模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器

第11章A/D和D/A

11.1概述

11.3A/D轉(zhuǎn)換器

11.2D/A轉(zhuǎn)換器返回1下頁(yè)總目錄11.1數(shù)-模轉(zhuǎn)換

概述權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器

D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度2下頁(yè)返回上頁(yè)為了能夠使用數(shù)字電路處理模擬信號(hào)，必須把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，才能送入數(shù)字系統(tǒng)（計(jì)算機(jī)）進(jìn)行處理。還經(jīng)常需要把處理后的數(shù)字信號(hào)再轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，作為最后的輸出。11.1、概述3下頁(yè)返回上頁(yè)從模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換稱為模–數(shù)轉(zhuǎn)換，簡(jiǎn)稱A/D轉(zhuǎn)換。從數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換稱為數(shù)–模轉(zhuǎn)換，簡(jiǎn)稱D/A轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度是衡量A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器性能優(yōu)劣的主要指標(biāo)。4下頁(yè)返回上頁(yè)各支路電流為二、權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器REFV5下頁(yè)返回上頁(yè)取RF=R/2，得對(duì)n位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器取RF=R/2，得6下頁(yè)返回上頁(yè)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，所用的電阻元件很少。缺點(diǎn)：各個(gè)電阻的阻值相差較大。權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器7下頁(yè)上頁(yè)返回di=0時(shí)開(kāi)關(guān)Si

接至放大器的V+

。di=1時(shí)開(kāi)關(guān)Si

接至放大器的V-。三.倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器8下頁(yè)上頁(yè)返回計(jì)算倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)支路電流的等效電路可計(jì)算出各支路中的電流:每個(gè)支路的電流依次為：9下頁(yè)上頁(yè)返回倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器10下頁(yè)上頁(yè)返回四.D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度在D/A轉(zhuǎn)換器中常用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來(lái)描述轉(zhuǎn)換精度。分辨率：用輸入二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)給出。用D/A轉(zhuǎn)換器能夠分辨出的最小電壓與最大電壓之比給出。11下頁(yè)上頁(yè)返回轉(zhuǎn)換誤差：實(shí)際D/A轉(zhuǎn)換特性和理想D/A轉(zhuǎn)換特性間的最大偏差。一般用最低有效位的倍數(shù)表示。也可用輸出電壓滿刻度FSR的百分?jǐn)?shù)。表示輸出電壓誤差絕對(duì)值的大小。如果VREF偏離標(biāo)準(zhǔn)值△

VREF，則4位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓誤差為：表示方法：12下頁(yè)上頁(yè)返回轉(zhuǎn)換速度：通常用建立時(shí)間tset來(lái)定量描述D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。tsetvoto穩(wěn)態(tài)值13下頁(yè)總目錄11.2模-數(shù)轉(zhuǎn)換

A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理取樣-保持電路并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器

V-F變換型A/D轉(zhuǎn)換器14下頁(yè)返回上頁(yè)1.取樣定理一、A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理對(duì)輸入模擬信號(hào)的取樣模擬信號(hào)取樣信號(hào)取樣信號(hào)必須有足夠高的頻率取樣頻率vI最高頻率15下頁(yè)返回上頁(yè)還原取樣信號(hào)所用濾波器的頻率特性滿足取樣定理?xiàng)l件下，可用低通濾波器將取樣信號(hào)還原為輸入模擬信號(hào)。16下頁(yè)返回上頁(yè)2.量化和編碼量化：進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，取樣電壓表示為數(shù)字信號(hào)所取的最小數(shù)量單位的整數(shù)倍,所取最小數(shù)量叫做量化單位，用Δ表示。數(shù)字信號(hào)最低有效位的1所代表的數(shù)量大小就等于Δ。編碼：把量化的結(jié)果用代碼表示出來(lái)，

