電子技術基礎第9章-數(shù)模與模數(shù)轉換器mm課件

1、9.1 數(shù)/模轉換器（DAC）第9章 數(shù)/模轉換器和模/數(shù)轉換器 9.2 模/數(shù)轉換器（ADC）學習要點熟練掌握和正確理解DAC的工作原理和主要技術指標；了解集成DAC典型芯片的功能，理解其應用。熟練掌握和正確理解ADC的工作原理和主要技術指標；理解和掌握采樣定理；了解集成ADC典型芯片的應用。2022/7/192022/7/19顯然，數(shù)/模與模/數(shù)是計算機與外部設備的重要接口，也是數(shù)字測量和數(shù)字控制系統(tǒng)的重要部件。 9.1 數(shù)/模轉換器在自動控制和信息處理技術中，信息的獲取、傳輸、處理和利用都是通過數(shù)字系統(tǒng)來實現(xiàn)的。如數(shù)字控制系統(tǒng)的組成：被控對象模擬傳感器信號采集模擬信號AD轉換器數(shù)字信號數(shù)

2、字信號處理系統(tǒng)數(shù)字信號DA轉換器執(zhí)行機構控制信號模擬信號2022/7/19能將數(shù)字量D轉換成模擬量A的裝置稱為數(shù)/模轉換器，用DCA簡稱；能將模擬量A轉換為數(shù)字量D的裝置稱為模/轉換器，用ADC簡稱。傳感器ADC數(shù)字計算機DAC模擬控制控制對象數(shù)字信號模擬信號顯然，A/D轉換器和D/A轉換器是溝通模擬、數(shù)字領域的紐帶和橋梁，它們不僅是重要的接口電路和核心電路，也是測量和控制系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。9.1.1 數(shù)/模轉換器的基本概念及轉換特性DAC數(shù)/模轉換器是把數(shù)字量轉變成模擬量的器件，簡稱為DAC：其中D代表數(shù)字量，A代表模擬量，轉換器用C表示。1.DAC的基本概念構成數(shù)字代碼的每一位都具

3、有一定的權重。將數(shù)字量轉換成模擬量時，須將每一位代碼按其權重轉換成相應的模擬量，然后再將代表各位的模擬量相加，可得與該數(shù)字量成正比的模擬量。這就是構成DAC的基本思想。2. DAC的結構組成和分類DAC通常由參考電壓、譯碼電路和電子開關3個基本部分組成。為了將模擬電流轉換成模擬電壓，通常在輸出端外加運放。如：參考電壓譯碼電路電子開關RFXn-1Xn-2X2X1X0-+URSn-1Sn-2S2S1S0按解碼網(wǎng)絡結構的不同，DAC可分為T形電阻網(wǎng)絡、倒T形電阻網(wǎng)絡、權電阻網(wǎng)絡等。3. DAC的功能DAC的n位數(shù)字代碼以串行或并行方式輸入并存儲在數(shù)碼寄存器中。n位代碼輸入數(shù)碼寄存器模擬電子開關解碼網(wǎng)

4、絡求和放大器模擬電壓輸出基準電壓n位鎖存器的并行輸出分別控制n個模擬電子開關的工作狀態(tài)。通過模擬電子開關，將參考電壓按權重加到電阻解碼網(wǎng)絡。再由求和放大電路將各位權值所對應的電壓（或電流）量相加，即可輸出與輸入數(shù)字量成正比的模擬量。4. DAC的轉換特性電流轉換系數(shù)電壓轉換系數(shù)DAC的輸出模擬量和輸入數(shù)字量之間的轉換關系稱為轉換特性。對有權碼的轉換：先將每位代碼按其權的大小轉換成相應的電壓(或電流)，然后求和，即可得到與數(shù)字量成正比的總模擬量：式中2n-1、2n-221、20是由n位二進制代碼D從高位到低位的權。4. DAC的轉換特性當轉換系數(shù)ku（或ki）=1、n3時，根據(jù)上式可得DAC的轉

5、換特性曲線如圖所示：1234567001010011100101110111uo/VD000理想特性數(shù)字輸入DAC的轉換特性曲線模擬輸出5. DAC的主要技術指標用來說明DAC最小輸出電壓與最大輸出電壓之比。例 一個8位和一個10位的兩個DAC，其分辨率分別為：從上式可看出：DAC輸入數(shù)字量的位數(shù)n越多，電路的分辨能力越高。因此，有時也用輸入數(shù)字量的有效位數(shù)來表示分辨率的高低。1.分辨率2.轉換精度指DAC實際輸出的模擬電壓與理論輸出的模擬電壓間的最大誤差，即輸入端為給定數(shù)字量時，DAC輸出的實際值與理論值之差。轉換精度是一個綜合指標，包括零點誤差、增益誤差等，它不僅與DAC中的元件參數(shù)的精度

