第九章 模數(shù)-數(shù)模轉(zhuǎn)換(第五版)

1、第九章第九章 D/AD/A和和A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.1 9.1 概述概述9.9.2 2 D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.9.3 A/D3 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 9.1 9.1 概概 述述 隨著數(shù)字電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)在自動(dòng)控隨著數(shù)字電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)在自動(dòng)控制、自動(dòng)檢測(cè)、電子信息處理及許多其他領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，制、自動(dòng)檢測(cè)、電子信息處理及許多其他領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，用數(shù)字電路來(lái)處理模擬信號(hào)的方式更加普遍。用數(shù)字電路來(lái)處理模擬信號(hào)的方式更加普遍。 完成完成A/DA/D轉(zhuǎn)換的電路稱(chēng)為轉(zhuǎn)換的電路稱(chēng)為A/DA/D轉(zhuǎn)換器（簡(jiǎn)稱(chēng)轉(zhuǎn)換器（簡(jiǎn)稱(chēng)ADCADC）。）。 完成完成D/AD/A轉(zhuǎn)換

2、的電路稱(chēng)為轉(zhuǎn)換的電路稱(chēng)為D/AD/A轉(zhuǎn)換器（簡(jiǎn)稱(chēng)轉(zhuǎn)換器（簡(jiǎn)稱(chēng)DACDAC）。）。9.2 9.2 D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器一、一、D/A轉(zhuǎn)換器的基本概念轉(zhuǎn)換器的基本概念 10O2niiinDKKDv數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)將將數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化成與其成正比的轉(zhuǎn)化成與其成正比的模擬信號(hào)模擬信號(hào)。01234567001010011100101110111D/A轉(zhuǎn)換器DDD01n-1.vo輸入輸出vo/VD000以三位以三位DAC為例，設(shè)為例，設(shè)K=1，可得出，可得出vO和和Dn的關(guān)系的關(guān)系D2D1D0vO0 0 00 V0 0 11 V0 1 0 2 V0 1 13 V1 0 04 V1 0 15

3、 V1 1 06 V1 1 17 Vn組成：組成：D/AD/A轉(zhuǎn)換器由數(shù)碼寄存器、模擬電子開(kāi)關(guān)電路、解碼轉(zhuǎn)換器由數(shù)碼寄存器、模擬電子開(kāi)關(guān)電路、解碼網(wǎng)絡(luò)、求和電路、基準(zhǔn)電壓幾部分構(gòu)成。網(wǎng)絡(luò)、求和電路、基準(zhǔn)電壓幾部分構(gòu)成。n原理：對(duì)數(shù)字量的每位二進(jìn)制代碼按其原理：對(duì)數(shù)字量的每位二進(jìn)制代碼按其權(quán)的大小權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字量成應(yīng)的模擬量，然后將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字量成正比的總模擬量，從而實(shí)現(xiàn)正比的總模擬量，從而實(shí)現(xiàn)D/AD/A轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換。數(shù)碼寄存器模擬 開(kāi)關(guān)譯碼 網(wǎng)絡(luò)求和放大器Du基準(zhǔn)電壓UEFDAC方框圖n分類(lèi)：分類(lèi)： 倒倒T T形電阻網(wǎng)

4、絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 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)電流權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器DDDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+Avoif1682R2R+V2RRI4R4IREFI8II2R2RIRIII1622模擬開(kāi)關(guān)模擬開(kāi)關(guān)S0S0S3S3 R R2R2R倒倒T T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)求和運(yùn)算放大器，基準(zhǔn)電求和運(yùn)算放大器，基準(zhǔn)電V VREFREF1、電路組成二、二、 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（4位倒位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)）形電阻網(wǎng)絡(luò)）2、工作原理、工作原理)2222(13223140DDDDRViREF)2(2304iiiREFDRV 輸

5、出電壓：輸出電壓：)2(2304iiiREFffODRVRRiv 將輸入數(shù)字量擴(kuò)展到將輸入數(shù)字量擴(kuò)展到n位，位，則有：則有：可簡(jiǎn)寫(xiě)為：可簡(jiǎn)寫(xiě)為：vO=KNB 其中：其中：)2(210iniinREFfODVRRvnREFfVRRK2三、三、 權(quán)電流型權(quán)電流型D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器DDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+AvoifI24I8I16IVREFDiiiffffODRIDDDDRIDIDIDIDIRRiv22)2222(2)16842(3040011223340123四、四、 D/AD/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)1、轉(zhuǎn)換精度：、轉(zhuǎn)換精度：1）分辨率：）分

