第7章 數(shù)模及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

1、第第7章章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器7.1 概述概述7.2 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器7.3 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器一、數(shù)一、數(shù)/模和模模和模/數(shù)器是模擬、數(shù)字系統(tǒng)間的橋梁數(shù)器是模擬、數(shù)字系統(tǒng)間的橋梁模模 / 數(shù)數(shù)（A / D）轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換:Analog to Digital Converter （ADC）數(shù)數(shù) / 模（模（）轉(zhuǎn)換）轉(zhuǎn)換:Digital to Analog Converter （DAC）數(shù)字計算機數(shù)字計算機模擬系統(tǒng)模擬系統(tǒng)A/DD/A二進制二進制線性線性存儲存儲分析分析控制控制物理物理 生物生物 化學化學二、二、 常見常見數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換器應用系統(tǒng)舉例數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換器應用系統(tǒng)舉例壓力傳感

2、器壓力傳感器溫度傳感器溫度傳感器流量傳感器流量傳感器四四路路模模擬擬開開關關數(shù)數(shù)字字控控制制計計算算機機DAC模擬控制器模擬控制器模擬控制器模擬控制器液位傳感器液位傳感器DACDAC模擬控制器模擬控制器模擬控制器模擬控制器生生 產(chǎn)產(chǎn) 控控 制制 對對 象象DACADC三、三、A / D、D / A 轉(zhuǎn)換器的精度和速度轉(zhuǎn)換器的精度和速度精度精度保證轉(zhuǎn)換的保證轉(zhuǎn)換的準確性準確性速度速度保證保證適時控制適時控制7.2.1 D / A轉(zhuǎn)換的基本要求轉(zhuǎn)換的基本要求1. D / A轉(zhuǎn)換思路轉(zhuǎn)換思路d0d1dn-1uO或或iOn 位位二進制二進制如如 ( (1101) )213148212121023 10

3、210niiidN可利用運算放大器實現(xiàn)運算可利用運算放大器實現(xiàn)運算2. 轉(zhuǎn)換特性轉(zhuǎn)換特性DuO/V7654321001 010 011 100 101 110 111一、輸入、輸出關系框圖一、輸入、輸出關系框圖二、二、D/A 轉(zhuǎn)換的電路組成轉(zhuǎn)換的電路組成RRR2R2R2R2RUREFS0S1S2d0d0d1d2d1d2電子電子開關開關電阻網(wǎng)絡電阻網(wǎng)絡求和運放求和運放當當 d2d1d0 = 100,II / 2I / 4I / 8I/2I = UREF / RRIu2O RRU2REF 23REF212 UuO三、工作原理三、工作原理當當 d2d1d0 = 110,IRRR2R2R2R2RURE

4、FuOI / 2I / 4I / 8RIIu)42(O )2121(2123REF URRURU)42(REFREF 當當 d2d1d0 = 111,IRRR2R2R2R2RUREFuOI / 2I / 4I / 8RIIIu)842(O )212121(20123REF URRURURU)842(REFREFREF 表達的一般形式表達的一般形式)222(20011223REFO dddUu四、輸入為四、輸入為 n 位二進制數(shù)時的表達式位二進制數(shù)時的表達式當當 D = dn-1 dn-2 d1 d0 )22.2(2001111REFO dddUunnnDKDUun uREFO2Ku 轉(zhuǎn)換比例系

