重慶科創(chuàng)學院教案DA與AD轉換

1、第第11章章 D/A與與A/D轉換轉換數字電子技術數字電子技術 Digital Electronics TechnologyDigital Electronics Technology2022-4-3011.1 概述概述1. 模模-數轉換數轉換n定義：定義：模擬信號到數字信號的轉換稱為模模擬信號到數字信號的轉換稱為模-數轉換，或數轉換，或稱為稱為A/D（Analog to Digital）。）。n把實現把實現A/D轉換的電路稱為轉換的電路稱為A/D轉換器（轉換器（Analog Digital Converter ADC）。）。2. 數數-模轉換模轉換n定義：定義：模擬信號到數字信號的轉換稱為模

2、模擬信號到數字信號的轉換稱為模數轉換，數轉換，或稱為或稱為A/D（Analog to Digital）n把實現把實現D/A轉換的電路稱為轉換的電路稱為D/A轉換器（轉換器（ Digital Analog Converter DAC）。）。Digital Electronics Technology2022-4-30典型數字控制系統框圖11.1 概述概述Digital Electronics Technology2022-4-30DAC網絡網絡DAC權電阻權電阻倒梯形電阻網絡倒梯形電阻網絡DACADC直接直接ADC間接間接ADC權電流型權電流型DAC權電容型權電容型DAC開關樹型開關樹型DAC輸

3、入輸入/輸輸出方式出方式并行并行串行串行11.1 概述概述3. 分類分類Digital Electronics Technology2022-4-3011.2 D/A轉換器轉換器1. 權電阻型權電阻型D/A轉換器轉換器 模擬開關，受Di控制。 Di =1時，模擬開關左撥； Di =0時，模擬開關右撥。權電阻網絡求和放大器MSBLSBDigital Electronics Technology2022-4-30運算放大器總的輸入電流為運算放大器總的輸入電流為 101101102222niiinREFniiinREFniiDRUDRUII運算放大器的輸出電壓為運算放大器的輸出電壓為 101022n

4、iiinREFFFDRURIRu若若RF=1/2R，代入上式后則得，代入上式后則得 DUDUDRURunREFniiinREFniiinREFF2222210101011.2 D/A轉換器轉換器 輸出電壓正比于輸入的數字量輸出電壓正比于輸入的數字量D=Dn-1Dn-2 D1=D0，從而實現了從數字量到模擬量的轉換。從而實現了從數字量到模擬量的轉換。Digital Electronics Technology2022-4-30當當D=Dn-1D0=0時時, uo =0 fnnomoUUuRe212 因而因而uo 的變化范圍是：的變化范圍是： RnnU2120 當當D=Dn-1D0=111時，時，

5、 最大輸出電壓最大輸出電壓： 電路簡單，器件少。但精度由電阻的精度定，此電電路簡單，器件少。但精度由電阻的精度定，此電路中阻值差別大，對集成不利。路中阻值差別大，對集成不利。特點：特點： 11.2 D/A轉換器轉換器自學內容：自學內容： 雙級權電阻網絡雙級權電阻網絡D/A轉換器轉換器Digital Electronics Technology2022-4-30Di=1，Si將電阻接到運放反向輸入端將電阻接到運放反向輸入端Di=0，Si將電阻接到運放同向輸入端將電阻接到運放同向輸入端都是虛地，各支路都是虛地，各支路電流不會變化電流不會變化11.2 D/A轉換器轉換器2. 倒倒T形電阻網絡形電阻網

6、絡D/A轉換器轉換器 I 流入流入2R支路支路的電流是依的電流是依2的倍速遞減。的倍速遞減。Digital Electronics Technology2022-4-30 1000112211011211122)2222(22222niiinnnnnnnnnnDIDDDDIIDIDIDIDI流入運算放大器的電流為：流入運算放大器的電流為： 11.2 D/A轉換器轉換器運算放大器的輸出電壓為：運算放大器的輸出電壓為： 1022niiinFFDIRRIUDigital Electronics Technology2022-4-30 若若RF=R，并將，并將I=UR/R代入上式，代入上式， 則有則有

