第12章模擬量與數(shù)字量的轉(zhuǎn)換

第12章模擬量與數(shù)字量的轉(zhuǎn)換學(xué)習(xí)要點(diǎn)理解數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換的基本原理了解常用數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換集成芯片的使用方法12.1數(shù)模轉(zhuǎn)換器12.2模數(shù)轉(zhuǎn)換器第12章模擬量與數(shù)字量的轉(zhuǎn)換12.1數(shù)模轉(zhuǎn)換器能將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的電路稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC；能將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，簡稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC。ADC和DAC是溝通模擬電路和數(shù)字電路的橋梁，也可稱之為兩者之間的接口。12.1.1D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理將輸入的每一位二進(jìn)制代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將代表各位的模擬量相加，所得的總模擬量就與數(shù)字量成正比，這樣便實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換?；驹磙D(zhuǎn)換特性D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性，是指其輸出模擬量和輸入數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。圖示是輸入為3位二進(jìn)制數(shù)時(shí)的D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性。理想的D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性，應(yīng)是輸出模擬量與輸入數(shù)字量成正比。即：輸出模擬電壓uo=Ku×D或輸出模擬電流io=Ki×D。其中Ku或Ki為電壓或電流轉(zhuǎn)換比例系數(shù)，D為輸入二進(jìn)制數(shù)所代表的十進(jìn)制數(shù)。如果輸入為n位二進(jìn)制數(shù)dn-1dn-2…d1d0，則輸出模擬電壓為：12.1.2T型電阻網(wǎng)絡(luò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器數(shù)碼di=1（i=0、1、2、3），即為高電平時(shí)，則由其控制的模擬電子開關(guān)Si自動(dòng)接通左邊觸點(diǎn)，即接到基準(zhǔn)電壓UR上；而當(dāng)di=0，即為低電平時(shí)，則由其控制的模擬電子開關(guān)Si自動(dòng)接通右邊觸點(diǎn)，即接到地。d3d2d1d0=0001時(shí)的電路：用戴維南定理從左至右逐級對各虛線處進(jìn)行等效。由圖可得輸出電壓為：由于d0=1、d3=d2=d1=0，所以上式又可寫為：同理，當(dāng)d3d2d1d0=0010時(shí)的輸出電壓為：當(dāng)d3d2d1d0=0100時(shí)的輸出電壓為：當(dāng)d3d2d1d0=1000時(shí)的輸出電壓為：應(yīng)用疊加原理將上面4個(gè)電壓分量疊加，即得T形電阻網(wǎng)絡(luò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為：當(dāng)取Rf=3R時(shí)，則上式成為：如果輸入的是n位二進(jìn)制數(shù)，則：①分別從虛線A、B、C、D處向左看的二端網(wǎng)絡(luò)等效電阻都是R。②不論模擬開關(guān)接到運(yùn)算放大器的反相輸入端（虛地）還是接到地，也就是不論輸入數(shù)字信號是1還是0，各支路的電流不變。從參考電壓UR處輸入的電流IR為：12.1.3倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器各支路電流IR為：12.1.4集成數(shù)模轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用（1）分辨率分辨率用輸入二進(jìn)制數(shù)的有效位數(shù)表示。在分辨率為n位的D/A轉(zhuǎn)換器中，輸出電壓能區(qū)分2n個(gè)不同的輸入二進(jìn)制代碼狀態(tài)，能給出2n個(gè)不同等級的輸出模擬電壓。分辨率也可以用D/A轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓的比值來表示。10位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為：（2）轉(zhuǎn)換精度D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是指輸出模擬電壓的實(shí)際值與理想值之差，即最大靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。（3）輸出建立時(shí)間從輸入數(shù)字信號起，到輸出電壓或電流到達(dá)穩(wěn)定值時(shí)所需要的時(shí)間，稱為輸出建立時(shí)間。12.1.5數(shù)模轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)12.2.1A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理模擬電子開關(guān)S在采樣脈沖CPS的控制下重復(fù)接通、斷開的過程。S接通時(shí)，ui(t)對C充電，為采樣過程；S斷開時(shí)，C上的電壓保持不變，為保持過程。在保持過程中，采樣的模擬電壓經(jīng)數(shù)字化編碼電路轉(zhuǎn)換成一組n位的二進(jìn)制數(shù)輸出。12.2模數(shù)轉(zhuǎn)換器t0時(shí)刻S閉合，CH被迅速充電，電路處于采樣階段。由于兩個(gè)放大器的增益都為1，因此這一階段uo跟隨ui變化，即uo＝ui。t1時(shí)刻采樣階段結(jié)束，S斷開，電路處于保持階段。