數(shù)字電子技術(shù)第7章課件

1、模數(shù)轉(zhuǎn)換： 將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，相應(yīng)的電路叫A/D轉(zhuǎn)換 器，簡稱ADC；數(shù)模轉(zhuǎn)換： 將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，相應(yīng)的電路叫D/A轉(zhuǎn)換器，簡稱DAC。 參量/電壓轉(zhuǎn)換被測參量模擬量 A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字量數(shù)字電子 計(jì)算機(jī)數(shù)字量 D/A轉(zhuǎn)換器模擬量被控制 對象數(shù)字控制系統(tǒng)框圖7.1 D/A轉(zhuǎn)換器 DAC輸入字量DDn-1Dn-2D1D0i001 010 011 100 101 110 11176543210U0或I0 UmULSBD圖7-1 D/A轉(zhuǎn)換器的框圖 圖7-2輸入3位二進(jìn)制數(shù)的D/A轉(zhuǎn)換特性 7.1.1 D/A轉(zhuǎn)換器及其主要參數(shù) D=d n-12 n-1+d n-22 n-2+d121

2、+d020 （7-1） A=KD=K（d n-12 n-1+d n-22 n-2+d121+d020） =i2i 2. 主要技術(shù)指標(biāo) （1）分辨率 電路所能分辨的最小輸出電壓ULSB（輸入的數(shù)字代碼最低有效位為1，其余各位都為0）與滿刻度輸出電壓Um（輸入的數(shù)字代碼的各位均為1）之比，即 分辨率=0.0009781 n=10的D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為 Um=10V，n=10時(shí)， 10V110mV （2）絕對誤差和非線性度 絕對誤差是指輸入端加對應(yīng)滿刻度的數(shù)字量時(shí)，D/A轉(zhuǎn)換器輸出的理論值與實(shí)際值之差，一般來說，絕對誤差應(yīng)低于ULSB/2。其影響因素主要有電子開關(guān)導(dǎo)通的電壓降，電阻網(wǎng)絡(luò)阻值偏差、參

3、考電壓偏離、集成運(yùn)放漂移產(chǎn)生的誤差。 在滿刻度范圍內(nèi)偏離轉(zhuǎn)換特性的最大值稱為非線性誤差。它與滿刻度之比稱為非線性度，常用百分比來表示。 （3）轉(zhuǎn)換時(shí)間 從數(shù)碼輸入到模擬電壓或電流穩(wěn)定輸出之間的響應(yīng)時(shí)間稱為轉(zhuǎn)換速度。當(dāng)轉(zhuǎn)換器的輸入變化為滿度值（輸入由全0變?yōu)槿?或由全1變?yōu)槿?）時(shí)，其輸出達(dá)到穩(wěn)定值所需的時(shí)間為轉(zhuǎn)換時(shí)間，也稱建立時(shí)間或穩(wěn)定時(shí)間。根據(jù)電阻網(wǎng)絡(luò)的不同，可以構(gòu)成多種D/A轉(zhuǎn)換電路，如權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型、T形電阻網(wǎng)絡(luò)型、倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)型和權(quán)電流型等。D/A轉(zhuǎn)換器通常由電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)、求和運(yùn)算放大器和基準(zhǔn)電壓源等部分組成。組成分類7.1.2 權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器 uORF i= =DDD(L

4、SB)(MSB)SSSS00112233R+AuOiFI24I8I16IUREFD+ DAC0808 8位權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器，其中D0D7是數(shù)字量輸入端。使用時(shí)，需要外接運(yùn)算放大器和產(chǎn)生基準(zhǔn)電流用的電阻R1。當(dāng)VREF=10V、 R1=5k、 RF=5k時(shí)，輸出電壓為：56789101112DDDDDDDD01234567vUO5k5k5kREFU0.01F13CCV=+5VEEV=-15V數(shù)字量輸入模擬量輸出DAC0808LSBMSB141524163RF1R2RA-+d0 d1 d2 d32R 2R 2R 2R 2RR R R IUREFI/2S0 S1 S2 S3I/16(LSB) (

