第17章模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換

1、第第十十七七章章 模擬量和數(shù)字模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換量的轉(zhuǎn)換 第一節(jié)第一節(jié) 數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器 第二節(jié)第二節(jié) 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器 目錄目錄第一節(jié)第一節(jié) 數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器 DAC基本概念基本概念 DAC的電路結(jié)構(gòu)及工作原理的電路結(jié)構(gòu)及工作原理 DAC的主要技術(shù)指標(biāo)的主要技術(shù)指標(biāo) 返返 回回 我們把從數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換我們把從數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換成為成為數(shù)模轉(zhuǎn)換數(shù)模轉(zhuǎn)換，或，或D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換；把從模擬；把從模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換成為信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換成為模數(shù)轉(zhuǎn)換模數(shù)轉(zhuǎn)換，或或A / D 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換。 實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的電路稱為轉(zhuǎn)換的電路稱為D/A轉(zhuǎn)換器，

2、轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)寫(xiě)為簡(jiǎn)寫(xiě)為DAC；實(shí)現(xiàn)；實(shí)現(xiàn)A /D轉(zhuǎn)換的電路稱為轉(zhuǎn)換的電路稱為 A /D 轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)寫(xiě)為轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)寫(xiě)為ADC。返回返回傳感器傳感器模擬信號(hào)模擬信號(hào)ADC數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī) DAC模擬控制模擬控制返回返回 ADC和和DAC是將數(shù)字計(jì)算機(jī)應(yīng)用于生產(chǎn)是將數(shù)字計(jì)算機(jī)應(yīng)用于生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制的橋梁。過(guò)程自動(dòng)控制的橋梁。一、一、DAC基本概念基本概念返回返回 DACDn-1 Dn-2D0Uo1. DAC的基本框圖的基本框圖 DAC的輸入是的輸入是一個(gè)一個(gè)n位的二進(jìn)制位的二進(jìn)制數(shù)數(shù)D，表示為：，表示為：D=Dn-12n-1 + Dn-22n-2 + + D020 經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)DAC電路后輸出

3、為模擬電壓電路后輸出為模擬電壓Uo，其大小與輸入的二進(jìn)制代碼的大小成比，其大小與輸入的二進(jìn)制代碼的大小成比，設(shè)比例系數(shù)為設(shè)比例系數(shù)為K，則，則1o0D 2niiiUK 二、二、DAC的電路結(jié)構(gòu)及工作原理的電路結(jié)構(gòu)及工作原理1. T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC DAC包括權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開(kāi)關(guān)和求和包括權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開(kāi)關(guān)和求和放大器三個(gè)部分。放大器三個(gè)部分。返回返回3R Uo2RRRR2R2R2R2R2RS1S0S3S2D0D1D2D3URDA T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)2RRRR2R2R2R2RS1S0S3S2D0D1D2D3URDAUD1 0 0 0UDUR/24R同理同理:返回返回戴維寧等戴維寧

4、等效電路效電路D1=1 等效電壓源為等效電壓源為 UE=UR/23D2=1 等效電壓源為等效電壓源為 UE=UR/22D3=1 等效電壓源為等效電壓源為 UE=UR/21返回返回 DAC等效電路等效電路3R UoR2RUE應(yīng)用疊加原理應(yīng)用疊加原理電阻網(wǎng)絡(luò)開(kāi)路電壓電阻網(wǎng)絡(luò)開(kāi)路電壓UE為：為：3210RE32104 =(D2 + D2 + D2 + D2 ) 2UU oEE3 = = 3RUUUR3R4=0 = D 22iiiU 返回返回當(dāng)輸入當(dāng)輸入D是是n位數(shù)字量時(shí)：位數(shù)字量時(shí)：-1Ro=0 = D 22niiniUU T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC的特點(diǎn)：電阻種類只的特點(diǎn)：電阻種類只有有R和和2

