數(shù)-模與模-數(shù)轉(zhuǎn)換

1、數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換電子技術(shù)基礎(chǔ)與技能2022/7/272 數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換 1. 數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換基本概念數(shù)字電路和計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，不能處理模擬信號(hào)。若要對(duì)它們處理，必須將它們轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬信號(hào)，才能處理。處理完畢，有的需要恢復(fù)它們的模擬特性，有的需要轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后控制執(zhí)行元件。將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬信號(hào)稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換（簡(jiǎn)稱D/A轉(zhuǎn)換）；將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換（簡(jiǎn)稱A/D）。2. 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路數(shù)模轉(zhuǎn)換器的種類很多，但無(wú)論何種形式的，其原理都是先把輸入的二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成與其成正比例的電壓或電流，然后相加得到與輸入的數(shù)字信息成正比的模擬量。按轉(zhuǎn)換方式可分為權(quán)電阻

2、網(wǎng)絡(luò)型、T型電阻網(wǎng)絡(luò)、倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)、權(quán)電流型網(wǎng)絡(luò)和權(quán)電容型網(wǎng)絡(luò)等；按數(shù)字量輸入位數(shù)可分為8位、10位、12位等。2022/7/273（1） 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的工作原理倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器包括由數(shù)碼控制的雙擲開(kāi)關(guān)和由電阻構(gòu)成的分流網(wǎng)絡(luò)兩部分。為了建立輸出電流，在電阻分流網(wǎng)絡(luò)的輸入端接入?yún)⒖茧妷篣REF。因同相輸入端接地，則反相輸入端為“虛地”，所以無(wú)論數(shù)字量D0、D1、D2、D3控制開(kāi)關(guān)Si是接地還是虛地，流過(guò)各個(gè)支路的電流都保持不變。4位倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC原理圖 2022/7/274從A、B、C、D四個(gè)節(jié)點(diǎn)向左看，電阻均為2R，且對(duì)地等效電阻均為R。因D點(diǎn)對(duì)地等效電阻為R，從UREF流出的

3、電流：I=UREF/R。因此，每經(jīng)過(guò)一個(gè)節(jié)點(diǎn)，電流被分流一半，即：I3=I/2，I2=I/4，I1=I/8，I0=I/16。假設(shè)所有開(kāi)關(guān)都接通右觸點(diǎn)，則運(yùn)放的反相端的電流IF為而運(yùn)放的輸出模擬電壓為2022/7/275（2）數(shù)模轉(zhuǎn)換的主要技術(shù)指標(biāo)1）分辨率。分辨率是表示D/A轉(zhuǎn)換器在理論上可達(dá)到的精度，常用最小輸出電壓與最大輸出電壓之比值來(lái)表示。分辨率取決于D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。位數(shù)越多，能夠分辨的最小輸出電壓變化量就越小，分辨率就越高。對(duì)于n位D/A轉(zhuǎn)換器，分辨率可表示為：例如，對(duì)于一個(gè)8位D/A轉(zhuǎn)換器，其分辨率為：1/(28-1)=1/2550.00392=0.392%2）轉(zhuǎn)換精度。轉(zhuǎn)換精度

4、是指輸出模擬電壓實(shí)際值與理論值之差，即最大靜態(tài)誤差。轉(zhuǎn)換精度與D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率、非線性轉(zhuǎn)換誤差、比例系數(shù)誤差和溫度系數(shù)等參數(shù)有關(guān)。這些參數(shù)與基準(zhǔn)電壓UREF的穩(wěn)定、運(yùn)放的零漂、模擬電子開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通壓降、導(dǎo)通電阻和電阻網(wǎng)絡(luò)中電阻的誤差等因素有關(guān)。 2022/7/2763）溫度系數(shù)。在輸入不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化而變化的量，稱為DAC的溫度系數(shù)。一般用滿刻度的百分?jǐn)?shù)表示溫度每升高一度輸出電壓變化的值。 4）建立時(shí)間。完成一次D/A轉(zhuǎn)換所需時(shí)間。一般小于1s。5）非線性誤差。通常把D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓值與理想輸出電壓值之間偏差的最大值定義為非線性誤差。D/A轉(zhuǎn)換器的非線性誤差主要由模擬