5、MSB)i1R=RFAU0_+圖7-4 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的原理電路圖7.1.3 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器 I/16I/8I/I/ uO=-i IR=uO=2. 集成D/A轉(zhuǎn)換器 圖7- AD7520內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖AD7520外引線圖 單極性輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換應(yīng)用電路 D0D9：數(shù)據(jù)輸入端IOUT1：電流輸出端1IOUT2：電流輸出端2Rf：10K反饋電阻引出端VCC：電源輸入端UREF：基準(zhǔn)電壓輸入端GND：地。d0=1時(shí)RUE2RuO3R7.1.4 模擬電子開關(guān) 1例7-1 已知n位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器（DAC）中的RF=R，UREF=12V，試分別求出4位和8位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D

6、AC的最小輸出電壓ULSB，并說明這種DAC的ULSB與位數(shù)n的關(guān)系。解： 4位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC的最小輸出電壓ULSB=8位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC的最小輸出電壓ULSB=T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器例7-2例7-3 用AD7520設(shè)計(jì)一個(gè)單極型D/A轉(zhuǎn)換電路，要求電壓輸出范圍為0+5V。解： AD7520連接成單極型D/A轉(zhuǎn)換電路，如圖7-10所示。因?yàn)锳D7520是10位CMOS倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC，所以不需要設(shè)計(jì)電平偏移電路，只需外接運(yùn)放、VDD=+5V和UREF=-5V即可。注意：圖中“#/”是DAC的限定符；圖中1k可調(diào)電位器用于增大放大倍數(shù)。 d9d3d2d8d7d6d5d4d1VSS

7、#/VDDUREFRFBI02I011k+5V5V+-AD75200+5V7.2模數(shù)（A/D ）轉(zhuǎn)換器 直接ADC：將輸入模擬電壓直接轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字量的轉(zhuǎn)換方式。間接ADC：先將輸入模擬電壓轉(zhuǎn)換成與之正比的中間變量（如時(shí)間寬度、頻率等），然后再將中間變量轉(zhuǎn)換成與之成正比的數(shù)字信號。 直接ADCADC 間接ADC并聯(lián)比較型 * 反饋比較型 計(jì)數(shù)型 逐次逼進(jìn)型 *雙積分型（即V-T變換型）* V-F變換型 采樣信號取樣頻率fS必須大于等于輸入模擬信號包含的最高頻率fmax的兩倍，即： 7.2.1 A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程 1. 取樣與保持 TG模擬信號+-uO+-uI開關(guān)驅(qū)動(dòng)SCHA1A2t0t

8、1t2t3t4t5t60uOuItuOuI 圖7-12 取樣-保持電路 2. 量化與編碼 將采樣電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字量最小數(shù)量單位的整數(shù)倍的過程量化將量化結(jié)果用代碼表示出來編碼由于模擬量不一定能被整除量化誤差 例如：要將08V的模擬電壓轉(zhuǎn)換為三位二進(jìn)制代碼方法一：取1V，0 1V 的電壓以0表示，則模擬電壓二進(jìn)制編碼代表的模擬電壓電平0V1 V2V3 V4 V5 V6 V7 V8V0000010100111001011101110 0V 1 1V22V3 3V44V55V66V77V可見量化誤差最大達(dá)=1V方法二：取8/15 V，0 8/15 V 的電壓以0 表示，則模擬電壓二進(jìn)制編碼0V8/15

9、V24/15 V39/15 V54/15 V69/15 V83/15 V107/15 V8V000001010011100101110111可見量化誤差最大達(dá)/2=1/15 VCCCCCCC4CCCCO4CCCRRRRRRRR/2UREFVREFREFVVREFVREF15151515131131dQQC11D1D碼Qd(MSB)編1DQ先2QQQ1D1D優(yōu)C1器C11D01D(LSB)C11C1C1C1dICP電壓比較器寄存器代碼轉(zhuǎn)換器O7O1O2O6O5O31762531234567IIIIIII7654321U7.2.2 并行比較型A/D轉(zhuǎn)換 圖7-13 3位并行比較型ADC 表7-1

10、并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器輸入/ 輸出對照表輸入模擬電壓寄存器狀態(tài)數(shù)字量輸出D2 D1 D0Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1（01/15）VREF（ 1/15 3/15）VREF（ 3/15 5/15）VREF（ 5/15 7/15）VREF（ 7/15 9/15）VREF（ 9/15 11/15）VREF（ 11/15 13/15）VREF（ 13/15 1）VREF0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 1 10 0 0 0 1 1 10 0 0 1 1 1 10 0 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 10 0 00 0

