第9章數(shù)模和模數(shù)轉換

1、2021-9-241學習要點：學習要點： 數(shù)模和模數(shù)轉換的基本原理數(shù)模和模數(shù)轉換的基本原理第第9 9章章 數(shù)模轉換與模數(shù)轉換器數(shù)模轉換與模數(shù)轉換器2021-9-242第第9 9章章 數(shù)模轉換與模數(shù)轉換器數(shù)模轉換與模數(shù)轉換器2021-9-243概述概述能將模擬量轉換為數(shù)字量的電路稱為模數(shù)轉換器，簡稱能將模擬量轉換為數(shù)字量的電路稱為模數(shù)轉換器，簡稱A/D轉換器或轉換器或ADC；能將數(shù)字量轉換為模擬量的電路稱為；能將數(shù)字量轉換為模擬量的電路稱為數(shù)模轉換器，簡稱數(shù)模轉換器，簡稱D/A轉換器或轉換器或DAC。ADC和和DAC是溝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通模擬電路和數(shù)字電路的

2、橋梁，也可稱之為兩者之間的接口?？凇６嗦烽_關數(shù)字控制計算機DACADC功率放大功率放大執(zhí)行機構執(zhí)行機構加熱爐加熱爐溫度傳感器溫度傳感器信號放大信號放大多路開關2021-9-2449.1 D/A轉換器轉換器2021-9-2459.1.1 D/A轉換器的基本原理轉換器的基本原理將輸入的每一位二進制代碼按其權的大小轉將輸入的每一位二進制代碼按其權的大小轉換成相應的模擬量，然后將代表各位的模擬換成相應的模擬量，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，量相加，所得的總模擬量就與數(shù)字量成正比，這樣便實現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉換。這樣便實現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉換。uo或io輸出D/Ad

3、0d1dn1輸入)2222(00112211oddddKunnnnu2021-9-24676543210000 001 010 011 100 101 110 111uo(V)DD/A轉換器的轉換特性，是指其輸出模擬量和輸入數(shù)字量之轉換器的轉換特性，是指其輸出模擬量和輸入數(shù)字量之間的轉換關系。圖示是輸入為間的轉換關系。圖示是輸入為3位二進制數(shù)時的位二進制數(shù)時的D/A轉換器的轉換器的轉換特性。理想的轉換特性。理想的D/A轉換器的轉換特性，應是輸出模擬量轉換器的轉換特性，應是輸出模擬量與輸入數(shù)字量成正比。即：輸出模擬電壓與輸入數(shù)字量成正比。即：輸出模擬電壓 uo=KuD或輸出或輸出模擬電流模擬電流

4、io=KiD。其中。其中Ku或或Ki為電壓或電流轉換比例系數(shù)，為電壓或電流轉換比例系數(shù)，D為輸入二進制數(shù)所代表的十進制數(shù)。如果輸入為為輸入二進制數(shù)所代表的十進制數(shù)。如果輸入為n位二進制位二進制數(shù)數(shù)dn-1dn-2d1d0，則輸出模擬電壓為：，則輸出模擬電壓為：)2222(00112211oddddKunnnnu2021-9-247 D/A轉換器原理電路轉換器原理電路R2R4R8RRFI1I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo+RVIRVIRVIRVIREFREFREFREF3210 2 4 8不論模擬開關接到運算放大器的反相輸入端（虛地）還是接到地，也就是不論

5、輸入數(shù)字信號是1還是0，各支路的電流不變的。2021-9-248R2R4R8RRFI1I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo+)2222(2248001122333321033221100ddddRVdRVdRVdRVdRVdIdIdIdIiREFREFREFREFREF)2222(22001122334oddddViRiRuREFFF設RF=R/22021-9-2499.1.2 9.1.2 倒倒T T形電阻網(wǎng)絡形電阻網(wǎng)絡D/AD/A轉換器轉換器希望用較少類型的電阻，仍然能得到一系列權電流2021-9-2410RRRR分別從虛線A、B、C、D處向右看的二端網(wǎng)絡

6、等效電阻都是R。不論模擬開關接到運算放大器的反相輸入端（虛地）還是接到地，也就是不論輸入數(shù)字信號是1還是0，各支路的電流不變。從參考電壓端輸入的電流為：RVIREFREF2021-9-2411RRR2R2R2R2R2RRFI1I1I2I3I0I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo+BCDA9.1.22021-9-2412RVIIRVIIRVIIRVIIREFREFREFREFREFREFREFREF16161 881441 2210123RRR2R2R2R2R2RRFI1I1I2I3I0I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo+