5、數(shù)轉(zhuǎn)換比例系數(shù)nUK2REFu 7.2.2 DAC 的轉(zhuǎn)換精度、速度和主要參數(shù)的轉(zhuǎn)換精度、速度和主要參數(shù)一、轉(zhuǎn)換精度一、轉(zhuǎn)換精度指指 D/A 轉(zhuǎn)換器模擬輸出產(chǎn)生的最小電壓變化量與滿轉(zhuǎn)換器模擬輸出產(chǎn)生的最小電壓變化量與滿刻度輸出電壓之比，也可用輸入的位數(shù)表示?？潭容敵鲭妷褐?，也可用輸入的位數(shù)表示。為實際輸出與理想輸出模擬電壓間的最大誤差。為實際輸出與理想輸出模擬電壓間的最大誤差。 ULSBUFSR=12n1分辨率分辨率=LSB Least Significant Bit2.轉(zhuǎn)換誤差轉(zhuǎn)換誤差可用占輸出電壓滿刻度值的百分數(shù)表示或可用最可用占輸出電壓滿刻度值的百分數(shù)表示或可用最低有效位（低有效位（L

6、SB）的倍數(shù)表示。）的倍數(shù)表示。如如: （LSB）= 輸入為輸入為 001 時輸出模擬電壓的一半。時輸出模擬電壓的一半。1.1.分辨率分辨率（Resolution）FSR Full Scale Range二、轉(zhuǎn)換速度二、轉(zhuǎn)換速度1. 建立時間建立時間 ts ts 為在大信號工作下（輸入由為在大信號工作下（輸入由全全 0 變?yōu)槿優(yōu)槿?1，或由或由全全 1 變?yōu)槿優(yōu)槿?0）, 輸出輸出 電壓達到某一規(guī)定值所需時間電壓達到某一規(guī)定值所需時間 。不包含不包含 UREF 和運放的單片和運放的單片 DAC 最短最短 ts 0.1 s；包含包含UREF 和運放的單片和運放的單片 DAC 最短最短 t s

7、 1.5 s。2. 轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率 SR 用大信號工作狀態(tài)下模擬電壓的變化率表示用大信號工作狀態(tài)下模擬電壓的變化率表示TTR = ts + tr （tf）上升時間下降時間完成一次轉(zhuǎn)換所需時間TTR（max） = ts+ UO（max） / SR三、主要參數(shù)三、主要參數(shù)D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 5G7520 的主要參數(shù)的主要參數(shù)參數(shù)名稱參數(shù)名稱單單 位位參數(shù)值參數(shù)值分辨率分辨率位位10非線性度非線性度全量程的全量程的 % 0.05 %轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間ns 500UREFV25 +25電源電壓電源電壓V5 15功功 耗耗mW 20溫度溫度系數(shù)系數(shù)電源電源FSR 106/C50增益增益FSR 106/

8、C10非線性非線性FSR 106/C2uI(t)CADC的的量化編碼量化編碼電路電路dn-1d1d0u I(t)S模擬量模擬量數(shù)字量數(shù)字量量化編碼量化編碼取樣：取樣：把時間連續(xù)變化的信號變換為時間離散的信號。把時間連續(xù)變化的信號變換為時間離散的信號。保持：保持：保持取樣信號保持取樣信號,使有充分時間將其變?yōu)閿?shù)字信號。使有充分時間將其變?yōu)閿?shù)字信號。取樣保持取樣保持（S / H Sample / Hold）當滿足當滿足 fs 2 fimax 時時, 取樣信號可恢復原信號。取樣信號可恢復原信號。fs 取樣頻率。取樣頻率。 fimax 信號的最高頻率分量。信號的最高頻率分量。 tOuIfO)( fAf

9、s fimax fimaxuI tO三、量化和編碼三、量化和編碼量化單位量化單位數(shù)字信號最低位數(shù)字信號最低位LSB所對應的模擬信號大小，所對應的模擬信號大小，用用 表示（即表示（即 1 ）。）。量化量化把取樣后的保持信號化為量化單位的整數(shù)倍。把取樣后的保持信號化為量化單位的整數(shù)倍。量化誤差量化誤差因模擬電壓不一定能被因模擬電壓不一定能被 整除而引起的誤差。整除而引起的誤差。編碼編碼把量化的數(shù)值用二進制代碼表示。把量化的數(shù)值用二進制代碼表示。劃分量化電平的兩種方法劃分量化電平的兩種方法01V1/82/83/84/85/86/87/8000001010011100101110111模擬模擬電平電平

