數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)全套最新版本

1、第第 十一十一 章章-數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換 教學(xué)內(nèi)容11.1 概述11.2 D/A轉(zhuǎn)換器11.3 A/D轉(zhuǎn)換器 教學(xué)要求教學(xué)要求 1、掌握DAC和ADC的定義及應(yīng)用；2、了解DAC的組成、倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)、集成D/A轉(zhuǎn)換器、轉(zhuǎn)換精度及轉(zhuǎn)換速度；3、了解ADC組成、逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器、積分型A/D轉(zhuǎn)換器、轉(zhuǎn)換精度及轉(zhuǎn)換速度。 11.1 11.1 概述概述模數(shù)轉(zhuǎn)換（模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D轉(zhuǎn)換）：轉(zhuǎn)換）：將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。實(shí)現(xiàn)字信號(hào)。實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的電路稱(chēng)為轉(zhuǎn)換的電路稱(chēng)為A/D轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)寫(xiě)為寫(xiě)為ADC(Analog-Digital Converter)數(shù)模轉(zhuǎn)換（數(shù)模轉(zhuǎn)換（D

2、/A轉(zhuǎn)換）：轉(zhuǎn)換）：將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。實(shí)現(xiàn)擬信號(hào)。實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的電路稱(chēng)為轉(zhuǎn)換的電路稱(chēng)為D/A轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)寫(xiě)為寫(xiě)為DAC(Digital-Analog Converter)例如：對(duì)于例如：對(duì)于0 5V的直流電壓，計(jì)算機(jī)用的直流電壓，計(jì)算機(jī)用8位數(shù)字位數(shù)字量來(lái)描述時(shí)：量來(lái)描述時(shí)： 最小值（）最小值（）B = 0對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)0V， 最大值（）最大值（）B = 255 對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng) 5V， 中間值（）中間值（）B = 127 對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)2. 5V 等等 D/A的任務(wù)是接收到一個(gè)數(shù)字量后，給出一個(gè)的任務(wù)是接收到一個(gè)數(shù)字量后，給出一個(gè)相應(yīng)的電壓。比如收到（）相應(yīng)的電壓。比如收到（

3、）B ，應(yīng)給出幅度為，應(yīng)給出幅度為1.25V 的電壓。的電壓。11.2 11.2 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的電路。將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的電路。電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò)模擬電子開(kāi)關(guān)模擬電子開(kāi)關(guān)求和放大求和放大器器參考電壓參考電壓一、權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)一、權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器集成運(yùn)放通過(guò)集成運(yùn)放通過(guò)RF接入負(fù)反饋，有虛短，接入負(fù)反饋，有虛短，V-V+=0)(0123IIIIRiRvFFo33dRVIREF222dRVIREF1212dRVIREF0302dRVIREF)2222(2001122334ddddVvREFo取取RF=R/2)22.22(200112211ddddVvnnn

4、nnREFo n位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，當(dāng)反饋電阻取為轉(zhuǎn)換器，當(dāng)反饋電阻取為R/2時(shí)，輸出電壓的計(jì)算公式：時(shí)，輸出電壓的計(jì)算公式：輸出電壓的變化范圍輸出電壓的變化范圍:REFnnV2120優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所用的電阻元件數(shù)很少。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所用的電阻元件數(shù)很少。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：各電阻的阻值相差較大，不能保證有很各電阻的阻值相差較大，不能保證有很高的精度。高的精度。二、倒二、倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò)模擬電子開(kāi)關(guān)模擬電子開(kāi)關(guān)求和放大求和放大器器 由于由于V-V+=0,所以開(kāi)關(guān)所以開(kāi)關(guān)S合到哪一邊，都相當(dāng)合到哪一邊，都相當(dāng)于接到了于接到了“地地”電位，流

5、過(guò)每條電路的電流始終不電位，流過(guò)每條電路的電流始終不變?？傻刃椋鹤??？傻刃椋?12316842dIdIdIdIi取取RF=R)2222(2001122334ddddVRivREFoRVIREF n位輸入的倒位輸入的倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，當(dāng)反饋轉(zhuǎn)換器，當(dāng)反饋電阻取為電阻取為R時(shí)，輸出電壓的計(jì)算公式：時(shí)，輸出電壓的計(jì)算公式：)22.22(200112211ddddVvnnnnnREFo優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：（1）只有）只有R和和2R兩種阻值的電阻，可達(dá)到較高的兩種阻值的電阻，可達(dá)到較高的精度；精度；（2）各支路電流恒定不變，在開(kāi)關(guān)狀態(tài)變化時(shí)，）各支路電流恒定不變，在開(kāi)關(guān)狀態(tài)變化時(shí)，不需電