6、有關，還與環(huán)境溫度、求和運算放大器的溫度漂移以及轉換器的位數(shù)有關。3.建立時間從DAC輸入數(shù)字量開始，到輸出模擬量且穩(wěn)定到最終輸出量時所需的時間，稱為建立時間。顯然，數(shù)字量的變化越大，建立時間就越長，建立時間反映了DAC電路轉換的速度。9.1.2 DAC的基本原理1.權電阻網(wǎng)絡DACRFXn-1Xn-2X2X1X0-+URSn-1Sn-2S2S1S0uo20 R21 R2n-2 R2n-1 R2n-0 RDAC的n位二進制輸入代碼模擬電子開關權電阻從最低位到最高位，每一個位置上的電阻都是相鄰高位電阻值的2倍?；鶞孰妷哼\算放大器對解碼網(wǎng)絡的輸出進行求和放大后輸出。1. 權電阻網(wǎng)絡DACu0RFX

7、3X2X1X0-+URS3S2S1S020 R21 R22 R23 RI1I31010當輸入的數(shù)字信號為1010時，電子模擬開關的動作受此二進制數(shù)控制，相應為“1”的開關接到位置1上；相應數(shù)字量為“0”的權電阻由開關S直接到“地”。位置1上的電子開關，將基準電壓UR經電阻引起的電流通入運放的反相輸入端，即流入求和電路；1. 權電阻網(wǎng)絡DACuoRFX3X2X1X0-+URS3S2S1S020 R21 R22 R23 RI1I31010IF若RF=5k，R=80k時RFX3X2X1X0-+URS3S2S1S020 R21 R22 R23 R1. 權電阻網(wǎng)絡DACuoIF仍有RF=5k，R=80k

8、uoI1I31011I0RFX3X2X1X0-+URS3S2S1S020 R21 R22 R23 R1. 權電阻網(wǎng)絡DACuoIF仍有RF=5k，R=80kuoI2I31100顯然，輸出模擬電壓的大小直接與輸入的二進制數(shù)大小成正比，從而實現(xiàn)了數(shù)字量到模擬量的轉換。2. R-2R倒T型網(wǎng)絡DAC-+RFURDn-1Dn-2D2D1D0uoSn-1Sn-2S1S0S2結點B結點C結點D結點E結點A2RRRRR2R2R2R2R2RDAC的n位二進制輸入代碼模擬電子開關R-2R倒T型電阻網(wǎng)絡基準電壓運算放大器對電阻網(wǎng)絡的輸出進行求和放大后輸出。-+RFUR2RRRRR2R2R2R2RSn-1Sn-2S

9、1S0S2結點B結點C結點D結點EDn-1Dn-2D2D1D0uo結點A2R當R=RF時，輸出電壓：I1I2I3I4I5I總22222R-2R倒T形電阻網(wǎng)絡DAC工作原理分析11001IF11111IAIBICIDIE-+RFURdn-1dn-2d2d1d0uoSn-1Sn-2S1S0S2結點B結點C結點D結點E結點A2RRRRR2R2R2R2R2RR-2R倒T形電阻網(wǎng)絡DAC的優(yōu)點是只有兩種電阻值R和2R，有利于生產制造；由于各支路電流恒定，故開關狀態(tài)變化時不需要電流建立時間； R-2R倒T形電阻網(wǎng)絡DAC中采用了高速電子開關，所以轉換速度很高，在數(shù)模轉換器中被廣泛采用。當DAC0832芯片

10、的控制端處于有效電平時，為直通工作方式；此工作方式下DAC的兩個寄存器都處于常通狀態(tài)，輸入數(shù)據(jù)直接經兩個寄存器到達DAC進行轉換。實際應用中，直通工作方式常用于連續(xù)反饋控制環(huán)節(jié)，使輸出模擬信號快速連續(xù)地反映輸入數(shù)字量的變化。XFER478位D/A轉換器11131619121718D7D4D3D0ILECSWR1WR281211932010URIO1IO2VCCAGNDDGNDRFLE1LE2輸入數(shù)據(jù)寄存器8位DAC寄存器&9.1.3 集成數(shù)/模轉換器DAC0832XFER478位D/A轉換器11131619121718D7D4D3D0ILECSWR1WR281211932010URIO1IO2

