 R（10K）。）。 9.1.4 集成集成D/AD/A轉(zhuǎn)換器及主要技術(shù)參數(shù)轉(zhuǎn)換器及主要技術(shù)參數(shù) 設(shè)基準(zhǔn)電壓設(shè)基準(zhǔn)電壓V VREF REF=-10V =-10V，則，則 10V/10k=1mAI 當(dāng)輸入數(shù)字量當(dāng)輸入數(shù)字量d d9 9d d8 8d d0 0均為均為1 1時，輸出電壓時，輸出電壓 當(dāng)輸入數(shù)字量當(dāng)輸入數(shù)字量d d9 9d d8 8d d0 0均為均為0 0時，輸出電壓時，輸出電壓 O 0VV Vo= - (-10)=9.99V10V 1023 1024 （1 1）轉(zhuǎn)換精度：分辨率、轉(zhuǎn)換

10、誤差）轉(zhuǎn)換精度：分辨率、轉(zhuǎn)換誤差 分辨率：指對輸出最小電壓的分辨能力，定義為最小輸出電壓分辨率：指對輸出最小電壓的分辨能力，定義為最小輸出電壓 VLSB（此時輸入數(shù)字代碼中只有最低有效位為（此時輸入數(shù)字代碼中只有最低有效位為1 1，其余各位均，其余各位均 為為0 0）與最大輸出電壓）與最大輸出電壓VOM（或稱滿量程輸出電壓，即此時輸（或稱滿量程輸出電壓，即此時輸 入數(shù)字代碼中各位均為入數(shù)字代碼中各位均為1 1）之比。）之比。 分辨率分辨率 LSB OM 1 21 n V V 如輸入數(shù)字代碼為如輸入數(shù)字代碼為10位的位的AD7520的分辨率的分辨率 10 11 0.001 102321 此時若輸

11、出模擬電壓滿量程為此時若輸出模擬電壓滿量程為10V，則其能夠分辨的最小電壓為，則其能夠分辨的最小電壓為 10 0.01V 1023 2 2主要技術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù) 轉(zhuǎn)換誤差：通常用輸出電壓滿量程轉(zhuǎn)換誤差：通常用輸出電壓滿量程FSR（Full Scale Range的的 縮寫）的百分數(shù)表示，也可以用最低有效位的倍數(shù)表示?？s寫）的百分數(shù)表示，也可以用最低有效位的倍數(shù)表示。 如，轉(zhuǎn)換誤差為如，轉(zhuǎn)換誤差為 1 LSB 2 表示輸出模擬電壓的絕對誤差等于最小輸出電壓表示輸出模擬電壓的絕對誤差等于最小輸出電壓 的一半。的一半。 LSB V （2）轉(zhuǎn)換速度）轉(zhuǎn)換速度 通常用建立時間通常用建立時間tset來定

12、量來定量 描述描述D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。 9.2.1 A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理轉(zhuǎn)換器的基本原理 A/D轉(zhuǎn)換器的功能是將模擬量的輸入轉(zhuǎn)換成數(shù)字轉(zhuǎn)換器的功能是將模擬量的輸入轉(zhuǎn)換成數(shù)字 量的輸出。量的輸出。 一個完整的一個完整的A/D轉(zhuǎn)換過程，通常要經(jīng)過轉(zhuǎn)換過程，通常要經(jīng)過取樣取樣和和保保 持持、量化量化和和編碼編碼步驟。步驟。 取樣：取樣：將時間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成時間上離散將時間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成時間上離散 的模擬量過程。的模擬量過程。 保持：保持：保持取樣信號，使有充分時間轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。保持取樣信號，使有充分時間轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。 9.2 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 1.

13、1. 取樣和保持取樣和保持 圖圖(a)為取樣過程框圖為取樣過程框圖 圖圖(c)中的中的S(t)為取樣信號為取樣信號 在取樣脈沖的在取樣脈沖的tw期間期間,開關(guān)開通開關(guān)開通,輸輸 出出=輸入輸入;在在Ts-tw期間期間,開關(guān)關(guān)閉。開關(guān)關(guān)閉。 圖圖(d)為取樣后的輸出為取樣后的輸出Vs 圖圖(e)為為通過取樣保持電路形成的通過取樣保持電路形成的 輸出信號輸出信號Vo 取樣保持電路取樣保持電路 2. 量化和編碼量化和編碼 量化：量化：把取樣保持電路的輸出信號用單位量化電壓的整數(shù)把取樣保持電路的輸出信號用單位量化電壓的整數(shù) 倍表示。方法一般有兩種：只舍不入、有舍有入。倍表示。方法一般有兩種：只舍不入、