6、流建立時(shí)間，所以電路轉(zhuǎn)換速度高，使用不需電流建立時(shí)間，所以電路轉(zhuǎn)換速度高，使用廣泛。廣泛。CB7520電路原理圖電路原理圖三、權(quán)電流型三、權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器恒流源恒流源恒流源模型：恒流源模型：EiBEEEBiRVVVI 只要電路工作時(shí)保證只要電路工作時(shí)保證VB和和VEE穩(wěn)定不變，則穩(wěn)定不變，則三極管的集電極電流即可保持恒定，不受開(kāi)關(guān)內(nèi)三極管的集電極電流即可保持恒定，不受開(kāi)關(guān)內(nèi)阻的影響。阻的影響。)2222(2)2222(0011223340413223ddddIRdIdIdIdIRRivFFFo 為減少電阻阻值的種類(lèi)，在實(shí)用的權(quán)電流型為減少電阻阻值的種類(lèi)，在實(shí)用的權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器中

7、，轉(zhuǎn)換器中，經(jīng)常利用倒經(jīng)常利用倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)的分流作用產(chǎn)生一組所需的恒流源。形電阻網(wǎng)絡(luò)的分流作用產(chǎn)生一組所需的恒流源。按比例加大發(fā)射結(jié)的面積按比例加大發(fā)射結(jié)的面積DAC0808電路結(jié)構(gòu)框圖電路結(jié)構(gòu)框圖已知已知VREF=10V kRR5 kRF5nnRREFFnFoDDRVRDIRv88821022四、具有雙極性輸出的四、具有雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器接一偏置電流接一偏置電流符號(hào)位求反符號(hào)位求反五、五、D/A轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)（1 1）分辨率：）分辨率：D/A轉(zhuǎn)換器理論上可達(dá)到的精度。轉(zhuǎn)換器理論上可達(dá)到的精度。 1.D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度 分辨率也可用分辨率也可

8、用D/A轉(zhuǎn)換器能夠分辨出來(lái)的最小輸轉(zhuǎn)換器能夠分辨出來(lái)的最小輸出電壓與最大輸出電壓的比值來(lái)表示。出電壓與最大輸出電壓的比值來(lái)表示。10位位D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器的分辨率為：器的分辨率為： 分辨率可以用輸入二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)給出。分辨率可以用輸入二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)給出。（2）轉(zhuǎn)換誤差：）轉(zhuǎn)換誤差：D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際上能達(dá)到的轉(zhuǎn)換精度。轉(zhuǎn)換器實(shí)際上能達(dá)到的轉(zhuǎn)換精度。 可以用輸出電壓滿(mǎn)刻度值的百分?jǐn)?shù)表示，也可用可以用輸出電壓滿(mǎn)刻度值的百分?jǐn)?shù)表示，也可用最低位有效值的倍數(shù)表示。最低位有效值的倍數(shù)表示。 如：轉(zhuǎn)換誤差為如：轉(zhuǎn)換誤差為0.5LSB，表示輸出模擬電壓的，表示輸出模擬電壓的絕對(duì)誤差等于當(dāng)輸入數(shù)字量的絕對(duì)誤差

9、等于當(dāng)輸入數(shù)字量的LSB1時(shí)，其余各位時(shí)，其余各位均為均為0時(shí)輸出模擬電壓的一半。時(shí)輸出模擬電壓的一半。 轉(zhuǎn)換誤差可分為靜態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差。產(chǎn)生靜態(tài)誤轉(zhuǎn)換誤差可分為靜態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差。產(chǎn)生靜態(tài)誤差的原因是基準(zhǔn)電源不穩(wěn)定、運(yùn)放的零點(diǎn)漂移、模擬開(kāi)差的原因是基準(zhǔn)電源不穩(wěn)定、運(yùn)放的零點(diǎn)漂移、模擬開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)的內(nèi)阻和壓降及電阻網(wǎng)絡(luò)中阻值的偏差等；動(dòng)關(guān)導(dǎo)通時(shí)的內(nèi)阻和壓降及電阻網(wǎng)絡(luò)中阻值的偏差等；動(dòng)態(tài)誤差則是在轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)過(guò)程中產(chǎn)生的附加誤差。態(tài)誤差則是在轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)過(guò)程中產(chǎn)生的附加誤差。（1）建立時(shí)間）建立時(shí)間tset：指指輸入數(shù)字量各位由全輸入數(shù)字量各位由全0變?yōu)槿優(yōu)槿?或由全或由全1變?yōu)槿優(yōu)槿?時(shí)時(shí),輸

