數(shù)電部分第9章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換

第九章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換9.1D/A轉(zhuǎn)換器9.2A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)電部分第9章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!第九章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換

模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器是計(jì)算機(jī)與外部設(shè)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。

將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的裝置稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器(簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC)；傳感器模擬控制模擬信號數(shù)字計(jì)算機(jī)數(shù)字控制數(shù)字信號ADCDAC

將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的裝置稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器(簡稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC)數(shù)電部分第9章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!9.1D/A轉(zhuǎn)換器9.1D/A轉(zhuǎn)換器9.3小結(jié)9.2A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)電部分第9章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!9.1D/A轉(zhuǎn)換器9.1.1權(quán)電阻型D/A轉(zhuǎn)換器反相比例運(yùn)算電路T型電阻網(wǎng)絡(luò)+VRS1S3S2S0R0d3d2d1d00110Vo++-ARF0011+–R1R2R3I0I1I2I3IIFR，輸入數(shù)字量D模擬量輸出輸出的模擬量應(yīng)正比于輸入的數(shù)字量Vo=VR·D基準(zhǔn)電壓數(shù)電部分第9章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!+VRS1S3S2S0R0D3D2D1D00110Vo++-ARF0011+–R1R2R3I0I1I2I3IIFR，根據(jù)疊加原理:I=I3+I2+I1+I0,若現(xiàn)在開關(guān)都接“1”,則：若各權(quán)電阻按以下規(guī)律取值：9.1.1權(quán)電阻型D/A轉(zhuǎn)換器數(shù)電部分第9章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!+VRS1S3S2S0R0D3D2D1D00110Vo++-ARF0011+–R1R2R3I0I1I2I3IIFR，9.1.1權(quán)電阻型D/A轉(zhuǎn)換器1100+VRS1S3S2S0R0D3D2D1D00110Vo++-ARF0011+–R1R2R3I0I1I2I3IIFR，＝0＝0I＝I3+I1數(shù)電部分第9章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!9.1.2倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DA轉(zhuǎn)換器Vo++-ARFD3D2D1D0I01S2S3S1S02R+VR2R2R2R2RRRRII02IIF由于運(yùn)放的反相輸入端虛地，所以，無論模擬電子開關(guān)合向哪一邊，T型電阻網(wǎng)絡(luò)與地之間的等效電路都如下圖所示。I/2I/2I/4I/4I/8I/8I/16I/16電路等效電阻為R,所以端口電流I

=VR/R,其余各支路電流分別是I/2、I/4、I/8、I/16。當(dāng)模擬開關(guān)控制端Di為高電平時(shí)相應(yīng)的電子開關(guān)Si將該支路的電流引入運(yùn)放；當(dāng)控制端為低電平時(shí)，對應(yīng)支路電流直接接地。數(shù)電部分第9章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!9.1.2倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DA轉(zhuǎn)換器Vo++-ARFD3D2D1D0I01S2S3S1S02R+VR2R2R2R2RRRRII02IiIFI/2I/2I/4I/4I/8I/8I/16I/16數(shù)電部分第9章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!9.1.2倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DA轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器中的模擬電子開關(guān)S0～S4的實(shí)際電路如圖所示圖中N溝道管T1、T4、T6、T8、T9的柵極為高電平時(shí)導(dǎo)通，P溝道管T2、T3、T5、T7的柵極為低電平時(shí)導(dǎo)通。當(dāng)Di=0時(shí)，T2通T1截止，輸出高電平T4通，輸出低電平T7通，輸出高電平T8通，將倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)的電流引向Io2當(dāng)Di=1時(shí)，T1通輸出低電平T5通，輸出高電平，T9通將倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)的電流引向Io1。A數(shù)電部分第9章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!輸入的數(shù)字量與輸出的模擬量之間的關(guān)系如表9.1.1所示。9.1.4集成DA轉(zhuǎn)換器數(shù)電部分第9章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!A/D轉(zhuǎn)換器的作用是將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量A/D轉(zhuǎn)換器組成采樣－保持量化編碼電路D/A轉(zhuǎn)換器分類并行式逐次逼進(jìn)式雙積分式9.2A/D轉(zhuǎn)換器計(jì)數(shù)式數(shù)電部分第9章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!9.2.2并行A/D轉(zhuǎn)換器分壓器比較器寄存器編碼器1.分壓器分壓器由7個(gè)電阻串聯(lián)而成，將基準(zhǔn)電壓VR分成1/15VR～13/15VR和VR8個(gè)參考電壓，其中前7個(gè)電壓分別接的7個(gè)比較器的反相輸入端，輸入ui同時(shí)接到比較器的同相輸入端，與參考電壓比較。VR是轉(zhuǎn)換器能夠測量的最大值，1/15VR是轉(zhuǎn)換器可以分辨的模擬量的最小值。數(shù)電部分第9章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!9.2.2并行A/D轉(zhuǎn)換器3.寄存器和編碼器C1～C7的輸出在寄存器F1～F7寄存并送到3位二進(jìn)制編碼器G1～G6。編碼器輸出D0～D2與其輸入Q0～Q7的邏輯表達(dá)式為：數(shù)電部分第9章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!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100…0。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ui＞uo，說明數(shù)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。原理框圖基本原理9.2.3逐次逼進(jìn)A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)電部分第9章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!9.2.3逐次逼進(jìn)A/D轉(zhuǎn)換器Q3R1DC1SQ2R1DC1SQ1R1DC1SQ0R1DC1SQ4R