7、 DUDUUnRniiinR22210可見，輸出模擬電壓正比于數字量的輸入?？梢姡敵瞿M電壓正比于數字量的輸入。 11.2 D/A轉換器轉換器3.八位集成八位集成DAC0832（1）引腳排列圖）引腳排列圖 Digital Electronics Technology2022-4-3011.2 D/A轉換器轉換器（2）內部結構圖）內部結構圖 Digital Electronics Technology2022-4-3011.2 D/A轉換器轉換器（3） DAC0832的三種工作方式（的三種工作方式（1） Digital Electronics Technology2022-4-3011.2 D

8、/A轉換器轉換器（3） DAC0832的三種工作方式（的三種工作方式（2） Digital Electronics Technology2022-4-3011.2 D/A轉換器轉換器（3） DAC0832的三種工作方式（的三種工作方式（3） Digital Electronics Technology2022-4-30 由于模擬量時間和（或）數值上是連續(xù)的，而數字量在由于模擬量時間和（或）數值上是連續(xù)的，而數字量在時間和數值上都是離散的，所以轉換時要在時間上對模擬時間和數值上都是離散的，所以轉換時要在時間上對模擬信號離散化（采樣），還要在數值上離散化（量化），一信號離散化（采樣），還要在數值上

9、離散化（量化），一般步驟為：般步驟為：采樣采樣保持保持量化量化編碼編碼11.3 A / D轉換器轉換器1. A/D轉換器的基本原理轉換器的基本原理 Digital Electronics Technology2022-4-30（1） 采樣定理采樣定理 模擬信號采樣信號 取樣頻率取樣頻率fS必須大于等于輸入模擬信號包含的最高頻率必須大于等于輸入模擬信號包含的最高頻率fmax的兩倍，即：的兩倍，即： max2 ffs11.3 A / D轉換器轉換器Digital Electronics Technology2022-4-30（2） 量化和編碼量化和編碼量化：量化： 將采樣電壓轉化為數字量最小數量單

10、位的整數倍的過程。將采樣電壓轉化為數字量最小數量單位的整數倍的過程。用用 表示表示編碼：編碼： 將量化結果用代碼表示出來。將量化結果用代碼表示出來。量化誤差：量化誤差： 由于模擬量不一定能被由于模擬量不一定能被 整除。整除。11.3 A / D轉換器轉換器Digital Electronics Technology2022-4-30例如：例如：要將要將0 1V的模擬電壓轉換為三位二進制代碼。的模擬電壓轉換為三位二進制代碼。方法方法1：取取 1/8 V，0 1/8 V 的電壓以的電壓以0 表示，則：表示，則：模擬電壓模擬電壓二進制編碼二進制編碼 代表的模擬電壓電平代表的模擬電壓電平可見量化誤差最

11、大達可見量化誤差最大達 =1/8 V。11.3 A / D轉換器轉換器Digital Electronics Technology2022-4-30方法方法2：取取 2/15 V，0 1/15 V 的電壓以的電壓以0 表示，則表示，則模擬電壓模擬電壓二進制編碼二進制編碼代表的模擬電壓電平代表的模擬電壓電平可見量化誤差最大達可見量化誤差最大達 /2=1/15 V。11.3 A / D轉換器轉換器Digital Electronics Technology2022-4-30MOS管，做模擬開關采樣控制信號保持電容采樣輸出波形（3）采樣保持電路）采樣保持電路11.3 A / D轉換器轉換器Digit

12、al Electronics Technology2022-4-30（1） 并聯比較并聯比較型型A/D轉換器轉換器 11.3 A / D轉換器轉換器1. 直接直接A/D轉換器轉換器Digital Electronics Technology2022-4-30 寄存器：寄存器：由七個由七個D觸發(fā)器構成。在時鐘脈沖觸發(fā)器構成。在時鐘脈沖CP的作用的作用下，將比較結果暫時寄存，以供編碼用。下，將比較結果暫時寄存，以供編碼用。 01234560135132QQQQQQQDQQQDQD 編碼器：編碼器：由六個與非門構成。將比較器送來的七位二由六個與非門構成。將比較器送來的七位二進制碼轉換成三位二進制代碼

13、進制碼轉換成三位二進制代碼D2、D1、D0。編碼網絡的邏。編碼網絡的邏輯關系為輯關系為：11.3 A / D轉換器轉換器Digital Electronics Technology2022-4-30并聯型并聯型A/D轉換器的轉換關系轉換器的轉換關系 11.3 A / D轉換器轉換器Digital Electronics Technology2022-4-30 例如：例如：假設模擬輸入假設模擬輸入UIN=3.8V，UR=8V。當模擬輸入。當模擬輸入UIN=3.8V加到各級比較器時，由于加到各級比較器時，由于 VUVURR5 . 41695 . 3167 因此，比較器的輸出因此，比較器的輸出C6C