11、VCCAGNDDGNDRFLE1LE2輸入數(shù)據(jù)寄存器8位DAC寄存器&DAC0832內部結構原理圖當DAC0832用于雙緩沖器型工作方式時，首先讓寫信號端引腳2處低電平，將輸入數(shù)據(jù)先鎖存在輸入寄存器中，需要轉換時寫信號引腳18接低電平，將數(shù)據(jù)送入DAC寄存器并進行轉換；為實現(xiàn)兩個寄存器均可控，實用中給兩個寄存器各分配一個端口地址，以便能按端口地址來分兩步進行操作。XFER478位D/A轉換器11131619121718D7D4D3D0ILECSWR1WR281211932010URIO1IO2VCCAGNDDGNDRFLE1LE2輸入數(shù)據(jù)寄存器8位DAC寄存器&DAC0832內部結構原理圖當D

12、AC0832用于單緩沖器型工作方式時，DAC寄存器處于常通狀態(tài)，當需要DA轉換時，將寫信號端引腳2接低電平，使輸入數(shù)據(jù)經輸入寄存器直接存入DAC寄存器中并進行轉換。這種工作方式是通過控制一個寄存器的鎖存，使兩個寄存器同時選通及鎖存。DAC0832引腳功能集成芯片DAC0832是8位的電流輸出型D/A轉換器，在對其輸入8位數(shù)字量后，通過外接運放，即可獲得相應的模擬電壓。8位數(shù)字輸入端兩個電流輸出端電源515V輸入端片選信號輸入端數(shù)字地端基準電源輸入端數(shù)據(jù)選通端輸入鎖存允許信號端反饋電阻接入端寫信號端寫信號端模擬地端思考與問題132試述DAC電路轉換特性的概念，并寫出其轉換表達式。DAC的主要技術

13、指標有哪些？DAC0832采用了什么制造工藝？內部主要由哪幾部分組成？Sikaoyuwenti4R-2R倒T型電阻網(wǎng)絡具有什么特點？ADC9.2 模/數(shù)轉換器模/數(shù)轉換器是把模擬量轉變成數(shù)字量的器件，簡稱為ADC。實用技術中，ADC用來將所測得的被控制對象的某種連續(xù)物理量轉換成為離散的數(shù)字量。ADC在模/數(shù)轉換過程中，只能在一系列選定的瞬間對輸入模擬量采樣，之后再轉換為輸出的數(shù)字量。即需通過采樣、保持、量化和編碼四個步驟完成模數(shù)轉換。1.采樣保持電路輸入模擬電壓ui采樣保持電路CPSuiuoCPC實際電路中，這些過程有的是合并進行的，例如，取樣和保持，量化和編碼往往都是在轉換過程中同時實現(xiàn)的。

14、 CP1時，采樣開關S接通，ui信號被采樣，并送到電容C中暫存。 CP0時，采樣開關S斷開，前面采樣得到的電壓信號在電容C上保持，直到下一個CP1信號到來，再對新的電壓信號進行采樣。CPSuiuouoCPC采樣過程是通過模擬電子開關 S實現(xiàn)的。模擬電子開關每隔一定的時間間隔閉合一次，當一個連續(xù)的模擬信號通過這個電子開關時，就會轉換成若干個離散的脈沖信號。 通過采樣脈沖的作用，轉換成時間上離散、但幅值上仍連續(xù)的離散模擬信號。采樣定理ui采樣電路的輸入信號波形采樣電路的離散輸出波形tu采樣間隔時間采樣保持時間為保證采樣后的離散模擬信號能夠基本上真實地保留原始模擬信號ui的信息，采樣信號的頻率必須至

15、少為原信號中最高頻率成分fimax的2倍，這是采樣電路的基本法則，即采樣定理。 2.量化編碼電路tu數(shù)字信號在時間上離散、數(shù)值變化不連續(xù)，因此任何一個數(shù)字量的大小只能是某個規(guī)定的最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。把采樣電壓化為最小數(shù)量單位整數(shù)倍的過程稱為量化。兩個量化電壓之間的差值稱為量化間隔，量化電壓的位數(shù)越多，量化等級越細，的數(shù)值就越小。顯然，量化編碼電路的作用是先將幅值連續(xù)可變的采樣信號量化成幅值有限的離散信號，再將量化后的信號用對應該量化電平的一組二進制代碼表示。量化間隔是數(shù)字量最低位為1時所對應的模擬量，即ULSB。tu舍尾取整法：當最小量化間隔為時，若采樣電壓的尾數(shù)不足/2，則舍尾取整得其量化