6、辨率：D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級(jí)數(shù)。轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級(jí)數(shù)。 在實(shí)際應(yīng)用中，常用數(shù)字量的在實(shí)際應(yīng)用中，常用數(shù)字量的位數(shù)位數(shù)表示表示D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率轉(zhuǎn)換器的分辨率2）轉(zhuǎn)換誤差：）轉(zhuǎn)換誤差：比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差、非線性誤差等。比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差、非線性誤差等。2、轉(zhuǎn)換速度、轉(zhuǎn)換速度 當(dāng)輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時(shí)，輸出的模擬量并不能立當(dāng)輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時(shí)，輸出的模擬量并不能立即達(dá)到所對(duì)應(yīng)的量值，而需要一段時(shí)間。用建立時(shí)間和轉(zhuǎn)即達(dá)到所對(duì)應(yīng)的量值，而需要一段時(shí)間。用建立時(shí)間和轉(zhuǎn)換速率（換速率（SR）來(lái)描述轉(zhuǎn)換速度。）來(lái)描述轉(zhuǎn)換速度。3、 溫度系數(shù)：溫度系數(shù)： 在輸入

7、不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化產(chǎn)生在輸入不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化產(chǎn)生的變化量。一般用滿刻度輸出條件下溫度每升高的變化量。一般用滿刻度輸出條件下溫度每升高1，輸，輸出電壓變化的百分?jǐn)?shù)作為溫度系數(shù)。出電壓變化的百分?jǐn)?shù)作為溫度系數(shù)。例例 ：已知：已知4位倒位倒T型型DAC，輸入數(shù)字量為，輸入數(shù)字量為1101，uREF = - 8V，Rf=R，則輸出模擬量，則輸出模擬量uO=?解：解：VDUunREFO5 . 6) 148(2824 9.3 A/D9.3 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器一、一、A/DA/D轉(zhuǎn)換的一般步驟轉(zhuǎn)換的一般步驟 將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)，通常的轉(zhuǎn)將連續(xù)的模擬信號(hào)

8、轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)，通常的轉(zhuǎn)換過(guò)程為：換過(guò)程為：取樣、保持、量化和編碼。取樣、保持、量化和編碼。1、取樣與保持、取樣與保持 取樣定理：為了不失真地恢復(fù)原始信號(hào)，采樣頻率至少應(yīng)取樣定理：為了不失真地恢復(fù)原始信號(hào)，采樣頻率至少應(yīng)是原始信號(hào)是原始信號(hào)最高有效頻率的兩倍。最高有效頻率的兩倍。max2iSff取樣信號(hào)頻率取樣信號(hào)頻率輸入信號(hào)最高頻率輸入信號(hào)最高頻率OtvI(t)Ot)(tSOt)(tvoS(t)vI(t)vo( t )取取樣樣保保持持 取樣取樣保持電路保持電路電路組成及工作原理電路組成及工作原理（要求電路中（要求電路中Av1Av2=1） A1 開(kāi)開(kāi) 關(guān)關(guān) 驅(qū)驅(qū) 動(dòng)動(dòng) 電電 路路 A2

9、vI vo CH S t=t0時(shí)，時(shí)，S閉合，電容充電，閉合，電容充電，vo=vI，t0t1階段為取樣階段；階段為取樣階段；t=t1時(shí)，時(shí)，S斷開(kāi)，電容沒(méi)有放電回路，其兩端電壓保持?jǐn)嚅_(kāi)，電容沒(méi)有放電回路，其兩端電壓保持vo不不變，變，t1 t2階段為保持階段。階段為保持階段。2 2、量化與編碼、量化與編碼量化量化將采樣、保持后的信號(hào)幅值轉(zhuǎn)化成某個(gè)將采樣、保持后的信號(hào)幅值轉(zhuǎn)化成某個(gè)最小數(shù)量單位最小數(shù)量單位 （量化間隔量化間隔）的整數(shù)倍。）的整數(shù)倍。編碼編碼量化后的數(shù)值需要用一個(gè)代碼來(lái)表示，這一過(guò)程稱(chēng)為量化后的數(shù)值需要用一個(gè)代碼來(lái)表示，這一過(guò)程稱(chēng)為 編碼。編碼。（1）確定量化間隔：）確定量化間隔：

