數電第8數模和模數轉換器

1、概述第 8 章數模和模數轉換器 本章小結A/D 轉換器D/A 轉換器 8.1 概述 主要要求： 理解數模和模數轉換器的概念和作用。 一、數模和模數轉換的概念和作用 數模轉換即將數字量轉換為模擬電量(電壓或電流)，使輸出的模擬電量與輸入的數字量成正比。 實現數模轉換的電路稱數模轉換器 Digital - Analog Converter，簡稱 D/A 轉換器或 DAC。 模數轉換即將模擬電量轉換為數字量，使輸出的數字量與輸入的模擬電量成正比。 實現模數轉換的電路稱模數轉換器 Analog - Digital Converter，簡稱 A/D 轉換器或 ADC。 模擬量數字量 模擬量數字量傳感器

2、被控對象 自然界物理量為何要進行數模和模數轉換？ 二、數模和模數轉換器應用舉例數字信號物理量模擬信號壓力傳感器溫度傳感器流量傳感器四路模擬開關數字控制計算機DAC模擬控制器模擬控制器液位傳感器DACDAC模擬控制器模擬控制器生 產 控 制 對 象 DACADC二、數模和模數轉換器應用舉例 主要要求： 了解數模轉換的基本原理。 了解常用 D/A 轉換器的類型和主要參數。 了解 R - 2R 倒 T 形電阻網絡 D/A 轉換器的電路與工作原理。 8.2 D/A 轉換器 一、數模轉換的基本原理 輸出模擬電壓 uO = D = (Dn-1 2n-1 + Dn-2 2n-2 + + D1 21 + D0

3、 20 ) 可見，uO D，uO 的大小反映了數字量 D 的大小。DACD0D1Dn-2Dn-1uOn 位二進制數輸入模擬電壓輸出一、數模轉換的基本原理 LSB Least Significant Bit 輸入數字量 D = (Dn-1 Dn-2 D1 D0 ) 2 = Dn-1 2n-1 + Dn-2 2n-2 + + D1 21 + D0 20 是 DAC 能輸出的最小電壓值，稱為 DAC 的單位量化電壓，它等于 D 最低位(LSB)為 1、其余各位均為 0 時的模擬輸出電壓(用 ULSB 表示)。組成：1）求和運算放大器：2）模擬開關：3）譯碼網絡：4）基準電源：實現求和。通常接成反相比

4、例求和?？刂芼=0或d=1時，求和電路的項數。用來實現2 n-1.20。保證系數的一致性，要求精度高。S0+-uOS1S2S3D3D2D1D0iRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI301111000RRR (一) 電路組成與轉換原理 二、R - 2R 倒 T 形電阻網絡 DAC 由倒 T 型電阻網絡、模擬開關和一個電流電壓轉換電路(簡稱 I/U 轉換電路)組成。模擬開關 Si 打向“1”側時，相應 2R 支路接虛地；打向“0”側時，相應 2R 支路接地。故無論開關打向哪一側，倒 T 型電阻網絡均可等效為下圖：II3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22R

5、I3RRRABC從 A、B、C 節(jié)點向左看去，各節(jié)點對地的等效電阻均為 2R。因此，I =VREFRI3 =I2= 23 ( )，I24I2 =I32= 22 ( )，I24=I4I1 =I22= 21 ( )，I24=I8I0 =I12= 20 ( )I24=I16可見，支路電流值 Ii 正好代表了二進制數位 Di 的權值 2i 。即 I3 = 23 I0， I2 = 22 I0， I1 = 21 I0， I0 = 20 I0 模擬開關 Si 受相應數字位 Di 控制。當 Di = 1 時，開關合向“1”側，相應支路電流 Ii 輸出；Di = 0 時，開關合向“0”側， Ii 流入地而不能輸

6、出。S0+-uOS1S2S3D3D2D1D0iRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI301111000RRRu0 = - i RF = - D I0 RF = - D i = D3 I3 + D2 I2 + D1 I1 + D0 I0 = ( D3 23 + D2 22 + D1 21 + D0 20 ) I0 = D I0對 n 位 DAC， uO= - D 若取 RF = R， 則uO= - D n 位 DAC 將參考電壓 VREF 分成 2n 份，uO 是每份的 D 倍。調節(jié) VREF 可調節(jié) DAC 的輸出電壓。uO= - D 三、常用 DAC 的類型和主要參