10、二進制二進制代碼代碼代表的代表的模擬電平模擬電平0 = 01 = 1/82 = 2/83 = 3/84 = 4/85 = 5/86 = 6/87 =(7/ 8)V1V1/153/155/157/159/15 11/15 13/150000010100111001011101110模擬模擬電平電平二進制二進制代碼代碼代表的代表的模擬電平模擬電平0 = 01 = 2/152 = 4/153 = 6/154 =8/155 = 10/156 = 12/157 =(14/15)V最大量化誤差最大量化誤差 = = (1 / 8) V = / 2 = (1/15)V7.3.2 取樣取樣 - 保持電路保持電路

11、一、電路組成及工作原理一、電路組成及工作原理當當 uL 為為高高電平：電平：RfChRiuIuOuLTRf = RiT 導通，導通，Ch 充電至：充電至：uO = uI = uC當當 uL 為為低低電平：電平：T 截止，截止，Ch 基本不放電。基本不放電。uO 保持保持：為使為使 Ch 充電快充電快，Ri 越越小小越越好；好；為使電路輸入電阻高為使電路輸入電阻高，Ri 越越大大越越好。好。二、改進電路二、改進電路 (LF198) 及工作原理及工作原理R2ChR1uIuOuLu O300 30 k D1D2S當當 uL = 1， S 閉合閉合 uO = u O = uI ， uC = uI 當當

12、 uL = 0， S 斷開斷開 uO 保持保持D1 、D2的作用的作用：限制：限制 u O 在在 uI + uD以內(nèi)，起保護作用。以內(nèi)，起保護作用。6 2145387uOuIuLChLF198一一 、基本工作原理電路、基本工作原理電路7.3.3 逐次漸近型逐次漸近型 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器D/AuI逐次漸近逐次漸近寄存器寄存器比較器比較器參考參考電源電源時鐘時鐘信號信號MSBLSBMSBLSB并行數(shù)字輸出并行數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換控制信號轉(zhuǎn)換控制信號3.2V10008V101004V00102V000113V00011讀出控制讀出控制控制邏輯控制邏輯電路電路逐次漸近逐次漸近寄存器寄存器比比較較器器 二、轉(zhuǎn)

13、換過程舉例二、轉(zhuǎn)換過程舉例3 位位 D/AQ1S1Rd0 +CPd1d2 1Q1S1RFFBFFC1 d0d1d2uIuOuCC5位環(huán)行移位寄存器位環(huán)行移位寄存器Q1Q2 Q3Q4Q5QFFA1S1R /2輸出偏移輸出偏移Q n+1 1 1 1 0 0 1 0 0功能功能R SQ n10不用不用保持保持置置1置置0不許不許CP 12345Q1 Q2Q3 Q4 Q5QA QB QCuI/VuO/V u O/VuCd2 d1 d00 0 0 0 1 0 0 05.90 0.500 0 01 0 0 0 01 0 043.500 0 00 1 0 0 0 1 1 065.500 0 00 0 1 0

14、 0 1 1 176.510 0 00 0 0 1 01 1 065.500 0 00 0 0 0 1 1 1 065.501 1 07.3.4 雙積分型雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換思路：轉(zhuǎn)換思路：模擬輸入模擬輸入 uI t t 控制計數(shù)控制計數(shù) CP 個數(shù)個數(shù)輸出二進制數(shù)輸出二進制數(shù) 一、電路組成和工作原理一、電路組成和工作原理CO S2CS1uI邏輯邏輯控制門控制門C定時器定時器n 位二進制位二進制計數(shù)器計數(shù)器&dn1d0uCP基準電壓基準電壓 0 正向積分：正向積分：對被測信號對被測信號uI進行定時積分，完成一次進行定時積分，完成一次 2n 進制計數(shù)。進制計數(shù)。 反向積分反