C1SRQ51DC1SD/A轉(zhuǎn)換器QE

QD

QC

QB

QACP’

移位寄存器

SFEDCBA1–

+C&+5VCP+5VV’RVRD3D2D1D0啟動脈沖ui右循環(huán)移位寄存器的作用是將產(chǎn)生的節(jié)拍脈沖送入數(shù)據(jù)寄存器，使其產(chǎn)生不同的數(shù)字代碼給D/A轉(zhuǎn)換器。cpQAQBQCQDQE1234啟動脈沖FQEQDQCQBQA=01111串行輸入端S與QA接，然后在下一個(gè)CP到來時(shí)把QA的狀態(tài)移至QE,形成右循環(huán)移位。當(dāng)QA＝0時(shí)，將Q5置0，與非門關(guān)閉，完成一個(gè)轉(zhuǎn)換周期。數(shù)電部分第9章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!9.2.3逐次逼進(jìn)A/D轉(zhuǎn)換器啟動脈沖Q3R1DC1SQ2R1DC1SQ1R1DC1SQ0R1DC1SQ4R

C1SRQ51DC1SD/A轉(zhuǎn)換器QE

QD

QC

QB

QACP’

移位寄存器

SFEDCBA1–

+C&+5VCP+5VV’RVRD3D2D1D0ui01111000001000設(shè)ui=11.5V設(shè)VR=16V01000＝8Vuc=1數(shù)電部分第9章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!9.2.3逐次逼進(jìn)A/D轉(zhuǎn)換器啟動脈沖Q3R1DC1SQ2R1DC1SQ1R1DC1SQ0R1DC1SQ4R

C1SRQ51DC1SD/A轉(zhuǎn)換器QE

QD

QC

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QACP’

移位寄存器

SFEDCBA1–

+C&+5VCP+5VV’RVRD3D2D1D0ui設(shè)ui=11.5V110111設(shè)VR=16Vuc=01100＝10Vuc=12110111010數(shù)電部分第9章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!9.2.3逐次逼進(jìn)A/D轉(zhuǎn)換器啟動脈沖Q3R1DC1SQ2R1DC1SQ1R1DC1SQ0R1DC1SQ4R

C1SRQ51DC1SD/A轉(zhuǎn)換器QE

QD

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QACP’