7、BCDARVIREFREF2021-9-2413)2222(2)214181161(001122334321033221100ddddRVRVdddddIdIdIdIiREFREF)2222(2001122334oddddRRViRiRuFREFFFFRRR2R2R2R2R2RRFI1I1I2I3I0I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo+BCDA習題9.1.12021-9-24147533AD實例： 集成集成D/A轉換器及其應用轉換器及其應用2021-9-2415（1）分辨率）分辨率(理論精度）理論精度）分辨率用輸入二進制數(shù)的有效位數(shù)表示。在分辨率為分辨率用

8、輸入二進制數(shù)的有效位數(shù)表示。在分辨率為n位的位的D/A轉換器中，輸出電壓能區(qū)分轉換器中，輸出電壓能區(qū)分2n個不同的輸入二進制代碼狀個不同的輸入二進制代碼狀態(tài)，能給出態(tài)，能給出2n個不同等級的輸出模擬電壓。個不同等級的輸出模擬電壓。分辨率也可以用分辨率也可以用D/A轉換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓轉換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓的比值來表示。的比值來表示。10位位D/A轉換器的分辨率為：轉換器的分辨率為：001. 010231121109.1.52021-9-24169.1.5 D/A轉換器的主要技術指標2. 轉換精度（實際精度）轉換精度（實際精度） D/A轉換器的轉換精度是指輸出模擬電壓轉

9、換器的轉換精度是指輸出模擬電壓的實際值與理想值之差，即最大靜態(tài)轉的實際值與理想值之差，即最大靜態(tài)轉換誤差。換誤差。 有時也用絕對誤差與輸出有時也用絕對誤差與輸出 電壓滿刻度的百分數(shù)來表示電壓滿刻度的百分數(shù)來表示2021-9-2417誤差分析nnREFOnnREFOREFDVVDVVV221引起的誤差.2021-9-2418移零點漂移導致的曲線漂由漂移誤差（失調誤差OpA）. 2電阻網(wǎng)絡的偏差引起，為模擬開關的導通內阻不非線性誤差0. 3對值相加總誤差：幾種誤差的絕*2021-9-24193.轉換速度轉換速度 （1）建立時間）建立時間 （2）轉換速率）轉換速率 （3）溫度系數(shù)）溫度系數(shù)2021-

10、9-2420本節(jié)小結：D/A轉換器的功能是將輸入的二進制數(shù)字信轉換器的功能是將輸入的二進制數(shù)字信號轉換成相對應的模擬信號輸出。號轉換成相對應的模擬信號輸出。D/A轉換器根轉換器根據(jù)工作原理基本上可分為二進制權電阻網(wǎng)絡據(jù)工作原理基本上可分為二進制權電阻網(wǎng)絡D/A轉換器和轉換器和T型電阻網(wǎng)絡型電阻網(wǎng)絡D/A轉換器兩大類。由于轉換器兩大類。由于T型電阻網(wǎng)絡型電阻網(wǎng)絡D/A轉換器只要求兩種阻值的電阻，轉換器只要求兩種阻值的電阻，因此最適合于集成工藝，集成因此最適合于集成工藝，集成D/A轉換器普遍采轉換器普遍采用這種電路結構。用這種電路結構。如果輸入的是如果輸入的是n位二進制數(shù)，則位二進制數(shù)，則D/A轉

11、換器轉換器的輸出電壓為：的輸出電壓為：)2222(200112211oddddVunnnnnREF2021-9-24219.2 A/D轉換器轉換器2021-9-24229.2.1 A/D的一般工作過程的一般工作過程dn-1d1d0數(shù)字量輸出(n位)ADC的數(shù)字化編碼電路 CPS SCADC采樣-保持電路采樣展寬信號輸入模擬電壓ui(t)us(t)模擬電子開關S在采樣脈沖CPS的控制下重復接通、斷開的過程。S接通時，ui(t)對C充電，為采樣過程；S斷開時，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)字化編碼電路轉換成一組n位的二進制數(shù)輸出。2021-9-2423+uiuoC

12、HSA1A2uCuo, uiuoui0(a) 電路圖(b) 波形圖 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11t采樣脈沖（fS）開關驅動電路t0時刻S閉合，CH被迅速充電，電路處于取樣階段。由于兩個放大器的增益都為1，因此這一階段uo跟隨ui變化，即uoui。t1時刻采樣階段結束，S斷開，電路處于保持階段。若A2的輸入阻抗為無窮大，S為理想開關，則CH沒有放電回路，兩端保持充電時的最終電壓值不變，從而保證電路輸出端的電壓uo維持不變。采樣定理：max2isff2021-9-24242.2.量化和編碼量化和編碼量化：將數(shù)值連續(xù)的模擬量轉換為數(shù)字量的過程。量化：將數(shù)