5、R兩種，便于集成和提高精度。兩種，便于集成和提高精度。返回返回2. 倒倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)DACR Uo2RRRR2R2R2R2RS1S0S3S2D0D1D2D3URII = UR/ RI/21I/22I/23I/243Ro4=0 = D 22iiiUU 當(dāng)輸入當(dāng)輸入D是是n位數(shù)字量時(shí)：位數(shù)字量時(shí)：-1Ro=0 = D 22niiniUU 返回返回三、三、DAC的主要技術(shù)指標(biāo)的主要技術(shù)指標(biāo)1. 分辨率分辨率 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的分辨率是指最小輸出電數(shù)模轉(zhuǎn)換器的分辨率是指最小輸出電壓（對(duì)應(yīng)的輸入二進(jìn)制數(shù)為壓（對(duì)應(yīng)的輸入二進(jìn)制數(shù)為1）與最大輸出）與最大輸出電壓（對(duì)應(yīng)的輸入二進(jìn)制數(shù)的所有位全為電壓（對(duì)應(yīng)

6、的輸入二進(jìn)制數(shù)的所有位全為1）之比。之比。分辨率分辨率1/（ 2n 1 ）例如：常用的例如：常用的8位位DAC的分辨率約為的分辨率約為 1/（ 28 1 ） 0.004返回返回2. 精精 度度 轉(zhuǎn)換器的精度是指輸出模擬電壓的實(shí)際轉(zhuǎn)換器的精度是指輸出模擬電壓的實(shí)際值與理想值之差，即最大靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。值與理想值之差，即最大靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。3. 線性度線性度 通常用非線性誤差的大小表示數(shù)模轉(zhuǎn)通常用非線性誤差的大小表示數(shù)模轉(zhuǎn)換器的線性度。換器的線性度。4. 輸出電壓（或電流）的建立時(shí)間輸出電壓（或電流）的建立時(shí)間 從輸入數(shù)字信號(hào)起，到輸出電壓或電流從輸入數(shù)字信號(hào)起，到輸出電壓或電流到達(dá)穩(wěn)定所需的時(shí)間，稱

7、為建立時(shí)間。到達(dá)穩(wěn)定所需的時(shí)間，稱為建立時(shí)間。5. 電源抑制比電源抑制比 輸出電壓的變化與相對(duì)應(yīng)的電源電壓變輸出電壓的變化與相對(duì)應(yīng)的電源電壓變化之比，稱為電源抑制比。化之比，稱為電源抑制比。返回返回例、例、已知倒已知倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC的參考電壓的參考電壓UR =10V，試求出，試求出4位和位和8位位DAC的輸出最小電壓的輸出最小電壓和輸出最大電壓。和輸出最大電壓。4位：位：omin410=1V=0.625V2U 3210omax410=(2 +2 +2 +2 )V=9.375V2U 8位：位：omin810=1V=0.039V2U 8omax410=(21)V=9.96V2U 返回

8、返回常用常用DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器DAC08328位位CMOS D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器DAC100210位位COMS D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器AD7541A12位乘法型位乘法型D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器DAC6312位超高速位超高速D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 DAC729 18位超高分辨率位超高分辨率D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型ADC 逐次逼近型逐次逼近型ADC ADC的主要技術(shù)指標(biāo)的主要技術(shù)指標(biāo) 返返 回回第二節(jié)第二節(jié) 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器返回返回 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換的過(guò)程包括取樣、保持、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換的過(guò)程包括取樣、保持、量化、編碼四個(gè)步驟。量化、編碼四個(gè)步驟。 一般取樣、保持用一個(gè)取樣保持電路完一般取樣、保

9、持用一個(gè)取樣保持電路完成，量化與編碼用成，量化與編碼用ADC完成。完成。一、并聯(lián)比較型一、并聯(lián)比較型ADC包括分壓器、比較器、編碼器三部分：包括分壓器、比較器、編碼器三部分： 分壓器將輸入模擬量予以量化；再分壓器將輸入模擬量予以量化；再把得到的把得到的2N個(gè)量化電平與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行個(gè)量化電平與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較；再將比較結(jié)果進(jìn)行編碼，從而得比較；再將比較結(jié)果進(jìn)行編碼，從而得到相應(yīng)的數(shù)字量。到相應(yīng)的數(shù)字量。編編碼碼器器 RRRRRRREux8E28E38E48E58E68ER78EABCDEFGD0D1D2數(shù)字輸出數(shù)字輸出輸入電壓輸入電壓ux比較器輸入比較器輸入編碼器輸入編碼器輸入ABCDEFG D