7、數 (一) 常用 DAC 的類型 常用 DAC 主要有權電阻網絡 DAC、 R - 2R T 形電阻網絡 DAC、R - 2R 倒 T 形電阻網絡 DAC和權電流網絡 DAC。其中，后兩者轉換速度快，性能好，因而被廣泛采用，權電流網絡 DAC 轉換精度高，性能最佳。 (二) 主要參數 1. 分辨率 DAC 的最小輸出電壓變化量，也即 DAC 的最小輸出電壓值 表示滿度輸出電壓值，FSR 即 Full Scale Range指 D/A 轉換器模擬輸出所能產生的最小電壓變化量與滿刻度輸出電壓之比。 UFSR = uO|D = 11 1 = ( 2n 1 ) ULSBn 位均為 1例如，一個 10

8、位的 DAC，分辨率為 0.000 978。DAC 的位數越多，分辨率值就越小，能分辨的最小輸出電壓值也越小。要獲得較高精度的 D/A 轉換結果，除了正確選用 DAC 的位數外，還要選用低漂移高精度的求和運算放大器。 3. 轉換時間指 DAC 在輸入數字信號開始轉換，到輸出的模擬信號達到穩(wěn)定值所需的時間。轉換時間越小，轉換速度就越高。2. 轉換精度 指 DAC 實際輸出模擬電壓與理想輸出模擬電壓間的最大誤差。它是一個綜合指標，不僅與 DAC 中元件參數的精度有關，而且與環(huán)境溫度、求和運算放大器的溫度漂移以及轉換器的位數有關。 通常要求 DAC的誤差小于 ULSB / 2。四、模擬電子開關1 、

9、要求: 在D/A轉換器中使用的模擬電子開關是受輸入數字信號的狀態(tài)控制的，因為傳輸的是模擬信號，所以要求模擬開關應接近于理想開關，其接通和 斷開應不影響被傳送模擬信號的數值。2、 分類CMOS電子開關雙極型電子開關3、 CMOS模擬電子開關前面第二章講雙向模擬開關，但它能夠傳輸的是電壓信號，而我們現在需要傳送的是電流信號。若d1=1，則VN1 截止，VN2導通，流過2R的電阻流入反饋電阻。若d1=0，則 VN2 截止，VN1導通，流過2R的電阻流入地。四、集成 DAC應用舉例五、集成 DAC 應用舉例1. 集成 DAC 簡介 常用集成 DAC 有兩類：一類內部僅含有電阻網絡和電子模擬開關兩部分，

10、常用于一般的電子電路。另一類內部除含有電阻網絡和電子模擬開關外，還帶有數據鎖存器，并具有片選控制和數據輸入控制端，便于和微處理器進行連接，多用于微機控制系統(tǒng)中。 2. 8 位 CMOS 集成 D/A 轉換器 CDA7524 簡介數據鎖存器20 k20 k20 k20 k20 k10 k10 k10 k10 kVDDVREF151213CSWR45611D7(MSB)D6D5D0(LSB)S0S1S2S7OUT112316iRFBOUT2GND基準電壓輸入端 VREF 可正可負 片選控制端 電源電壓范圍 + 5 V + 15 V 8 位數據輸入端，其電平與 TTL 電平兼容。MSB 表示最高位，

11、LSB 表示最低位。接地端 內部反饋電阻 RF 的引出端 兩個輸出端，一般將 OUT2 接地，OUT1 接運放反向端。 寫信號控制端 例右圖為 CDA7524 的單極性輸出應用電路。圖中電位器 R1 用于調整運放增益，電容 C 用以消除運放的自激。已知 ULSB = VREF / 256，試求滿度輸出電壓及滿度輸出時所需的輸入信號。 CDA752445789106111213D7D6D4D3D2D1D5D0CS314VDD151612VREF = 10V+-OUT1OUT2uOC2 kR2R11 k15 pFWR解： 當 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 = 11111111 時