若A2的輸入阻抗為無窮大，S為理想開關(guān)，則CH沒有放電回路，兩端保持充電時(shí)的最終電壓值不變，從而保證電路輸出端的電壓uo維持不變。12.2.2并聯(lián)比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換器0≤ui＜UR/14時(shí)，7個(gè)比較器輸出全為0，CP到來后，7個(gè)觸發(fā)器都置0。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進(jìn)制代碼為d2d1d0＝000。UR/14≤ui＜3UR/14時(shí)，7個(gè)比較器中只有C1輸出為1，CP到來后，只有觸發(fā)器FF1置1，其余觸發(fā)器仍為0。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進(jìn)制代碼為d2d1d0=001。3UR/14≤ui＜5UR/14時(shí)，比較器C1、C2輸出為1，CP到來后，觸發(fā)器FF1、FF2置1。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進(jìn)制代碼為d2d1d0＝010。5UR/14≤ui＜7UR/14時(shí)，比較器C1、C2、C3輸出為1，CP到來后，觸發(fā)器FF1、FF2、FF3置1。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進(jìn)制代碼為d2d1d0=011。依此類推，可以列出ui為不同等級時(shí)寄存器的狀態(tài)及相應(yīng)的輸出二進(jìn)制數(shù)。12.2.3逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(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4位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器工作原理為了分析方便，設(shè)D/A轉(zhuǎn)換器的參考電壓為UR=8V，輸入的模擬電壓為ui=4.52V。轉(zhuǎn)換開始前，先將逐次逼近寄存器的4個(gè)觸發(fā)器FA～FD清0，并把環(huán)形計(jì)數(shù)器的狀態(tài)置為Q1Q2Q3Q4Q5=00001。第1個(gè)時(shí)鐘脈沖C的上升沿到來時(shí)，環(huán)形計(jì)數(shù)器右移一位，其狀態(tài)變?yōu)?0000。由于Q1=1，Q2、Q3、Q4、Q5均為0，于是觸發(fā)器FA被置1，F(xiàn)B、FC和FD被置0。所以，這時(shí)加到D/A轉(zhuǎn)換器輸入端的代碼為d3d2d1d0=1000，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為：uo和ui在比較器中比較，由于uo<ui，所以比較器的輸出電壓為uA=0。第2個(gè)時(shí)鐘脈沖C的上升沿到來時(shí)，環(huán)形計(jì)數(shù)器又右移一位，其狀態(tài)變?yōu)?1000。這時(shí)由于uA=0，Q2=1，Q1、Q3、Q4、Q5均為0，于是觸發(fā)器FA的1保留。與此同時(shí)，Q2的高電平將觸發(fā)器FB置1。所以，這時(shí)加到D/A轉(zhuǎn)換器輸入端的代碼為d3d2d1d0=1100，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為：uo和ui在比較器中比較，由于uo>ui，所以比較器的輸出電壓為uA=1。第3個(gè)時(shí)鐘脈沖C的上升沿到來時(shí)，環(huán)形計(jì)數(shù)器又右移一位，其狀態(tài)變?yōu)?0100。這時(shí)由于uA=1，Q3=1，Q1、Q2、Q4、Q5均為0，于是觸發(fā)器FA的1保留，而FB被置0。與此同時(shí)，Q3的高電平將觸發(fā)器FC置1。所以，這時(shí)加到D/A轉(zhuǎn)換器輸入端的代碼為d3d2d1d0=1010，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為：uo和ui在比較器中比較，由于uo>ui，所以比較器的輸出電壓為uA=1。第4個(gè)時(shí)鐘脈沖C的上升沿到來時(shí)，環(huán)形計(jì)數(shù)器又右移一位，其狀態(tài)變?yōu)?0010。這時(shí)由于uA=1，Q4=1，Q1、Q2、Q3、Q5均為0，于是觸發(fā)器FA、FB的狀態(tài)保持不變，而觸發(fā)器FC被置0。與此同時(shí)，Q4的高電平將觸發(fā)器FD置1。所以，這時(shí)加到D/A轉(zhuǎn)換器輸入端的代碼為d3d2d1d0=1001，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為：uo和ui在比較器中比較，由于uo<ui，所以比較器的輸出電壓為uA=0。第5個(gè)時(shí)鐘脈沖C的上升沿到來時(shí)，環(huán)形計(jì)數(shù)器又右移一位，其狀態(tài)變?yōu)?0001。這時(shí)由于uA=0，Q5=1，Q1、Q2、Q3、Q4均為0，于是觸發(fā)器FA、FB、FC、FD的狀態(tài)均保持不變，即加到D/A轉(zhuǎn)換器輸入端的代碼為d3d2d1d0=1001。同時(shí)，Q5的高電平將門G8～G11打開，使作為轉(zhuǎn)換結(jié)果通過門G8～G11送出。這樣就完成了一次轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換過程如表所示?；驹恚簩斎肽M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。原理電路12.2.4雙積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換器12.2.5集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用（1）分辨率A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率用輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示，位數(shù)越多，誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高。例如，輸入模擬電壓的變化范圍為0～5V，輸出8位二進(jìn)