數(shù)字電子技術08

8.1D/A轉換器8.2A/D轉換器8模數(shù)與數(shù)模轉換器如何實現(xiàn)數(shù)/模轉換？數(shù)/模轉換器的典型電路結構有哪幾種類型？各有什么使用特點？如何實現(xiàn)數(shù)/模轉換器的雙極性輸出？直接型模/數(shù)轉換器的轉換過程包括哪些環(huán)節(jié)？模/數(shù)轉換器的典型電路結構有哪些？各有什么優(yōu)缺點？數(shù)/模轉換器和模/數(shù)轉換器的主要技術指標有哪些？本章要點A/D

轉換器

D/A

轉換器

模擬

控制器

工業(yè)生產過程控制對象

模

擬

傳感器

典型的計算機測控系統(tǒng)結構框圖將溫度、壓力、流量、應力等物理量轉換為模擬電量。計算機進行數(shù)字處理（如計算、濾波）、保存等用模擬量作為控制信號數(shù)字

計算機8.1D/A轉換器8.1.1D/A轉換的基本原理8.1.2倒T形電阻網絡D/A轉換器8.1.4D/A轉換器的輸出方式8.1.3權電流D/A轉換器8.1.5D/A轉換器的主要技術指標8.1.6集成D/A轉換器及其應用將數(shù)字量轉換為與之成正比模擬量。n位數(shù)字量DAC8.1D/A轉換器模擬量1、數(shù)

/

模轉換器:A

=KDO=–KNB

數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合而成的，對于有權碼，每位代碼都有一定的權值，如能將每一位代碼按其權的大小轉換成相應的模擬量，然后，將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字量成正比的模擬量，從而實現(xiàn)數(shù)字量--模擬量的轉換。①實現(xiàn)D/A轉換的基本思想

ND＝b4×24＋b3×23＋b2×22＋b1×21＋b0×20

＝1×24＋1×23＋0×22＋0×21＋1×20將二進制數(shù)ND＝(11001)B轉換為十進制數(shù)。8.1.1D/A轉換的基本原理②

D/A轉換器的組成:n位D/A轉換器的組成框圖④D/A轉換器的分類:按解碼網絡結構分類T型電阻網絡DAC倒T形電阻網絡DAC權電流DAC

權電阻網絡DAC按模擬電子開關電路分類CMOS開關型DAC雙極型開關型DAC電流開關型DACECL電流開關型DACD/A轉

換

器③權電阻網絡實現(xiàn)D/A轉換的原理電路

8.1.2倒T形電阻網絡D/A轉換器電阻網絡模擬電子開關求和運算放大器輸出模擬電壓輸入4位二進制數(shù)根據運放線性運用時虛地的概念可知，無論模擬開關Si處于何種位置，與Si相連的2R電阻將接“地”或虛地?；鶞孰妷?/p>

電阻網絡模擬電子開關求和運算放大器D/A轉換器的倒T形電阻網絡基準電源VREF提供的總電流為：I=？流過各開關支路的電流：I3=？I2=？I1=？I0=？I/4I/8I/16RRRRI/2I/4I/8I/16I/2I3I2I1I0流入每個2R電阻的電流從高位到低位按2的整數(shù)倍遞減。I3=VREF/2RI2=VREF/4RI1=VREF/8RI0=VREF/16R流入運放的總電流：i＝I0+I1+I2+I3輸出模擬電壓：

8.1.3權電流型

D/A轉換器在恒流源電路中，各支路權電流的大小均不受開關導通電阻和壓降的影響，這樣降低了對開關電路的要求，提高了轉換精度。8.1.3權電流型

D/A轉換器8.1.4D/A轉換器的輸出方式8位D/A轉換器在單極性輸出時的輸入/輸出關系0000000010000000……111111100000000110000001……11111111模擬量

數(shù)字量MSBLSB常用雙極性編碼模擬量2的補碼偏移二進制碼D7D6D5D4D3D2D1D0D7D6D5D4D3D2D1D0127011111111111111112601111110111111101000000011000000100000000010000000-11111111101111111-1271000000100000001-1281000000000000000

8.1.5D/A轉換器的主要技術指標分辨率：其定義為D/A轉換器模擬輸出電壓可能被分離的等級數(shù)。n位DAC最多有2n個模擬輸出電壓。位數(shù)越多D/A轉換器的分辨率越高。

分辨率也可以用能分辨的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比給出。n位D/A轉換器的分辨率可表示為1、分辨率2、轉換精度：轉換精度是指對給定的數(shù)字量，D/A轉換器實際值與理論值之間的最大偏差。產生原因：由于D/A轉換器中各元件參數(shù)值存在誤差，如基準電壓不夠穩(wěn)定或運算放大器的零漂等各種因素的影響。幾種轉換誤差：有如比例系數(shù)誤差、失調誤差和非線性誤差等3.轉換速度當D/A轉換器輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時，輸出的模擬量并不能立即達到所對應的量值，要延遲一段時間。通常用建立時間和轉換速率來定量描述D/A轉換器的轉換速度。(1)建立時間。建立時間指輸入數(shù)字量發(fā)生變化時輸出電壓達到規(guī)定誤差范圍(一般為)所需要的時間。8.1.6集成D/A轉換器及其應用)DAC0808的電路結構框圖8.2.8集成A/D轉換器及其應用8.2A/D轉換器8.2.1A/D轉換的一般工作過程8.2.2