10、出電壓達(dá)到某一規(guī)定值所需輸出電壓達(dá)到某一規(guī)定值所需要的時(shí)間。要的時(shí)間。通常建立時(shí)間在通常建立時(shí)間在100 ns 幾十幾十 s之間。之間。2.D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度（2）轉(zhuǎn)換速率）轉(zhuǎn)換速率SR：指指輸入數(shù)字量各位由全輸入數(shù)字量各位由全0變?yōu)槿優(yōu)槿?或由全或由全1變?yōu)槿優(yōu)槿?時(shí)，輸出電壓的變化率。時(shí)，輸出電壓的變化率。11.3 11.3 AD轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器器A/DUI輸入模擬電壓輸入模擬電壓D7D0輸出數(shù)字量輸出數(shù)字量0 5V一、一、A/D轉(zhuǎn)換的基本原理轉(zhuǎn)換的基本原理 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

11、 電 路采 樣 展 寬 信 號(hào)輸 入 模 擬 電 壓ui(t)us(t)取樣保持取樣保持 取樣是對(duì)模擬信取樣是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行周期性地抽取號(hào)進(jìn)行周期性地抽取樣值的過(guò)程，就是把樣值的過(guò)程，就是把隨時(shí)間連續(xù)變化的信隨時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)轉(zhuǎn)換成在時(shí)間上斷號(hào)轉(zhuǎn)換成在時(shí)間上斷續(xù)、在幅度上等于取續(xù)、在幅度上等于取樣時(shí)間內(nèi)模擬信號(hào)大樣時(shí)間內(nèi)模擬信號(hào)大小的一串脈沖。小的一串脈沖。取樣定理：取樣定理：fs2fi(max)輸入模擬信號(hào)的最高輸入模擬信號(hào)的最高頻率分量的頻率頻率分量的頻率取樣頻率取樣頻率量化編碼量化編碼 將取樣保持電路的輸出電壓，按某種近似方式將取樣保持電路的輸出電壓，按某種近似方式歸化到與之相應(yīng)的離散

12、電平上，這一轉(zhuǎn)化過(guò)程稱(chēng)為歸化到與之相應(yīng)的離散電平上，這一轉(zhuǎn)化過(guò)程稱(chēng)為數(shù)數(shù)值量化值量化，簡(jiǎn)稱(chēng)，簡(jiǎn)稱(chēng)量化量化。 量化后的數(shù)值最后還須通過(guò)編碼過(guò)程用一個(gè)代量化后的數(shù)值最后還須通過(guò)編碼過(guò)程用一個(gè)代碼表示出來(lái)，這一過(guò)程稱(chēng)為碼表示出來(lái)，這一過(guò)程稱(chēng)為編碼編碼。 將取樣電壓表示為一個(gè)最小單位的整數(shù)倍，所將取樣電壓表示為一個(gè)最小單位的整數(shù)倍，所取的最小數(shù)量單位稱(chēng)為量化單位，用取的最小數(shù)量單位稱(chēng)為量化單位，用 表示。表示。最大量化誤差為最大量化誤差為，即，即18V最大量化誤差為最大量化誤差為1/2，即，即115V取取 81取取 152對(duì)雙極性模擬電壓的量化和編碼對(duì)雙極性模擬電壓的量化和編碼二進(jìn)制二進(jìn)制補(bǔ)碼的補(bǔ)碼的

13、形式編形式編碼碼二、直接二、直接A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型0viVREF/15時(shí)，時(shí)，7個(gè) 比 較個(gè) 比 較器輸出全為器輸出全為0 0，CP 到來(lái)后，到來(lái)后，7個(gè)觸發(fā)器都置個(gè)觸發(fā)器都置0 0。經(jīng)。經(jīng)編碼器編碼后編碼器編碼后輸出的二進(jìn)制輸出的二進(jìn)制代碼為代碼為d2d1d0000。時(shí)，時(shí)，7個(gè)比較器個(gè)比較器中只有中只有C1輸出輸出為為1，CP到來(lái)到來(lái)后，只有觸發(fā)后，只有觸發(fā)器器FF1置置1，其，其余觸發(fā)器仍為余觸發(fā)器仍為0。經(jīng)編碼器編碼經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進(jìn)后輸出的二進(jìn)制代碼為制代碼為d2d1d0=001。15315REFiREFVuV時(shí)，比較器中時(shí)，比較器中C1、C2輸出為輸出為