15、向積分：對：對基準電壓積分基準電壓積分至至u= 0，計數(shù)結(jié)果與計數(shù)結(jié)果與uI成正比。成正比。S2CS1uI邏輯邏輯控制門控制門C定時器定時器3 位二進制位二進制計數(shù)器計數(shù)器&d2d0u基準電壓基準電壓 逐次比較型逐次比較型 雙積分型雙積分型7.3.7 幾種幾種A/D轉(zhuǎn)換器的性能比較轉(zhuǎn)換器的性能比較一、一、A/D類型：類型：直接直接 A/D反饋比較型：反饋比較型：逐次比較型逐次比較型，計數(shù)型。，計數(shù)型。間接間接 A/D電壓電壓-時間變換型（時間變換型（V -T）：）：雙積分型雙積分型電壓電壓-頻率變換型（頻率變換型（V- F）并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型二、性能比較：二、性能比較：優(yōu)點優(yōu)點缺點缺

16、點并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型轉(zhuǎn)換速度高轉(zhuǎn)換速度高轉(zhuǎn)換精度差轉(zhuǎn)換精度差逐次比較型逐次比較型分辨率高、誤差低分辨率高、誤差低轉(zhuǎn)換速度較快轉(zhuǎn)換速度較快雙積分型雙積分型性能穩(wěn)定性能穩(wěn)定轉(zhuǎn)換精度高轉(zhuǎn)換精度高抗干擾能力強抗干擾能力強轉(zhuǎn)換速度低轉(zhuǎn)換速度低一、一、D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器1. 功能：功能：將輸入的二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成與之成正比將輸入的二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成與之成正比的模擬電量。的模擬電量。2. 種類：種類：權(quán)電阻網(wǎng)絡、權(quán)電阻網(wǎng)絡、R - 2R T 形電阻網(wǎng)絡和形電阻網(wǎng)絡和 R - 2R 倒倒 T 形電阻網(wǎng)絡形電阻網(wǎng)絡 D/A 轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換有多種方式，常用的是實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換有多種方式，常用的是電阻網(wǎng)絡電阻

17、網(wǎng)絡 D/A 轉(zhuǎn)換器，包括轉(zhuǎn)換器，包括 其中以其中以 R - 2R 倒倒 T 形電阻網(wǎng)絡形電阻網(wǎng)絡 D/A 轉(zhuǎn)換器為重點作了詳轉(zhuǎn)換器為重點作了詳細介紹，它的特點是速度快、性能好，適合于集成工藝制造，細介紹，它的特點是速度快、性能好，適合于集成工藝制造，因而被廣泛采用。因而被廣泛采用。3. 分辨率和轉(zhuǎn)換精度：分辨率和轉(zhuǎn)換精度： 與與 D/A 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換器的位數(shù)位數(shù)有關，位數(shù)越多，分辨率和精度越高。有關，位數(shù)越多，分辨率和精度越高。二、二、A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器1. 功功 能：能： 將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與之成正比將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與之成正比的二進制數(shù)。的二進制數(shù)。2. 轉(zhuǎn)換過程：轉(zhuǎn)換過程： 采樣、保持、量化、編碼。采樣、保持、量化、編碼。采樣采樣 保持保持電路電路A / D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器采樣采樣 - 保持電路：保持電路： 對輸入模擬信號抽取樣值，并展寬（保持）。對輸入模擬信號抽取樣值，并展寬（保持）。采樣時必須滿足采樣定理，即采樣時必須滿足采樣定理，即 fs 2 fImax 。量化量化 對樣值脈沖進行分級。對樣值脈沖進行分級。編碼編碼 將分級后的信號轉(zhuǎn)換成二進制代碼。將分級后的信號轉(zhuǎn)換成二進制代碼。A / D 轉(zhuǎn)換器：轉(zhuǎn)換器：二、二、A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器3. 種類：種類：直接轉(zhuǎn)換型和間接轉(zhuǎn)換型。直接