第10章 模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器

1、第10章 模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器本章主要介紹了（1）數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC的基本原理及多種數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC的轉(zhuǎn)換原理。（2）數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC的主要性能。（3）模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的基本原理及多種模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的主要性能指標(biāo)。（4）常用集成DAC、ADC芯片及其使用方法。教學(xué)基本要求掌握D/A和A/D轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)。理解D/A和A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理。了解常用集成芯片的使用方法。重點(diǎn)與難點(diǎn)本章重點(diǎn)：D/A和A/D轉(zhuǎn)換器的基本概念和主要性能指標(biāo)。本章難點(diǎn)：D/A和A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理。主要教學(xué)內(nèi)容10.1   數(shù)模轉(zhuǎn)換器的基本原理10.1.1   數(shù)模轉(zhuǎn)換器

2、的概念 10.1.2   數(shù)模轉(zhuǎn)換原理 10.1.3   數(shù)模轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成及不同類型數(shù)模轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)10.2   DAC的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度10.2.1   轉(zhuǎn)換精度 10.2.2   轉(zhuǎn)換速度 10.3   模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基本原理10.3.1   模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基本原理10.3.2   實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的步驟10.3.3   模數(shù)轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成及不同類型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)10.4   模數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指

3、標(biāo)10.4.1   轉(zhuǎn)換精度10.4.2   轉(zhuǎn)換速度10.1   數(shù)模轉(zhuǎn)換器的基本原理 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的概念經(jīng)數(shù)字系統(tǒng)處理后的數(shù)字量，有時(shí)又要求再轉(zhuǎn)換成模擬量以便實(shí)際使用，這種轉(zhuǎn)換稱為“數(shù)模轉(zhuǎn)換”。完成數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱DAC（Digital to Analog Converter）。 數(shù)模轉(zhuǎn)換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，這樣便實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。其中為二進(jìn)制數(shù)按位權(quán)展開轉(zhuǎn)換成的十進(jìn)制數(shù)值。 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成及不同類型數(shù)

4、模轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)DAC主要由數(shù)字寄存器、模擬電子開關(guān)、位權(quán)網(wǎng)絡(luò)、求和運(yùn)算放大器和基準(zhǔn)電壓源（或恒流源）組成。用存于數(shù)字寄存器的數(shù)字量的各位數(shù)碼，分別控制對(duì)應(yīng)位的模擬電子開關(guān)，使數(shù)碼為1 的位在位權(quán)網(wǎng)絡(luò)上產(chǎn)生與其位權(quán)成正比的電流值，再由運(yùn)算放大器對(duì)各電流值求和，并轉(zhuǎn)換成電壓值。根據(jù)位權(quán)網(wǎng)絡(luò)的不同，可以構(gòu)成不同類型的DAC，如權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC、R2R倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC和單值電流型網(wǎng)絡(luò)DAC等。權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC 的轉(zhuǎn)換精度取決于基準(zhǔn)電壓VREF，以及模擬電子開關(guān)、運(yùn)算放大器和各權(quán)電阻值的精度。它的缺點(diǎn)是各權(quán)電阻的阻值都不相同，位數(shù)多時(shí)，其阻值相差甚遠(yuǎn)，這給保證精度帶來很大困難，特別是對(duì)于集成電路的制

5、作很不利，因此在集成的 DAC 中很少單獨(dú)使用該電路。它由若干個(gè)相同的R、2R網(wǎng)絡(luò)節(jié)組成， 每節(jié)對(duì)應(yīng)于一個(gè)輸入位。節(jié)與節(jié)之間串接成倒T形網(wǎng)絡(luò)。R2R倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC是工作速度較快、 應(yīng)用較多的一種。和權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)比較，由于它只有R、2R兩種阻值，從而克服了權(quán)電阻阻值多，且阻值差別大的缺點(diǎn)。電流型DAC則是將恒流源切換到電阻網(wǎng)絡(luò)中，恒流源內(nèi)阻極大，相當(dāng)于開路，所以連同電子開關(guān)在內(nèi)，對(duì)它的轉(zhuǎn)換精度影響都比較小，又因電子開關(guān)大多采用非飽和型的ECL開關(guān)電路，使這種DAC可以實(shí)現(xiàn)高速轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換精度較高。10.2   DAC的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度 轉(zhuǎn)換精度在DAC中一般用分辨率和轉(zhuǎn)換

6、誤差來描述轉(zhuǎn)換精度。1. 分辨率一般用 DAC 的位數(shù)來衡量分辨率的高低，因?yàn)槲粩?shù)越多，其輸出電壓vO的取值個(gè)數(shù)就越多（2n個(gè)），也就越能反映出輸出電壓的細(xì)微變化，分辨能力就越高。 此外，也可以用DAC能分辨出來的最小輸出電壓1 LSB與最大輸出電壓FSR之比定義分辨率。即該值越小，分辨率越高。2. 轉(zhuǎn)換誤差轉(zhuǎn)換誤差是指實(shí)際輸出的模擬電壓與理想值之間的最大偏差。常用這個(gè)最大偏差與FSR之比的百分?jǐn)?shù)或 若干個(gè)LSB表示。實(shí)際上它是三種誤差的綜合指標(biāo)。 轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度一般由建立時(shí)間決定。從輸入由全0突變?yōu)槿?時(shí)開始，到輸出電壓穩(wěn)定在FSR±½ LSB范圍（或以FSR±