16、值。四舍五入法：當最小量化間隔為時，若采樣電壓的尾數(shù)大于/2，則四舍五入得其量化值。采樣值量化的方法通常有四舍五入法和舍尾取整法。已知1V。當采樣電壓等于2.3V時，小數(shù)點后的尾數(shù)不足0.5V，根據(jù)舍尾取整原則，量化電壓應等于2V。例已知1V。當采樣電壓等于2.6V時，小數(shù)點后的尾數(shù)大于0.5V，根據(jù)四舍五入原則，量化電壓應等于3V。例tu量化當量的數(shù)值越小，量化的等級越細。但無論是用哪一種量化方式，在量化過程中都必然存在被測輸入量與量化值之間的誤差。量化誤差用表示。量化誤差屬原理誤差，是無法消除的。但是，各離散電平之間的差值越小，量化誤差就越小。采用舍尾取整法時，最大量化誤差為：采用四舍五入

17、法時，最大量化誤差為：tu 如果在實際量化過程中減小量化誤差，需在測量范圍內減小量化間隔，即增加數(shù)字量X的位數(shù)和模擬電壓的最大值Umax。四舍五入量化方式的量化當量應按下式選取：比較和可看出，四舍五入法的量化誤差比舍尾取整法的量化誤差小，所以實用中的ADC多采用四舍五入法。編碼：用二進制代碼表示量化后采樣信息的過程稱為編碼。將變化范圍為01V的模擬信號電壓轉換成三位二進制數(shù)字量代碼。先把1V電壓分成238個離散電平，分別是0V、1/8V、2/8V、3/8V7/8V、1V。即 1/8V。例分析模擬電壓0V1/8 V2/8 V3/8 V4/8 V5/8 V6/8 V7/8 V1V二進制編碼0000

18、01010011100101110111代碼對應的模擬離散電平0 0V 1 1/8 V22/8 V3 3/8 V44/8 V55/8 V66/8 V77/8 V可見，此例中的量化誤差為=1/8 V。9.2.2 ADC的主要技術指標1.相對精度相對精度是指ADC轉換器實際輸出數(shù)字量與理論輸出數(shù)字量之間的最大差值。通常用最低有效位ULSB的倍數(shù)來衡量。2.分辨率通常用ADC輸出的二進制位數(shù)來表示。位數(shù)越多，誤差越小，分辨率越高。指ADC完成一次轉換所需時間，即從轉換開始到輸出端出現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)字信號所需要的時間。轉換速度反映了ADC轉換的快慢程度。3.轉換速度CP輸出數(shù)字量模擬信號輸入電壓比較器基準電

19、壓逐次逼近寄存器D/A 轉換器邏輯控制器數(shù)碼 寄存器uF反饋電壓9.2.3 逐次比較型ADC電路組成及工作原理逐次逼近寄存器讀出與門邏輯控制門電壓比較器四 位 DACQFF3SRQSRQSRd0+UiCPd1d2E11QSRFF2FF1FF01UAd3五位順序脈沖發(fā)生器Q4Q3Q2Q1Q0d0d1d2d31. 電路組成2022/7/19逐次比較型ADC是集成ADC芯片中使用較多的一種，它通過對輸入量的多次比較，最終得到輸入模擬電壓量化編碼的輸出。 當uiuF時，比較器輸出0，控制器控制寄存器保留最高位的1，次高位置“1”；當uiuF時，比較器輸出“1”，控制器控制寄存器最高位置“0”，次高位置

20、“1”。寄存器內數(shù)據(jù)經DAC電路后輸出反饋信號到比較器，進行第二次比較，并將比較結果送入邏輯控制器，送入“0”時保留寄存器中高兩位的值，并將第三位置“1”，若送入1保留最高位，次高位置“0”，第三位置“1”，寄存器內數(shù)據(jù)經DAC電路后輸出反饋信號到比較器，經過逐次比較，直至得到寄存器中最低位的比較結果。比較完畢，寄存器中的狀態(tài)（即產生的數(shù)碼）就是所要求的ADC輸出的數(shù)字量。2. 工作原理2022/7/199.2.4 雙積分型ADC的結構組成及工作原理 n位二進制計數(shù)器開關控制電路&S1S2CPQn-1Qn-2Q1Q0積分器過零比較器uG-+uo2uo1+-+ui-UR雙積分型ADC在積分前，計