14、有舍有入。 編碼：編碼：把量化的結(jié)果用二進制代碼表示。把量化的結(jié)果用二進制代碼表示。 只舍不入只舍不入 取量化單位取量化單位 n m /2V 0 0之間的模擬電壓歸并到之間的模擬電壓歸并到0 0 2之間的模擬電壓歸并到之間的模擬電壓歸并到1 1 此方法產(chǎn)生的最大量化誤差為此方法產(chǎn)生的最大量化誤差為 (V(Vm m為模擬電壓最大值為模擬電壓最大值,n,n為數(shù)為數(shù) 字代碼位數(shù)字代碼位數(shù)) ) 取量化單位取量化單位 n+1 m 2/(21)V 0 0/2之間的模擬電壓歸并到之間的模擬電壓歸并到0 0 /23/2之間的模擬電壓歸并到之間的模擬電壓歸并到1 1 此方法產(chǎn)生的最大量化誤差為此方法產(chǎn)生的最大

15、量化誤差為/2 有舍有入有舍有入 按工作原理：按工作原理： 分分直接直接A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器和和間接間接A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器兩類。兩類。 直接直接A/DA/D轉(zhuǎn)換器：轉(zhuǎn)換器： 并行比較型并行比較型A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 逐次比較型逐次比較型A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 間接間接A/DA/D轉(zhuǎn)換器：轉(zhuǎn)換器： 雙積分型雙積分型A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 電壓頻率轉(zhuǎn)換型電壓頻率轉(zhuǎn)換型A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 A/D轉(zhuǎn)換器分類轉(zhuǎn)換器分類 主要由主要由電壓比較器電壓比較器、D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器、控制邏輯控制邏輯、逐次逐次 逼近寄存器逼近寄存器和和輸出緩沖器輸出緩沖器等部分組成。等部分組成。 逐次

16、逼近型逐次逼近型A/DA/D轉(zhuǎn)換器是直接轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器是直接轉(zhuǎn)換A/DA/D轉(zhuǎn)換器的一種電路。轉(zhuǎn)換器的一種電路。 9.2.2 逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 （1 1）轉(zhuǎn)換開始前先將寄存器清零。）轉(zhuǎn)換開始前先將寄存器清零。 （2 2）轉(zhuǎn)換控制信號）轉(zhuǎn)換控制信號VS變?yōu)楦唠娖綍r開始轉(zhuǎn)換，時鐘信號首先變?yōu)楦唠娖綍r開始轉(zhuǎn)換，時鐘信號首先 將寄存器的最高位置為將寄存器的最高位置為1 1，其它位置置，其它位置置0 0，使寄存器的輸，使寄存器的輸 出為出為1000010000。 （3 3）將該數(shù)字量被）將該數(shù)字量被D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓VR。 （4 4）

17、比較，若）比較，若VRVi，說明數(shù)字過大了，則這個，說明數(shù)字過大了，則這個1 1應(yīng)取掉；若應(yīng)取掉；若 VR Vi時時, Co=0,J=0,K=1 當(dāng)當(dāng)CLKCLKi下降沿下降沿,Qi=0 當(dāng)當(dāng)VRVi時時,Co=1,J=1,K=0 當(dāng)當(dāng)CLKCLKi下降沿下降沿,Qi=1 當(dāng)當(dāng)CLK0下降沿時下降沿時,Q2=1,Q1=Q0=0 上述分析過程中采用的是只舍不入的量化方法，如上述分析過程中采用的是只舍不入的量化方法，如VREF=8V， 取樣電壓值取樣電壓值Vi=4.8V時時, ,其轉(zhuǎn)換結(jié)果其轉(zhuǎn)換結(jié)果D2D1D0=100, ,量化值為量化值為4=4V， 偏差偏差0.8V V，小于最大量化誤差，小于最

18、大量化誤差=1V。 送出的數(shù)字分別送出的數(shù)字分別 為為:100,110,101; 對應(yīng)的對應(yīng)的VR為為 3.5V,5.5V,4.5V; 結(jié)果結(jié)果=101 為了減少量化誤差，應(yīng)采用有舍有入的量化方法。為了減少量化誤差，應(yīng)采用有舍有入的量化方法。可以采用可以采用 在在3位位D/A轉(zhuǎn)換器的輸出級加一個偏移電路的方法，向下偏移轉(zhuǎn)換器的輸出級加一個偏移電路的方法，向下偏移/2。 誤差降為誤差降為/2。 雙積分型雙積分型A/DA/D轉(zhuǎn)換器是常用的一種間接轉(zhuǎn)換器是常用的一種間接A/DA/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。 工作過程：工作過程： 它首先將輸入的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成與之成正比的它首先將輸入的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成與之