7、;xFSR指明范圍）內(nèi)為止，這段時(shí)間稱為建立時(shí)間，它是DAC的最大響應(yīng)時(shí)間，所以用它衡量轉(zhuǎn)換速度的快慢。 10.3   模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基本原理 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基本原理將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的過程稱為“模數(shù)轉(zhuǎn)換”。完成模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱ADC（Analog to Digital Converter）。 實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的步驟模數(shù)轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過采樣、保持和量化、編碼這幾個(gè)步驟。采樣定理：當(dāng)采樣頻率大于模擬信號(hào)中最高頻率成分的兩倍時(shí)，采樣值才能不失真的反映原來模擬信號(hào)。 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成及不同類型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的種類很多，按工作原理的不同，可分成間接ADC和直接

8、ADC。間接ADC是先將輸入模擬電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間或頻率，然后再把這些中間量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，常用的有中間量是時(shí)間的雙積分型ADC。直接ADC則直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，常用的有并聯(lián)比較型ADC和逐次逼近型ADC。并聯(lián)比較型ADC：由于并聯(lián)比較型ADC采用各量級(jí)同時(shí)并行比較，各位輸出碼也是同時(shí)并行產(chǎn)生，所以轉(zhuǎn)換速度快是它的突出優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)轉(zhuǎn)換速度與輸出碼位的多少無關(guān)。并聯(lián)比較型ADC的缺點(diǎn)是成本高、功耗大。因?yàn)閚位輸出的ADC，需要2n個(gè)電阻，（2n1）個(gè)比較器和D觸發(fā)器，以及復(fù)雜的編碼網(wǎng)絡(luò)，其元件數(shù)量隨位數(shù)的增加，以幾何級(jí)數(shù)上升。所以這種ADC適用于要求高速、低分辯率的場(chǎng)合。逐次逼近型ADC：逐次逼近型ADC

9、是另一種直接ADC，它也產(chǎn)生一系列比較電壓VR，但與并聯(lián)比較型ADC不同，它是逐個(gè)產(chǎn)生比較電壓，逐次與輸入電壓分別比較，以逐漸逼近的方式進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的。逐次逼近型ADC每次轉(zhuǎn)換都要逐位比較，需要（n+1）個(gè)節(jié)拍脈沖才能完成，所以它比并聯(lián)比較型ADC 的轉(zhuǎn)換速度慢，比雙分積型ADC要快得多，屬于中速ADC器件。另外位數(shù)多時(shí)，它需用的元器件比并聯(lián)比較型少得多，所以它是集成ADC中，應(yīng)用較廣的一種。雙積分型ADC：屬于間接型ADC，它先對(duì)輸入采樣電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行兩次積分，以獲得與采樣電壓平均值成正比的時(shí)間間隔，同時(shí)在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)，用計(jì)數(shù)器對(duì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖（CP）計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器輸出的計(jì)數(shù)結(jié)果就是對(duì)應(yīng)的

10、數(shù)字量。雙積分型ADC優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)；穩(wěn)定性好；可實(shí)現(xiàn)高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換。主要缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度低，因此這種轉(zhuǎn)換器大多應(yīng)用于要求精度較高而轉(zhuǎn)換速度要求不高的儀器儀表中，例如用于多位高精度數(shù)字直流電壓表中。10.4   模數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo) 轉(zhuǎn)換精度集成ADC用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述轉(zhuǎn)換精度。1. 分辨率 通常以輸出二進(jìn)制或十進(jìn)制數(shù)字的位數(shù)表示分辨率的高低，因?yàn)槲粩?shù)越多，量化單位越小，對(duì)輸入信號(hào)的分辨能力就越高。例如：輸入模擬電壓的變化范圍為05 V，輸出8位二進(jìn)制數(shù)可以分辨的最小模擬電壓為5 V×2820 mV；而輸出12位二進(jìn)制數(shù)可以分辨的最小模擬電壓為5 V&

11、#215;2121.22 mV。2. 轉(zhuǎn)換誤差 它是指在零點(diǎn)和滿度都校準(zhǔn)以后，在整個(gè)轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)，分別測(cè)量各個(gè)數(shù)字量所對(duì)應(yīng)的模擬輸入電壓實(shí)測(cè)范圍與理論范圍之間的偏差，取其中的最大偏差作為轉(zhuǎn)換誤差的指標(biāo)。通常以相對(duì)誤差的形式出現(xiàn)，并以LSB為單位表示。例如ADC0801的相對(duì)誤差為±¼ LSB。 轉(zhuǎn)換速度完成一次模數(shù)轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間稱為轉(zhuǎn)換時(shí)間。大多數(shù)情況下，轉(zhuǎn)換速度是轉(zhuǎn)換時(shí)間的倒數(shù)。ADC的轉(zhuǎn)換速度主要取決于轉(zhuǎn)換電路的類型，并聯(lián)比較型ADC的轉(zhuǎn)換速度最高（轉(zhuǎn)換時(shí)間可小于50 ns），逐次逼近型ADC 次之（轉(zhuǎn)換時(shí)間在10100s 之間），雙積分型ADC 轉(zhuǎn)換速度最低（轉(zhuǎn)換時(shí)間在幾十毫秒至數(shù)百毫秒之間）。 自我檢測(cè)題1. 如果要將一個(gè)最大幅值為5.1 V的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，要求模擬信號(hào)每變化20 mV能使數(shù)字信號(hào)最低位（LSB）發(fā)生變化，那么應(yīng)選用多少位轉(zhuǎn)換器？2. 在雙積分型ADC中，（1）若被測(cè)電壓VI（max）=2 V，要求分辨率0.1 mV，則二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)容量N應(yīng)大于多少？（2）需要多少位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器？（3）若時(shí)鐘頻率fCP=200 kHz，則采樣保持時(shí)間至少是多少？ 思考