5、開(kāi)關(guān)以及運(yùn)算放大器的非線性引起。 2022/7/2773）典型D/A芯片DAC0832DAC0832是一種8位D/A電路。內(nèi)部含有兩個(gè)緩沖數(shù)字寄存器（即輸入寄存器和D/A轉(zhuǎn)換寄存器）和一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器，它們均采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS數(shù)字電路設(shè)計(jì)。8位待轉(zhuǎn)換的輸入數(shù)據(jù)由1316端及47端送入第一級(jí)緩沖寄存器，其輸出數(shù)據(jù)送D/A轉(zhuǎn)換寄存器。(a) 引腳圖 2022/7/278DAC 0832引腳和邏輯框圖 (b) 邏輯框圖2022/7/2793. 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路（1）模數(shù)轉(zhuǎn)換器的組成。A/D轉(zhuǎn)換通常需要經(jīng)過(guò)采樣、保持、量化、編碼四個(gè)過(guò)程。 1）采樣。采樣的作用是把時(shí)間上連續(xù)的輸入模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成在時(shí)間上是斷續(xù)

6、的信號(hào)，輸出脈沖波的波形仍反映輸入信號(hào)幅度的大小。 根據(jù)采樣定理，需滿足fS2fImax。一般取fS=（35）fImax。其中fS 是采樣脈沖頻率，fImax是輸入模擬信號(hào)頻率中的最高頻率。 采樣示意圖 2022/7/27102）保持。保持是把每次采樣取得的模擬信號(hào)存儲(chǔ)一段時(shí)間，直到下一個(gè)采樣脈沖的到來(lái)，這樣就便于采樣后信號(hào)的量化和編碼。圖中，利用電容器C的存儲(chǔ)作用完成這一功能。當(dāng)采樣脈沖us到來(lái)后，采樣管VT導(dǎo)通，輸入的模擬信號(hào)uA經(jīng)過(guò)VT管向電容C充電。在采樣脈沖結(jié)束后，采樣管VT截止，若電容和場(chǎng)效應(yīng)管的漏電都很小，運(yùn)算放大器的輸入阻抗又很高，那么兩次采樣之間的時(shí)間內(nèi)，電容沒(méi)有泄漏電荷，其

7、電壓基本保持不變。2022/7/27113）量化與編碼。所謂量化就是將采樣/保持后得到的樣本值在幅值上以一定的級(jí)數(shù)離散化，用最小量化單位的倍數(shù)來(lái)表示采樣保持階梯波離散電平的過(guò)程。最小基準(zhǔn)單位量用表示，或LSB表示。量化后的信號(hào)數(shù)值用二進(jìn)制代碼表示，稱為編碼。即A/D轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)。一個(gè)n位二進(jìn)制數(shù)只能表示2n個(gè)量化電平，量化過(guò)程中不可避免會(huì)產(chǎn)生誤差，這種誤差稱為量化誤差。量化級(jí)分得越多（n越大），量化誤差越小。 2022/7/2712（2）A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)1）分辨率。使輸出數(shù)字量變化1LSB所需要輸入模擬量的變化量，稱為分辨率。通常仍用位數(shù)表示，位數(shù)越多，分辨率越高。2）轉(zhuǎn)換誤差。轉(zhuǎn)換