10、2D1D0Eux7E/811111111117E/8ux6E/811111101106E/8ux5E/811111001015E/8ux4E/811110001004E/8ux3E/811100000113E/8ux2E/811000000102E/8uxE/81000000001E/8 ux00000000000 優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度快。優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度快。 缺點(diǎn)：需要的比較器數(shù)目多，位數(shù)越多此矛缺點(diǎn)：需要的比較器數(shù)目多，位數(shù)越多此矛 盾越突出。盾越突出。返回返回返回返回二、逐次逼近型二、逐次逼近型ADC 逐次逼近型模逐次逼近型模-數(shù)轉(zhuǎn)換器一般由順序脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換器一般由順序脈沖發(fā)生器、逐次逼近寄存器、

11、數(shù)發(fā)生器、逐次逼近寄存器、數(shù)-模轉(zhuǎn)換器和電模轉(zhuǎn)換器和電壓比較器等幾部分組成。壓比較器等幾部分組成。 逐次逼近是由逐次逼近是由D/A轉(zhuǎn)換器從高位到低位轉(zhuǎn)換器從高位到低位逐位增加轉(zhuǎn)換位數(shù)，產(chǎn)生不同的已知電壓逐位增加轉(zhuǎn)換位數(shù)，產(chǎn)生不同的已知電壓UA，把輸入電壓，把輸入電壓Ui逐次與這些已知電壓進(jìn)行逐次與這些已知電壓進(jìn)行比較而實(shí)現(xiàn)。比較而實(shí)現(xiàn)。順序脈沖順序脈沖發(fā)生器發(fā)生器逐次逼近逐次逼近寄存器寄存器DAC電電 壓壓比較器比較器輸入電壓輸入電壓Ui輸出數(shù)字量輸出數(shù)字量dUA基準(zhǔn)基準(zhǔn)UR返回返回8 g + 4 g8 g + 4 g + 2 g8 g + 4 g + 1 g8 g8g 13g ，12g 13

12、g，13g 13g，234 1砝砝 碼碼 重重比比 較較 判判 斷斷順順 序序保留保留保留保留撤去撤去保留保留 其工作原理可用天平秤重過(guò)程作比喻來(lái)其工作原理可用天平秤重過(guò)程作比喻來(lái)說(shuō)明。若有四個(gè)砝碼共重說(shuō)明。若有四個(gè)砝碼共重15克，每個(gè)重量分克，每個(gè)重量分別為別為8、4、2、1克。設(shè)待秤重量克。設(shè)待秤重量Wx = 13克，克，可以用下表步驟來(lái)秤量：可以用下表步驟來(lái)秤量：返回返回輸出為四位逐次逼近輸出為四位逐次逼近AD轉(zhuǎn)換過(guò)程轉(zhuǎn)換過(guò)程234 11 0 0 0UA Ui6 UA Ui5UA Ui“1”留否留否d3 d2 d1 d0UA(V)順順 序序比較判斷比較判斷1 1 0 01 0 1 01

13、0 1 1 例、例、UR= 8V，Ui = 5.52V3210A321048(d2d2d2d2 )2U 轉(zhuǎn)換數(shù)字量轉(zhuǎn)換數(shù)字量1011 4V+1V+0.5V = 5.5V轉(zhuǎn)換誤差為轉(zhuǎn)換誤差為 0.02V返回返回逐次逼近轉(zhuǎn)換過(guò)程逐次逼近轉(zhuǎn)換過(guò)程A/VU65432101 0 1 1清清零零t5.52返回返回1. 分辨率分辨率 以輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示分辨率。以輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示分辨率。 位數(shù)越多，誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高。位數(shù)越多，誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高。3. 轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度 完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間，即從接到完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間，即從接到轉(zhuǎn)換控制信號(hào)起，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)轉(zhuǎn)換控制信號(hào)起，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字量輸出所需要的時(shí)間。字量輸出所需要的時(shí)間。2.