11、 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1取樣保持電路5位并行比較A/D轉(zhuǎn)換器5位D/A轉(zhuǎn)換器5位并行比較A/D轉(zhuǎn)換器32+_ D9 D8 D7 D6 D5 D4D3D2D1D0UIUREF圖7-14 10位ADC的分級并行轉(zhuǎn)換原理 7.2.3 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器 轉(zhuǎn)換原理：Gd3g3+ d2g2+ d1g1+ d0g0di1 有效0 無效有效砝碼的總重量逐次逼近重物的重量：轉(zhuǎn)換開始前先將所有寄存器清零。開始轉(zhuǎn)換以后，時(shí)鐘脈沖首先將寄存器最高位置成1，使輸出數(shù)字為1000。這個(gè)數(shù)碼被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓uo，送到比較器中與ui進(jìn)行比較。若uiuo ，說明數(shù)

12、字過大了，故將最高位的1清除；若ui uo，說明數(shù)字還不夠大，應(yīng)將這一位保留。然后，再按同樣的方式將次高位置成1，并且經(jīng)過比較以后確定這個(gè)1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，寄存器中的狀態(tài)就是所要求的數(shù)字量輸出。工作過程原理框圖R1DR1DR1DR1DS1DC1C1C1C1C1&1SC11RR1SC11RR1SC1R1R=1&=1&3位D/A轉(zhuǎn)換器1ENCP ULF1F2F3F4F5uCQAQBQCuIu0+-+1EN1ENd2d1d0Q1Q2Q3Q4Q5FAFBFC圖7-16 3位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器例7-4 在圖7-16所示電路結(jié)構(gòu)的逐次逼近型ADC中，若n=

13、8，且已知時(shí)鐘脈沖頻率為1MHz，試問完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間是多少？如要求該8位逐次逼近型ADC完成一次轉(zhuǎn)換的時(shí)間小于100s，問時(shí)鐘頻率應(yīng)選多大？解： 由上述分析推知，n位逐次逼近型ADC完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間為 T=（n+2）TCP （TCP為時(shí)鐘脈沖CP的周期）根據(jù)題意，已知n=8，TCP=1s，代入上式得T=10s如要求完成一次轉(zhuǎn)換的時(shí)間T100s，即TCP10100s解此不等式得 TCP0.1MHz。 7.2.4 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器C1nFFR1J1KC1n-1FFR1J1KC11FFR1J1KC10FFR1J1K1111ACRCvOvCTCS2n級計(jì)數(shù)器DDDn-110.MSBL

14、SB數(shù)字量輸出Qn-1Q1Q0QnCR+A1ISVvREFSVB1CP&vG基本原理： 對輸入模擬電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行兩次積分，先對輸入模擬電壓進(jìn)行積分，將其變換成與輸入模擬電壓成正比的時(shí)間間隔T1，再利用計(jì)數(shù)器測出此時(shí)間間隔，則計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)字量就正比于輸入的模擬電壓；接著對基準(zhǔn)電壓進(jìn)行同樣的處理。ooooTT12ttttT1T2vs1ovGvc+IvREFU12ott1t2vQn(a)(b)(c)(d)(e)UP =-RCT1Ui=-RCTCUI2nUPUPuo =-RC1（UREF）t2t1dt7.2.5 A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)1、分辨率 A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號的分辨能力。一般以輸出二進(jìn)制（或十進(jìn)制）數(shù)的位數(shù)表示。因?yàn)?，在最大輸入電壓一定時(shí)，輸出位數(shù)愈多，量化單位愈小，分辨率愈高。2、轉(zhuǎn)換誤差A(yù)/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出數(shù)字量與理論輸出數(shù)字量之間的最大差值。3、轉(zhuǎn)換時(shí)間 A/D轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控制信號到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號所經(jīng)歷的時(shí)間。 例7-5 某信號采集系統(tǒng)要求用一片A/D轉(zhuǎn)換集成芯片在1秒（s）內(nèi)對16個(gè)熱電偶的輸出電壓分時(shí)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。已知熱電偶輸出電壓范圍為00.0