12、，輸出為滿度值。uO = - UFSR - 9.961 V。8位的D/A轉換器常用的有DAC0832、DAC0808，都屬于R2RT型電阻網絡型。剛才所介紹的AD7520為AD公司的產品。主要要求：了解模數轉換的基本原理。了解 A/D 轉換器的主要參數。 了解常用 A/D 轉換器。8.3 A/D 轉換器 一、A /D 轉換的基本原理和一般步驟 “ ”表示取整。 基本原理ADCD0D1Dn-2Dn-1uI模擬輸入信號n 位二進制數輸出D = Dn-1 Dn-2 D1 D0 可見，輸出數字量 D 正比于輸入模擬量 uI 。 稱為 ADC 的單位量化電壓或量化單位，它是 ADC 的最小分辨電壓。采樣

13、：把時間連續(xù)變化的信號變換為時間離散的信號。保持：保持采樣信號，使有充分時間轉換為數字信號。量化：把采樣保持電路的輸出信號用單位量化電壓的 整數倍表示。編碼：把量化的結果用二進制代碼表示。A /D 轉換的一般步驟 uI(t)C量化編碼電路Dn-1D1D0uI(t)S采樣保持電路輸入模擬量輸出數字量ChULUIA1A2步驟：（1）采樣時，使UL為高電平，S閉合，UO=UI，此時，UCH=UI。（2）采樣結束時，S斷開，由于A2的輸入阻抗很高，Ch上的電壓基本保持不變。（3）當下一個采樣控制信號到來后，S又閉合，電容Ch上的電壓又跟隨此時的輸入信號UI而變化。采樣信號是否會丟失原信號的信息呢？對信

14、號進行量化會引起誤差嗎？量化誤差大小與 ADC 的位數、基準電壓 VREF 和量化方法有關。 采樣定理：當采樣頻率不小于輸入模擬信號頻譜 中最高頻率的兩倍時，采樣信號可以 不失真地恢復為原模擬信號。 量化誤差：因模擬電壓不一定能被 ULSB 整除， 量化時舍去余數而引起的誤差。 劃分量化電平的兩種方法最大量化誤差 = = (1/8)V最大量化誤差 = /2 = (1/15)V1 = 1/8V4 = 4/8V0(6/8)V(7/8)V000001010011100101110111模擬電平二進制代碼代表的模擬電平0 = 0V2 = 2/8V3 = 3/8V5 = 5/8V6 = 6/8V7 =

15、7/8V(5/8)V(4/8)V(3/8)V(2/8)V(1/8)V(8/8)V模擬電平二進制代碼代表的模擬電平0 = 0V1 = 2/15V2 = 4/15V3 = 6/15V4 = 8/15V5 = 10/15V6 = 12/15V7 =14/15V(13/15)V0000001010011100101110111(11/15)V(15/15)V(9/15)V(3/15)V(7/15)V(1/15)V(5/15)V只舍不入VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型 ADC 0000000000u

16、I電阻構成分壓器 VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型 ADC 0000001001uIVREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型 ADC 0000011010uIVREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型 ADC 0000111011uIVREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1

17、D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型 ADC 0001111100uIVREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型 ADC 0011111101uIVREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型 ADC 0111111110uIVREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型 ADC 1

18、111111111uI三、常用 ADC 的類型和主要參數 (一)常用 ADC 的類型 常用 ADC 主要有并聯(lián)比較型、雙積分型和逐次逼近型。其中，并聯(lián)比較型 ADC 轉換速度最快，但價格貴；雙積分型 ADC 精度高、抗干擾能力強，但速度慢；逐次逼近型速度較快、精度較高、價格適中，因而被廣泛采用。 A/D轉換器直接型間接型并聯(lián)比較型反饋比較型計數型逐次漸進型電壓時間變換型積分型(U-T)電壓頻率變換型(U-F)指 ADC 實際輸出數字量與理想輸出數字量之間的最大差值。通常用最低有效位 LSB 的倍數來表示。 (二) 主要參數 2. 相對精度(又稱轉換誤差) 指 ADC 輸出數字量的最低位變化一個