19、成正比的 時間寬度信號；時間寬度信號； 然后在這個時間寬度里對固定頻率的時鐘脈沖計數(shù)；然后在這個時間寬度里對固定頻率的時鐘脈沖計數(shù)； 計數(shù)的結(jié)果就是正比于輸入模擬電壓的數(shù)字信號。計數(shù)的結(jié)果就是正比于輸入模擬電壓的數(shù)字信號。 9.2.3 雙積分型雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 主要由主要由積分器積分器、過零比較器過零比較器、計數(shù)器計數(shù)器、控制邏輯控制邏輯 和和時鐘脈沖源時鐘脈沖源等幾個部分組成。等幾個部分組成。 雙積分型雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的原理框圖轉(zhuǎn)換器的原理框圖 積分器積分器 過零比較器過零比較器 計數(shù)器計數(shù)器 控制邏輯控制邏輯 時鐘脈沖源時鐘脈沖源 轉(zhuǎn)換控制信號轉(zhuǎn)換控制信號VS=0，將計數(shù)器清

20、零，并接通開關(guān)，將計數(shù)器清零，并接通開關(guān)S0，使積分，使積分 電容電容C完全放電，同時開關(guān)完全放電，同時開關(guān)S1合到輸入信號合到輸入信號Vi一側(cè)。一側(cè)。 轉(zhuǎn)換控制信號轉(zhuǎn)換控制信號VS=1時開始轉(zhuǎn)換：時開始轉(zhuǎn)換： 第一次積分階段，第一次積分階段，S0斷開，積斷開，積 分器對分器對Vi進行固定時間進行固定時間T1的積分。的積分。 1 i1 Oi 0 1 TVT VdtV CRRC 第二次積分階段，令開關(guān)第二次積分階段，令開關(guān)S1轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 接至基準(zhǔn)電壓接至基準(zhǔn)電壓 -VREF一側(cè)，積分一側(cè)，積分 器向相反方向積分。器向相反方向積分。 2 REF1 Oi 0 1 0 TVT VdtV CRRC 工作過程：

21、工作過程： 21 i CCREF TT DV TT V 21 REFi TT VV RCRC ， 1 2i REF T TV V 1C TNT 若取若取 1C TNT i REF N DV V 則則 上式表明上式表明,反向積分到反向積分到Vo=0的時間的時間T2 與與Vi成正比。令計數(shù)器在成正比。令計數(shù)器在T2時間里時間里 對周期為對周期為Tc的時鐘脈沖的時鐘脈沖CLK計數(shù)計數(shù),則則 計數(shù)數(shù)字量計數(shù)數(shù)字量D也與也與Vi成正比：成正比： 故得到故得到 由右圖可以看出由右圖可以看出, ,當(dāng)當(dāng)Vi取兩個不同的數(shù)值取兩個不同的數(shù)值Vi1和和Vi2時時,反向積分反向積分 時間時間T2和和T2也不相同，且

22、與也不相同，且與Vi成正比。成正比。 此時此時 1C 2nTT則則 i REF 2n DV V 為了實現(xiàn)對上述雙積分過程的控制，用如下邏輯電路來完成：為了實現(xiàn)對上述雙積分過程的控制，用如下邏輯電路來完成： 當(dāng)當(dāng)計數(shù)器計滿計數(shù)器計滿2n返回全返回全0并進位并進位,使使S1接接-VREF開始反向積分。開始反向積分。 待待V0=0,比較器輸出比較器輸出0關(guān)閉關(guān)閉G1。 Vs=0, S0閉合閉合,C放電放電;計數(shù)器清計數(shù)器清0,S1接接Vi。當(dāng)。當(dāng)Vs=1, S0斷開斷開,積積 分器積分分器積分,因輸出負電壓因輸出負電壓,比較器輸出為比較器輸出為1,打開打開G1,計數(shù)器計數(shù)。計數(shù)器計數(shù)。 1 1集成集成A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 CC14433 CC14433為雙積分型集成為雙積分型集成A/DA/D轉(zhuǎn)換器，它采用轉(zhuǎn)換器，它采用CMOSCMOS工藝制造，工藝制造， 將模擬電路與數(shù)字電路集成在一個芯片，只需外接少量元件就可將模擬電路與數(shù)字電路集成在一個芯片，只需外接少量元件就可 以構(gòu)成一個具有自動調(diào)零和自動極性切換功能的以構(gòu)成一個具有自動調(diào)零和自動極性切換