13、值連續(xù)的模擬量轉換為數(shù)字量的過程。 量化誤差：當采樣電壓不能被量化誤差：當采樣電壓不能被整除時，將引入量化誤差整除時，將引入量化誤差1.1. 2. 2. 編碼：將量化的結果用代碼表示出來（二進制，二編碼：將量化的結果用代碼表示出來（二進制，二- -十進十進制）制）111110101100011010001000111110101100011010001000輸入信號1V7/8V6/8V5/8V4/8V3/8V2/8V1/8V0二進制代碼輸入信號二進制代碼1V13/15V11/15V9/15V7/15V5/15V3/15V1/15V0代表的模擬電壓7=7/8（V）6=6/8（V）5=5/8（V）

14、4=4/8（V）3=3/8（V）2=2/8（V）1=1/8（V）0 =0 （V）代表的模擬電壓7=14/15（V）6=12/15（V）5=10/15（V）4= 8/15（V）3= 6/15（V）2= 4/15（V）1= 2/15（V）0 = 0 (V）舍尾取整法四舍五入法2021-9-24259.2.2 并行比較型并行比較型A/D轉換器轉換器00000001510RV0000001153151RRVV0000011155153RRVV0000111157155RRVV0001111159157RRVV00111111511159RRVV011111115131511RRVV1111111151

15、51513RRVVRV151RV153RV155RV157RV159RV1511RV1513量化2021-9-242600000001510RV0000001153151RRVV0000011155153RRVV0000111157155RRVV0001111159157RRVV00111111511159RRVV011111115131511RRVV111111115151513RRVV輸入量化 編碼111110101100011010001000習題9.2.12021-9-24272、特點、特點*快，快，CLK觸發(fā)信號到達到觸發(fā)信號到達到輸出穩(wěn)定建立只需幾十納輸出穩(wěn)定建立只需幾十納秒秒*精

16、度，受參考電壓、分壓精度，受參考電壓、分壓 網(wǎng)絡等因素影響網(wǎng)絡等因素影響*有存儲器，不需要有存儲器，不需要S/H電路電路*電路規(guī)模，電路規(guī)模，n位需要位需要2n-1比比較器，觸發(fā)器較器，觸發(fā)器2021-9-24282021-9-2429輸出數(shù)字量輸入模擬電壓uoui順序脈沖發(fā)生器逐次逼近寄存器D/A轉換器電壓比較器轉換開始前先將所有寄存器清零。開始轉換以后，時鐘脈沖首先將寄存器最高位置成1，使輸出數(shù)字為1000。這個數(shù)碼被D/A轉換器轉換成相應的模擬電壓uo，送到比較器中與ui進行比較。若uiuo，說明數(shù)字過大了，故將最高位的1清除；若uiuo，說明數(shù)字還不夠大，應將這一位保留。然后，再按同樣

17、的方式將次高位置成1，并且經(jīng)過比較以后確定這個1是否應該保留。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。2021-9-2430Q1 Q2 Q3 Q4 Q5ui1D C11D C11D C11D C11D C1&11FF1 FF2 FF3 FF4 FF5&uoCP +Cucd2(22)d1(21)d0(20)FFA Q FFB Q FFCG1 G2 G3G4 G5QG6G7G8=1(ui0)uodn-1 dn-2 d0+TCCO=：對輸入模擬電壓和基準電壓進行兩次積分，先對輸入模擬電壓進行積分，將其變換成與輸入模擬電壓成正比的時間間隔T1，再利用計數(shù)器

18、測出此時間間隔，則計數(shù)器所計的數(shù)字量就正比于輸入的模擬電壓；接著對基準電壓進行同樣的處理。2021-9-2433邏輯控制門定時器n 位二進制計數(shù)器&輸入模擬電壓基準電壓積分器比較器時鐘輸入控制門 Gn 位二進制數(shù)字輸出uiVREFS1S2RCCPCO=1(uo0)=0(uo0)uodn-1 dn-2 d0+TCCO=iREFnUVN22計 數(shù) 器 中 所 計 的 二 進 制 數(shù) 值2021-9-2434（1）分辨率A/D轉換器的分辨率用輸出二進制數(shù)的位數(shù)表示，位數(shù)越多，誤差越小，轉換精度越高。例如，輸入模擬電壓的變化范圍為05V，輸出8位二進制數(shù)可以分辨的最小模擬電壓為5V2820mV；而輸出12位二進制數(shù)可以分辨的最小模擬電壓為5V2121.22mV。（2）相對精度在理想情況下，所有的轉換點應當在一條直線上。相對精度是指實際的各個轉換點偏離理想特性的誤差。（3）轉換時間轉換時間是指完成一次轉換所需的時間。轉換時間是指從接到轉換控制信號開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字輸出信號所經(jīng)過的這段時間。2021-9-24359.2.6 集成集成A/D轉換器及應用轉換器及應用Uin(+) VCC D0Uin(-) D1AGND D2 ADC0801 D3UREF/2D4CLKRD5D6CLKinD7CSRDWRDGND INTR1k1k1k1k1k1k1k1k+5V+5V(1)(2)(10)