21、數(shù)器應先清零，然后閉合電子開關S2，隨后再把S2打開，把電容C上儲存的電荷電壓釋放掉。時鐘脈沖源采用標準周期，作為測量時間間隔的標準時間。2. 工作原理 n位二進制計數(shù)器開關控制電路&S1S2CPQn-1Qn-2Q1Q0積分器過零比較器uG-+uo2uo1+-+ui-UR在采樣階段，開關S1與被測電壓接通，S2打開。被測電壓被送入積分器進行積分，積分器輸出電壓小于0，比較器輸出高電平1，邏輯控制器控制計數(shù)器開始計數(shù)，對被測電壓的積分持續(xù)到計數(shù)器由全1變?yōu)槿?的瞬間。 n位二進制計數(shù)器開關控制電路&S1S2CPQn-1Qn-2Q1Q0積分器過零比較器uG-+uo2uo1+-+ui-UR當計數(shù)器為

22、n位時，計數(shù)時間T1=2nTC(TC是時鐘脈沖的周期)。這時積分器的輸出電壓為： n位二進制計數(shù)器開關控制電路&S1S2CPQn-1Qn-2Q1Q0積分器過零比較器uG-+uo2uo1+-+ui-UR當計數(shù)器由全1變?yōu)槿?時，進入比較階段，控制器使S1與參考電壓UR相接，這時積分器對UR反向積分，電壓u0逐漸上升，計數(shù)器又從0開始計數(shù)。當積分器積分至u0=0時，比較器輸出低電平0，控制器封鎖CP脈沖，使計數(shù)器停止計數(shù)。 n位二進制計數(shù)器開關控制電路&S1S2CPQn-1Qn-2Q1Q0積分器過零比較器uG-+uo2uo1+-+ui-UR若計數(shù)器的輸出數(shù)碼為D，此時積分器的輸出電壓與計數(shù)器的輸出

23、數(shù)碼之間的關系為： n位二進制計數(shù)器開關控制電路&S1S2CPQn-1Qn-2Q1Q0積分器過零比較器uG-+uo2uo1+-+ui-UR 此時T2=DTC，所以：顯然，計數(shù)器輸出的數(shù)碼與被測電壓成正比，可以用來表示模擬量的采樣值。 n位二進制計數(shù)器開關控制電路&S1S2CPQn-1Qn-2Q1Q0積分器過零比較器uG-+uo2uo1+-+ui-UR雙積分型ADC的轉換精度很高，但轉換速度較慢，不適合高速應用場合。但是雙積分型ADC的電路不復雜，在數(shù)字萬用表等對速度要求不高的場合下，仍然得到了較為廣泛的使用。9.2.5 集成ADC0809簡介左圖是ADC0809集成芯片的引腳圖。它是一個28腳

24、的芯片，采用CMOS工藝制成的8位ADC，內部采用逐次比較結構形式。各引腳的作用如下： IN0IN7 為8個模擬信號輸入端。由地址譯碼器控制將其中一路送入轉換器進行轉換。A、B、C 是模擬信道的地址選擇。 CP為時鐘脈沖輸入端。ALE是地址鎖存允許信號，高電平時可進行模擬信道的地址選擇；START是啟動信號。上升沿將寄存器清零，下降沿開始進行轉換；CP為時鐘脈沖輸入端。ALE是地址鎖存允許信號，高電平時可進行模擬信道的地址選擇；START是啟動信號。上升沿將寄存器清零，下降沿開始進行轉換；EOC為模數(shù)轉換結束，高電平有效；D0D7 是數(shù)字量輸出端口；UR(+)為正參考電壓輸出；UR(-)是負參考電壓輸出。集成ADC0809芯片內部包括模擬多路轉換開關和A/D轉換兩大部分。A/D轉換部分包括比較器、逐次逼近寄存器SAR、256R電阻網(wǎng)絡、樹狀電子開關、控制與時序電路等，另外具有三態(tài)輸出鎖存緩沖器，其輸出數(shù)據(jù)線可直接連CPU的數(shù)據(jù)總線。模擬多路轉換開關由8路模擬開關和位地址鎖存器與譯碼器組成，地址鎖存器允許信號ALE將三位地址信號ADDC、ADDB和ADDA進行鎖存，然后由譯碼電路選通其中一路摸信號加到A/D轉換部分進行轉換。2022/7/19ADC0809集成電路結構組成圖ADC0809通過IN0IN7可輸入八路單端模擬電壓。地址鎖存允許信號A