19、數碼時，對應輸入模擬量的變化量。 1. 分辨率 例如 最大輸出電壓為 5V 的 8 位 ADC 的分辨率為： 5V / 28 = 19.6 mA 分辨率也可用 ADC 的位數表示。位數越多，能分辨的最小模擬電壓值就越小。 例如 轉換誤差不大于 1/2 LSB，即說明 實際輸出數字量與理想輸出數字量 之間的最大誤差不超過 1/2 LSB。 3. 轉換時間 轉換速度比較：并聯(lián)比較型 逐次逼近型 雙積分型 數十 ns 數十 s 數十 ms 指 ADC 完成一次轉換所需要的時間，即從轉換開始到輸出端出現穩(wěn)定的數字信號所需要的時間。轉換時間越小，轉換速度越高。四、逐次漸進型A/D轉換器學習目的：逐次漸進

20、型A/D轉換器屬直接型A/D，通過這部分內容的學習，同學們一要掌握A/D轉換器的原理，二要掌握數字時序邏輯電路的的分析方法，為今后分析和設計更復雜的電路打基礎。1、工作原理：類似天平稱物體的原理。天平的一端放被稱的物體，另一端加砝碼，各砝碼的重量按二進制關系設置，一個 比一個小一半。稱重時，將各種重量的砝碼從大到小逐一放在天平上加以試探，經天平比較加以取舍，一直到天平基本平衡為止。這樣就以一系列二進制碼的重量之和表示了被稱物體的重量。組成：順序脈沖發(fā)生器:依次產生各種重量的砝碼。 控制電路：決定本次所放砝碼的取舍。 寄存器：把順序脈沖發(fā)生器和控制電 路處理后的二進制數暫時存放起來。 D/A轉換

21、器：寄存器輸出的數字量轉換成模擬量。 電壓比較器：將D/A轉換器的輸出電壓與被轉換 的電壓進行比較，輸出用來控制控制電路。 結論：3位A/D轉換器轉換完成用了5個CP脈沖，n位A/D轉換器用n+2個脈沖。優(yōu)點：精度高，轉換速度快，轉換時間固定，簡化了與計算機同步，所以常常用作微機接口。2、常用的A/D轉換器芯片有ADC0809、ADC0804、AD574A。僅介紹ADC0890。CMOS器件，除了有8位A/D轉換器外，還有8路模擬開關以及地址鎖存與譯碼，有三條地址輸入線ADDA、ADDB、ADDC，可決定選通一路，該芯片內還有便于與微機數據總線連接的三態(tài)輸出鎖存器。UI3UI4UI5UI6UI

22、7STARTEOCD3OECLKVCC+VREFGNDD1UI2UI1UI0ADDAADDBADDCALED7D6D5D4D0-VREFD212345678910111213142827262524232221201918171615五 雙積分型A/D轉換器它屬于間接型?；驹硎牵和ㄟ^兩次積分，先把模擬電壓UI轉換成與之大小相對應的時間T，再在時間間隔T內用計數頻率不變的計數器計數，計數器所計的數字量就正比于輸入模擬電壓。2、工作原理1）初始化：令US=0。則Fn-1F n-1.F1F0FC=00000；D1=1，計數器不工作；D2=1，開關S0閉合使積分電容充分放電；由于QC=0，使開關S

23、1接至ui一側。2）第一次積分階段采樣階段。也叫定時積分。 令US=1，則D2=0開關S0斷開；D1=/cp。 積分器在固定時間T1內進行積分，T1=2nTc3）第二次積分。開關S1接至-UR，積分器開始反向積分，計數器又從零開始計數，經過時間T2后積分電壓回升到0，比較器輸出uc為低電平，將門D1封鎖，停止計數，轉換結束。優(yōu)點：具有較強的抗干擾能力，體現在以下兩個方面。1、采用了測量輸入電壓在采樣時間T1內平均值的原理，因此對于周期等于T1或T1/n的對稱干擾，從理論上講具有無窮大的抑制能力。在工業(yè)系統(tǒng)中，當選擇T1為20ms的整數倍時，如T1=40 ms，因為50HZ工頻干擾信號的周期為20ms，滿足T1/n的要求，可很好地抑制工頻干擾。2