10、nFSVVLSB21分割數(shù)模擬輸入電壓范圍例：如有一模擬信號(hào)，幅值范圍為例：如有一模擬信號(hào)，幅值范圍為01V，要轉(zhuǎn)化為，要轉(zhuǎn)化為3位二位二進(jìn)制代碼，則其量化間隔為進(jìn)制代碼，則其量化間隔為1LSB=1/8V 。得到得到8個(gè)量化電平分別為個(gè)量化電平分別為0V、1/8V7/8V。 經(jīng)量化后的信號(hào)幅值經(jīng)量化后的信號(hào)幅值均為的整數(shù)倍，在量化過(guò)均為的整數(shù)倍，在量化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生誤差，稱(chēng)為程中會(huì)產(chǎn)生誤差，稱(chēng)為量量化誤差化誤差。最大量化誤差為。最大量化誤差為1/8V。方式一：舍尾取整（只舍不入量化方式方式一：舍尾取整（只舍不入量化方式 ） 如果如果0VvI1/8V 則量化為則量化為0 =0V； 1/8VvI2/

11、8V 則量化為則量化為1 =1/8V； 7/8VvI1V 則量化為則量化為7 =7/8V。（2）量化方法）量化方法1/82/83/84/85/86/87/80Vo/ Vt1如果如果 0VvI1/16V 則量化為則量化為0 =0V； 1/16VvI3/16V 則量化為則量化為1 =1/8V； 13/16VvI15/16V 則量化為則量化為7 =7/8V。取兩個(gè)離散電平中的相近值作為量化電平。取兩個(gè)離散電平中的相近值作為量化電平。方式二：四舍五入量化方式（舍入量化方式）方式二：四舍五入量化方式（舍入量化方式） 量化誤差為量化誤差為1/2 =1/16V1/82/83/84/85/86/87/80ui

12、/Vt11/163/165/167/169/1611/1613/1615/16二、二、 并行比較型并行比較型A/DA/D轉(zhuǎn)換器（轉(zhuǎn)換器（3 3位）位）優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度快優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度快缺點(diǎn)：電路復(fù)雜缺點(diǎn)：電路復(fù)雜1 1、轉(zhuǎn)換原理：、轉(zhuǎn)換原理：三、三、 逐次比較型逐次比較型A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器逐次逼近型逐次逼近型ADC的工作原理很像用天平稱(chēng)重的過(guò)程的工作原理很像用天平稱(chēng)重的過(guò)程 2、電路結(jié)構(gòu)、電路結(jié)構(gòu)CPd3d2d1d0vO比較結(jié)果比較結(jié)果處處 理理123410001100101010112.5V3.75V3.125V3.4375VvIvOvIvOvIvOvI vO（d3）1保留（d2）1不保

13、留（d1）1保留（d0）1保留如：Vi=3.5V,D3D2D1Do=10113 3 邏輯電路邏輯電路RSQC1RSQC11DS1RCQ1DS1RCQ1DS1RCQ1D123401DRQQQQQABCDESCPABCDEF移位寄存器DDDD123轉(zhuǎn)換器D/AVFFFFFFFFFF01234數(shù)據(jù)寄存器DDDD32100&CPQ5啟動(dòng)脈沖+5V+5V+5VC1REF（MSB）（LSB）vIvOvC1GG12FF5四、四、 A/DA/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)分辨率分辨率說(shuō)明說(shuō)明A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的分辨能力。轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的分辨能力。 一般以輸出二進(jìn)制（或十進(jìn)制）數(shù)的位數(shù)表示。因?yàn)椋话阋暂敵龆M(jìn)制（或十進(jìn)制）數(shù)的位數(shù)表示。因?yàn)?，在最大輸入電壓一定時(shí)，輸出位數(shù)愈多，量化單位在最大輸入電壓一定時(shí)，輸出位數(shù)愈多，量化單位愈小，分辨率愈高。愈小，分辨率愈高。1. 轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換誤差轉(zhuǎn)換誤差它表示它表示A/D轉(zhuǎn)