并行比較型A/D轉換器8.2.3逐次比較型A/D轉換器8.2.4雙積分式A/D轉換器

8.2.5V-F變換型A/D轉換器

8.2.7A/D轉換器的主要技術指標

8.2.6

型A/D轉換器取樣時間上離散的信號保持、量化量值上也離散的信號編碼模擬信號時間上和量值上都連續(xù)數(shù)字信號時間上和量值上都離散8.2.1A/D轉換的一般工作過程

A/D轉換器一般要包括取樣，保持，量化及編碼4個過程。1.采樣和保持

采樣定理：

為了能從采樣輸出信號真實地復現(xiàn)模擬信號，采樣信號必須有足夠高的頻率，即必須滿足條件采樣—保持電路的原理圖及波形圖2.量化與編碼數(shù)字信號在數(shù)值上是離散的。采樣–保持電路的輸出電壓還需按某種近似方式歸化到與之相應的離散電平上，任何數(shù)字量只能是某個最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。量化后的數(shù)值最后還需通過編碼過程用一個代碼表示出來。經編碼后得到的代碼就是A/D轉換器輸出的數(shù)字量。量化3.編碼在量化過程中由于所采樣電壓不一定能被整除，所以量化前后一定存在誤差，此誤差我們稱之為量化誤差，用表示。量化誤差屬原理誤差，它是無法消除的。A/D轉換器的位數(shù)越多，各離散電平之間的差值越小，量化誤差越小。兩種近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。4.量化誤差：量化前的電壓與量化后的電壓差5.量化方式011111101011000110100010000Δ=0v7Δ=7/8v6Δ=6/8v5Δ=5/8v4Δ=4/8v3Δ=3/8v2Δ=2/8v1Δ=1/8v輸入信號編碼量化后電壓a)只舍不入量化方式:量化中把不足一個量化單位的部分舍棄；對于等于或大于一個量化單位部分按一個量化單位處理。最大量化誤差為：最小量化單位＝1/8VΔ=1LSB=1/8V例：將0~1V電壓轉換為3位二進制代碼b)四舍五入量化方式:量化過程將不足半個量化單位部分舍棄，對于等于或大于半個量化單位部分按一個量化單位處理。最大量化誤差為：最小量化單位：011111101011000110100010000Δ=0v7Δ=14/15v6Δ=12/15v5Δ=10/15v4Δ=8/15v3Δ=6/15v2Δ=4/15v1Δ=2/15v輸入信號編碼模擬電平Δ=1LSB=

2/15V＝1/15V例：將0~1V電壓轉換為3位二進制代碼8.2.2并行比較型A/D轉換器電壓比較器輸入模擬電壓精密電阻網絡精密參考電壓輸出數(shù)字量所加砝碼重量結果

8.2.3逐次比較型A/D轉換器逐次逼近轉換過程與用天平稱物重非常相似。第一次8克砝碼總重<待測重量Wx，8克砝碼保留8克第二次再加4克砝碼總重仍<待測重量Wx，4克砝碼保留12克第三次再加2克砝碼總重>待測重量Wx，2克砝碼撤除12克第四次再加1克砝碼總重＝待測重量Wx，1克砝碼保留13克所用砝碼重量：8克、4克、2克和1克。設待秤重量Wx=13克。8.2.4雙積分式A/D轉換器

對輸入模擬電壓和參考電壓分別進行兩次積分，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時間間隔，然后利用時鐘脈沖和計數(shù)器測出此時間間隔，進而得到相應的數(shù)字量輸出。雙積分式A/D轉換器也稱為電壓－時間－數(shù)字式積分器。第一次積分階段：

第二次積分階段

8.2.5V-F變換型A/D轉換器電壓-頻率變換型A/D轉換器(簡稱V-F變換型A/D轉換器)也是一種間接型A/D轉換器。其轉換原理是：首先將輸入的模擬電壓信號轉換成與之成比例的頻率信號，然后在一個固定的時間間隔里對得到的頻率信號進行計數(shù)，計數(shù)的結果就是正比于輸入模擬電壓的數(shù)字量。單片集成的V-F變換器一般采用電荷平衡式電路結構，又分為積分器型和定時器型兩種常見的形式。8.2.5V-F變換型A/D轉換器8.2.6型A/D轉換器D觸發(fā)器輸出Q為低電平，使參考電壓uR接地，設輸入信號uI=2V，差動放大器輸出為-2V，積分器輸出電壓不斷上升，使比較器輸出為高電平，則在下一個時鐘脈沖上升沿觸發(fā)器輸出狀態(tài)為高電平，使參考電壓2.56V接入差動放大器的同相端。8.2.6型A/D轉換器由于積分器電容兩端的電荷處于平衡狀態(tài)，充電電荷與放電電荷量相等

多次充放電，采用多次累加的方法，用多次放電周期之和與多次充放電周期之和的比值確定輸入電壓

1.轉換精度8.2.7A/D轉換器的主要技術指標單片集成A/D轉換器的轉換精度是用分辨率和轉換誤差來描述的。分辨率:說明A/D轉換器對輸入信號的分辨能力。通常以輸出二進制(或十進制)數(shù)的位數(shù)表示。轉換誤差：表示A/D轉換器實際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別。