移位寄存器

SFEDCBA1–

+C&+5VCP+5VV’RVRD3D2D1D0ui設(shè)ui=11.5V1設(shè)VR=16V＝11Vuc=12311101101141111011011＝11V000CP’=0,移位脈沖CP不能進(jìn)入移位寄存器，轉(zhuǎn)換結(jié)束。D3D2D1D0=1011是最后轉(zhuǎn)換結(jié)果。數(shù)電部分第9章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!9.2.4雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器(1)積分器A的輸入接電子開關(guān)S1,S1受觸發(fā)器輸出端Qn控制，Qn=0時(shí)，S1與ui接，A對ui積分，Qn=1時(shí)，S1與(VR)接，積分器對(VR)積分。所以稱為雙積分。Qn-1R1KC11JQnR1KC11JQ1R1KC11JQ0R1KC11J–A+–C+&S1S2RCF–VRuiDn-1D1D0uouCCP+5V啟動脈沖G(2)過零比較器C的輸入端接積分器輸出uo,uo<0時(shí),uc=1,與非門G開啟，計(jì)數(shù)器對CP脈沖計(jì)數(shù)。顯然，計(jì)數(shù)器所計(jì)數(shù)值和與非門開啟時(shí)間T成正比。(3)計(jì)數(shù)器和定時(shí)器：它由n+1個(gè)觸發(fā)器構(gòu)成二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。G開啟時(shí)，它對CP計(jì)數(shù)，將與ui成正比的時(shí)間間隔T變成數(shù)字信號輸出。數(shù)電部分第9章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!啟動脈沖0000S1ui<0uc=1Qn-1R1KC11JQnR1KC11JQ1R1KC11JQ0R1KC11J–A+–C+&S1S2RCF–VRuiDn-1D1D0uouCCP+5VGFGFG=CP計(jì)數(shù)開始直至Qn=1開始積分階段積分時(shí)間：T1=2nTCP

1第一階段積分電壓數(shù)電部分第9章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!啟動脈沖0000Qn-1R1KC11JQnR1KC11JQ1R1KC11JQ0R1KC11J–A+–C+&S1S2RCF–VRuiDn-1D1D0uouCCP+5VGFG1第二階段計(jì)數(shù)時(shí)間T2,所計(jì)時(shí)鐘個(gè)數(shù)為N,則:T2=t－T1=NTCP代入uo式得：數(shù)電部分第9章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!9.1D/A轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器的作用是將輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成與之成正比的模擬量D/A轉(zhuǎn)換器組成基準(zhǔn)電壓數(shù)碼輸入電子模擬開關(guān)解碼電路求和電路D/A轉(zhuǎn)換器分類按輸入方式分并行輸入串行輸入按電路結(jié)構(gòu)分權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)T型電阻網(wǎng)絡(luò)倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)數(shù)電部分第9章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!9.1D/A轉(zhuǎn)換器9.1.1權(quán)電阻型D/A轉(zhuǎn)換器+VRS1S3S2S0R0D3D2D1D00110Vo++-ARF0011+–R1R2R3I0I1I2I3IIFR，電子模擬開關(guān)電子模擬開關(guān)受數(shù)字量控制，Dn若為1，開關(guān)接基準(zhǔn)電平(“1”)，Dn若為0，接地(“0”)。數(shù)電部分第9章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁!+VRS1S3S2S0R0D3D2D1D00110Vo++-ARF0011+–R1R2R3I0I1I2I3IIFR，9.1.1權(quán)電阻型D/A轉(zhuǎn)換器數(shù)電部分第9章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁!9.1.2倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DA轉(zhuǎn)換器Vo++-ARFD3D2D1D0I01S2S3S1S0I3I1I0I22R+VR2R2R2R2RRRRII02IiIF倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)求和運(yùn)算電路電子模擬開關(guān)為了克服權(quán)電阻電路難以保證精度問題，常采用倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器。數(shù)電部分第9章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁!9.1.2倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DA轉(zhuǎn)換器Vo++-ARFD3D2D1D0I01S2S3S1S02R+VR2R2R2R2RRRRII02IiIFI/2I/2I/4I/4I/8I/8I/16I/16設(shè)輸入的二進(jìn)制數(shù)為1010，如圖：數(shù)電部分第9章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁!9.1.2倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DA轉(zhuǎn)換器將倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)大到N位數(shù)電部分第9章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁!9.1.4集成DA轉(zhuǎn)換器集成D/A轉(zhuǎn)換器AD7520的管腳及內(nèi)部電路如圖所示，它是10位倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器。在下式中N=10，RF=R=10K數(shù)電部分第9章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第28頁!若把倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)作為運(yùn)放的反饋電阻，如圖所示9.1.4集成DA轉(zhuǎn)換器由虛地的概念得：反相比例放大電路數(shù)電部分第9章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第29頁!輸入的模擬量通常要先經(jīng)過采樣－保持電路，再送入A/D轉(zhuǎn)換器。9.2.1采樣－保持電路所謂采樣－保持電路就是在控制信號的作用下，對輸入信號進(jìn)行間歇性采樣，并在兩次采樣之間的時(shí)間內(nèi)保持前一次采樣瞬時(shí)值的電路。開關(guān)驅(qū)動電路采樣－保持控制信號CPsuiuoS采樣采樣采樣保持保持保持采樣采樣保持保持uouitt為減小采樣信號的失真，采樣開關(guān)S的控制信號CPs的頻率fs必須滿足fs≥2fimax。(fimax為輸入電壓頻譜中的最高頻率)數(shù)電部分第9章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第30頁!9.2.2并行A/D轉(zhuǎn)換器2.比較器比較器C1～C7反相輸入端分別接7個(gè)參考電壓，同相輸入端接輸入信號ui。若輸入信號大于參考電壓，比較器輸出高電平“1”，分之輸出低電平“0”。數(shù)電部分第9章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第31頁!9.2.2并行A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)電部分第9章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第32頁!9.2.3逐次逼進(jìn)A/D轉(zhuǎn)換器Q3R1DC1SQ2R1DC1SQ1R1DC1SQ0R1DC1SQ4R