14、1，CP到來(lái)后，觸到來(lái)后，觸發(fā)器發(fā)器FF1、FF2置置1，其余觸發(fā)，其余觸發(fā)器仍為器仍為0。經(jīng)編。經(jīng)編碼器編碼后輸碼器編碼后輸出的二進(jìn)制代出的二進(jìn)制代碼為碼為d2d1d0=011。155153REFiREFVuV反饋比較型反饋比較型 逐次比較型逐次比較型AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四個(gè)其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四個(gè)砝碼共重砝碼共重15克，每個(gè)重量分別為克，每個(gè)重量分別為8、4、2、1克?？?。設(shè)待秤重量設(shè)待秤重量Wx = 13克，可以用下表步驟來(lái)秤量：克，可以用下表步驟來(lái)秤量：砝碼重砝碼重第一次第一次第二次第二次第三次第三次第四次第四次加加4克克加加2克克加加1克

15、克8 克克砝碼總重砝碼總重 待測(cè)重量待測(cè)重量Wx ，故保留，故保留砝碼總重仍砝碼總重仍 待測(cè)重量待測(cè)重量Wx ，故撤除，故撤除砝碼總重砝碼總重 待測(cè)重量待測(cè)重量Wx ，故保留，故保留暫時(shí)結(jié)果暫時(shí)結(jié)果8 克克12 克克12 克克13 克克 結(jié)結(jié) 論論 轉(zhuǎn)換開(kāi)始前先將所有寄存器清零。開(kāi)始轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換開(kāi)始前先將所有寄存器清零。開(kāi)始轉(zhuǎn)換以后，時(shí)鐘脈沖以后，時(shí)鐘脈沖首先將寄存器最高位置成首先將寄存器最高位置成1，使輸，使輸出數(shù)字為出數(shù)字為1000。這個(gè)數(shù)碼被。這個(gè)數(shù)碼被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓應(yīng)的模擬電壓uo，送到比較器中，送到比較器中與與ui進(jìn)行比較進(jìn)行比較。若。若uiuo，說(shuō)明數(shù)字

16、過(guò)大了，故將最高位的，說(shuō)明數(shù)字過(guò)大了，故將最高位的1清除；清除；若若ui uo，說(shuō)明數(shù)字還不夠大，應(yīng)將這一位保留。，說(shuō)明數(shù)字還不夠大，應(yīng)將這一位保留。然后，然后，再按同樣的方式將次高位置成再按同樣的方式將次高位置成1，并且經(jīng)過(guò)，并且經(jīng)過(guò)比較以后確定這個(gè)比較以后確定這個(gè)1是否應(yīng)該保留。這樣逐位比較是否應(yīng)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。中的狀態(tài)就是所要求的數(shù)字量輸出。10001000D / Avi(待轉(zhuǎn)換的模擬電壓待轉(zhuǎn)換的模擬電壓)vovc控控制制邏邏輯輯數(shù)碼寄存器數(shù)碼寄存器移位寄存器移位寄存器

17、時(shí)鐘時(shí)鐘清清 0、置數(shù)、置數(shù)清清 0、置數(shù)、置數(shù)CP、(移位命令移位命令)“1”狀態(tài)是否保留狀態(tài)是否保留控制端控制端原理框圖原理框圖 三、間接三、間接A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 雙雙積積分分型型又稱(chēng)為電壓時(shí)間變換型（又稱(chēng)為電壓時(shí)間變換型（VT變換型）變換型）首先使積分電容首先使積分電容C完全放電。完全放電。固定時(shí)間積分固定時(shí)間積分反方向積分反方向積分第一步，第一步，對(duì)輸入模擬電對(duì)輸入模擬電壓進(jìn)行固定時(shí)間壓進(jìn)行固定時(shí)間T1積分積分;第二步，第二步，對(duì)基準(zhǔn)電壓進(jìn)對(duì)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行反向積分，使電容放行反向積分，使電容放電，放光為止（即電，放光為止（即vo=0）。對(duì)反向放電時(shí)）。對(duì)反向放電時(shí)間計(jì)數(shù)，它與輸入幅度間

18、計(jì)數(shù)，它與輸入幅度成正比。成正比。 四、四、A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù) A/D A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率用輸出二進(jìn)制數(shù)的位轉(zhuǎn)換器的分辨率用輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示，位數(shù)越多，誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高。數(shù)表示，位數(shù)越多，誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高。例如，輸入模擬電壓的變化范圍為例如，輸入模擬電壓的變化范圍為0 05V5V，輸，輸出出1010位二進(jìn)制數(shù)可以分辨的最小模擬電壓為位二進(jìn)制數(shù)可以分辨的最小模擬電壓為5V2104.88mV。(1)分辨率：分辨率：1.A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度（2）轉(zhuǎn)換誤差）轉(zhuǎn)換誤差 通常以輸出誤差最大值的形式給出，一般多以最通常以輸出誤差最大值的形式給出，一般多以最低有