14、0為為0001111。在時鐘脈沖。在時鐘脈沖作用下，比較器的輸出存入寄存器，經編碼網絡輸出作用下，比較器的輸出存入寄存器，經編碼網絡輸出A/D轉換結果：轉換結果：D2D1D0=100。優(yōu)點：優(yōu)點：轉換速度很快。轉換速度很快。 缺點：缺點：電路復雜，轉換精度較低。電路復雜，轉換精度較低。11.3 A / D轉換器轉換器Digital Electronics Technology2022-4-30（2）反饋比較型）反饋比較型A/D轉換器轉換器 11.3 A / D轉換器轉換器Digital Electronics Technology2022-4-30（3）逐次漸進型）逐次漸進型A/D轉換器轉換器

15、 11.3 A / D轉換器轉換器Digital Electronics Technology2022-4-30（1）雙積分型）雙積分型A/D轉換器轉換器 11.3 A / D轉換器轉換器2. 間接間接A/D轉換器轉換器Digital Electronics Technology2022-4-30積分器：積分器：輸入端接開關輸入端接開關S，S受觸發(fā)器受觸發(fā)器Fn的控制。的控制。 當當Qn=0 時，時，S接輸入電壓接輸入電壓+Ui，積分器對輸入信號電壓，積分器對輸入信號電壓+Ui（正極性）積分（正向積分）。（正極性）積分（正向積分）。 當當Qn=1 時，時，S接基準電壓接基準電壓-UR（負極性）

16、，積分器對基（負極性），積分器對基準電壓準電壓-UR積分（負向積分）。積分（負向積分）。 積分器輸出積分器輸出Uo接零值比較器。接零值比較器。 11.3 A / D轉換器轉換器 零值比較器：零值比較器：其輸出其輸出UC作為控制門作為控制門G的門控信號。的門控信號。 當積分器輸出當積分器輸出Uo0時，比較器輸出時，比較器輸出UC=1； 當積分器輸出當積分器輸出Uo0時，比較器輸出時，比較器輸出UC=0。Digital Electronics Technology2022-4-30 當零值比較器輸出當零值比較器輸出UC=1 時，時，G門開，標準時鐘脈沖門開，標準時鐘脈沖通過通過G門加到計數器；門加

17、到計數器；時鐘控制門時鐘控制門G： 當零值比較器輸出當零值比較器輸出UC=0時，時，G門關，標準時鐘脈沖門關，標準時鐘脈沖不能通過不能通過G門加到計數器，計數器停止計數。門加到計數器，計數器停止計數。11.3 A / D轉換器轉換器計數器：計數器：由由n+1個觸發(fā)器構成，個觸發(fā)器構成，Fn-1F1F0構成構成n位二進位二進制計數器，制計數器，Fn實現對實現對S的控制。的控制。Digital Electronics Technology2022-4-3011.3 A / D轉換器轉換器電壓波形電壓波形Digital Electronics Technology2022-4-30取樣階段：取樣階段

18、：dtUtUtio)(1)(0其中其中=RC為積分時間常數。為積分時間常數。 當當+Ui為正極性不變常量時，為正極性不變常量時，Uo（T1）值為：）值為： iCPnioUTUTTU2)(1111.3 A / D轉換器轉換器比較階段：比較階段：開關轉至開關轉至-UR后，積分器對基準電壓進行負向后，積分器對基準電壓進行負向積分，積分器輸出為：積分，積分器輸出為： )(2)(1)()(111TtUUTdtUTUtURiCPntTRooDigital Electronics Technology2022-4-30 當當Uo0 時，零值比較器輸出時，零值比較器輸出UC=0，G門關，計數器停門關，計數器停止計數，完成一個轉換周期。假設此時計數器已記錄了止計數，完成一個轉換周期。假設此時計數器已記錄了個個脈沖，脈沖， 則：則： RinUU211.3 A / D轉換器轉換器VUTUTTUUTTtUUTTTURCPiCPnRiCPnRiCPn02)(2)(2)(2121CPTTtT12Digital Electronics Technology2022-4-30（2）八位集成）八位集成ADC0809 11.3 A / D轉換器轉換器 引腳