8、誤差表示A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量與理論上的輸出數(shù)字量之間的差別。通常以輸出誤差的最大值形式給出。例如某ADC的相對(duì)精度為(1/2)LSB，這說(shuō)明理論上應(yīng)輸出的數(shù)字量與實(shí)際輸出的數(shù)字量之間的誤差不大于最低位為的一半。 3）轉(zhuǎn)換精度。轉(zhuǎn)換精度是一種綜合性誤差，與A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率、量化誤差、非線性誤差等有關(guān)。主要因素是分辨率，因此位數(shù)越多，轉(zhuǎn)換精度越高。4）轉(zhuǎn)換時(shí)間。完成一次A/D所需的時(shí)間稱為轉(zhuǎn)換時(shí)間。各類A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間有很大差別，取決于A/D轉(zhuǎn)換的類型和轉(zhuǎn)換位數(shù)。速度最快的達(dá)到ns級(jí)，慢的約幾百ms。直接A/D型快，間接A/D型慢。并聯(lián)比較型A/D最快，約幾十ns；逐次漸近式A/

9、D其次，約幾十s；雙積分型A/D最慢，約幾十ms幾百ms。2022/7/2713（3）A/D轉(zhuǎn)換器的分類按信號(hào)轉(zhuǎn)換形式可分為直接A/D型和間接A/D型。間接A/D型是先將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為其他形式信號(hào)，然后再轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。直接A/D有并聯(lián)比較型、反饋比較型、逐次漸近比較型，其中逐次漸近比較型應(yīng)用較廣泛。間接A/D有單積分型、雙積分型和V-F變換型，其中以雙積分型應(yīng)用較為廣泛。A/D轉(zhuǎn)換后數(shù)字信號(hào)的輸出形式，可分為并行A/D和串行A/D。近年來(lái)，在微機(jī)控制系統(tǒng)中，串行A/D逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。（4）模數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作原理1）逐次漸近比較型A/D轉(zhuǎn)換器。 比較過(guò)程相當(dāng)于用天平去稱量一個(gè)未知量，每次使用的

10、法碼一個(gè)比一個(gè)重量少一半。多了，最輕的法碼換一個(gè)重量少一半的法碼；少了，再加一個(gè)重量比最輕的法碼少一半的法碼。逐次漸近比較，最后得到一個(gè)最接近未知量的近似值。2022/7/2714特點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度快、轉(zhuǎn)換精度高。逐次比較型A/D邏輯框圖 2022/7/27152）雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器?；驹恚簩?duì)輸入模擬電壓uI和基準(zhǔn)電壓-UREF分別進(jìn)行積分，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時(shí)間間隔T2，然后在這個(gè)時(shí)間間隔里對(duì)固定頻率的時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果N就是正比于輸入模擬信號(hào)的數(shù)字量信號(hào)。 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器邏輯框圖 2022/7/2716A/D積分原理示意圖 2022/7/2717(a) 引腳圖

11、(b) 邏輯框圖 2022/7/2718ADC0809內(nèi)部主要由多路模擬轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、地址鎖存譯碼、三態(tài)輸出鎖存器和A/D轉(zhuǎn)換器組成。一般用于有單片機(jī)控制的A/D轉(zhuǎn)換。各管腳的功能說(shuō)明如下：IN0IN7：8路模擬輸入端；START：?jiǎn)?dòng)信號(hào)輸入端，應(yīng)在此腳施加正脈沖，當(dāng)上升沿到達(dá)時(shí)，內(nèi)部逐次逼近寄存器復(fù)位，在下降沿到達(dá)后，開(kāi)始A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程；EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出信號(hào)（轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志），當(dāng)完成A/D轉(zhuǎn)換時(shí)發(fā)出一個(gè)高電平信號(hào)，表示轉(zhuǎn)換結(jié)束；A2、Al、A0：模擬通道選擇器地址輸入端，根據(jù)其值選擇8路模擬信號(hào)中的一路進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；2022/7/2719ALE：地址鎖存信號(hào)，高電平有效，當(dāng)ALE=1時(shí)，選中A2A1A0選擇的一路，并將其代表的模擬信號(hào)接入A/D轉(zhuǎn)換器之中；D0D7：8路數(shù)字信號(hào)輸出端；UREF(+)、UREF(-)：基準(zhǔn)電壓端，提供D/A轉(zhuǎn)換器權(quán)電阻的標(biāo)準(zhǔn)電平，一般UREF(+)端