C1SRQ51DC1SD/A轉(zhuǎn)換器QE

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QB

QACP’

移位寄存器

SFEDCBA1–

+C&+5VCP+5VV’RVRD3D2D1D0啟動脈沖ui11110D/A轉(zhuǎn)換器的作用是根據(jù)不同的輸入代碼D3D2D1D0,產(chǎn)生不同的參考電壓值V’R,并送到比較器與ui比較。參考電壓與輸入數(shù)碼之間的關(guān)系如下表所示。(8/16)VR(9/16)VR(10/16)VR(11/16)VR(12/16)VR(13/16)VR(14/16)VR(15/16)VR100010011010101111001101111011110(1/16)VR(2/16)VR(3/16)VR(4/16)VR(5/16)VR(6/16)VR(7/16)VR00000001001000110100010101100111V’RD3D2D1D0V’R

D3D2D1D0

數(shù)電部分第9章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第33頁!9.2.3逐次逼進(jìn)A/D轉(zhuǎn)換器Q3R1DC1SQ2R1DC1SQ1R1DC1SQ0R1DC1SQ4R

C1SRQ51DC1SD/A轉(zhuǎn)換器QE

QD

QC

QB

QACP’

移位寄存器

SFEDCBA1–

+C&+5VCP+5VV’RVRD3D2D1D0啟動脈沖ui數(shù)據(jù)寄存器的作用是輸出相應(yīng)的數(shù)碼給D/A轉(zhuǎn)換器，使之產(chǎn)生參考電壓與輸入模擬量比較；保存比較結(jié)果并決定下一次參考電壓，再次進(jìn)行比較，逐次提高精度，直至比較結(jié)束。數(shù)電部分第9章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第34頁!9.2.3逐次逼進(jìn)A/D轉(zhuǎn)換器啟動脈沖Q3R1DC1SQ2R1DC1SQ1R1DC1SQ0R1DC1SQ4R

C1SRQ51DC1SD/A轉(zhuǎn)換器QE

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移位寄存器

SFEDCBA1–

+C&+5VCP+5VV’RVRD3D2D1D0ui01111設(shè)ui=11.5V110111設(shè)VR=16Vuc=11100＝12Vuc=0數(shù)電部分第9章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換共40頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第35頁!9.2.3逐次逼進(jìn)A/D轉(zhuǎn)換器啟動脈沖Q3R1DC1SQ2R1DC1SQ1R1DC1SQ0R1DC1SQ4R

C1SRQ51DC1SD/A轉(zhuǎn)換器QE

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移位寄存器

SFEDCBA1–