這些代碼是A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。量化誤差：量化過(guò)程引入的誤差。當(dāng)輸入的模擬電壓在正、負(fù)范圍內(nèi)變化時(shí)，一般要求采用二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式編碼。17下頁(yè)返回上頁(yè)二、取樣-保持電路模擬開(kāi)關(guān)控制信號(hào)vL為高電平時(shí)T導(dǎo)通，取樣。vL返回低電平后T截止，保持。取樣—保持電路的基本形式以上電路很不完善，取樣速度受限制。動(dòng)畫(huà)18下頁(yè)返回上頁(yè)集成取樣-保持電路LF398vL為高電平時(shí)S閉合，電路處于取樣工作狀態(tài)。vL返回低電平后S斷開(kāi)，電路進(jìn)入保持狀態(tài)。典型接法LF39823876514238765電路結(jié)構(gòu)19下頁(yè)上頁(yè)返回三、并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器屬于直接A/D轉(zhuǎn)換器，它能將輸入的模擬電壓直接轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字量而不需要經(jīng)過(guò)中間變量。圖示電路輸入為0~VREF間的模擬電壓，輸出為3位二進(jìn)制數(shù)碼d2d1d0。20下頁(yè)上頁(yè)返回四、反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器1.計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換開(kāi)始前先用復(fù)位信號(hào)將計(jì)數(shù)器置零，而且轉(zhuǎn)換控制信號(hào)應(yīng)停留在vL=0的狀態(tài)。并行數(shù)字輸出計(jì)數(shù)器輸出寄存器21下頁(yè)上頁(yè)返回當(dāng)vL變?yōu)楦唠娖綍r(shí)開(kāi)始轉(zhuǎn)換，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，vO不斷增加。當(dāng)增至vO

=vI時(shí)，

vB=0將門封鎖，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，這時(shí)計(jì)數(shù)器中所存的數(shù)字就是所求的輸出數(shù)字信號(hào)。并行數(shù)字輸出計(jì)數(shù)器輸出寄存器這種方案的明顯缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換時(shí)間太長(zhǎng)。22下頁(yè)上頁(yè)返回2.逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器并行數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換開(kāi)始前先將寄存器清零，所以加給D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量也全是0。23下頁(yè)上頁(yè)返回并行數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換控制信號(hào)vL變?yōu)楦唠娖綍r(shí)開(kāi)始轉(zhuǎn)換，時(shí)鐘信號(hào)首先將寄存器的最高位置成1，使寄存器的輸出為100…00。這個(gè)數(shù)字量被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓vO，并送到比較器與輸入信號(hào)vI進(jìn)行比較。24下頁(yè)上頁(yè)返回如果vO

>

vI，說(shuō)明數(shù)字過(guò)大了，則這個(gè)1應(yīng)去掉；如果vO

<

vI，說(shuō)明數(shù)字還不夠大，這個(gè)1應(yīng)保留。然后，再按同樣的方法將次高位置1，并比較vO與vI的大小以確定這一位的1是否應(yīng)當(dāng)保留。這樣逐位比較下去，直到最低位比較完為止。這時(shí)寄存器里所存的數(shù)碼就是所求的輸出數(shù)字量。逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度比并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器低，但比計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度要高得多。而且在輸出位數(shù)較多時(shí)，逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器的電路規(guī)模要比并聯(lián)比較型小得多。因此逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器是目前集成A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品中用得最多的一種電路。25下頁(yè)上頁(yè)返回計(jì)數(shù)器寄存器五、V-F變換型A/D轉(zhuǎn)換器并行數(shù)字輸出單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器計(jì)數(shù)脈沖V-F變換器V-F變換型A/D轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)框圖26下頁(yè)上頁(yè)返回六、A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度單片集成的A/D轉(zhuǎn)換器采用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來(lái)描述。分辨率：以輸出二進(jìn)制或十進(jìn)制的位數(shù)表示，說(shuō)明A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的分辨能力。轉(zhuǎn)換誤差：通常以輸出誤差最大值的形式給出，表示實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上應(yīng)有的輸出數(shù)字量之間的差別。1.A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度27下頁(yè)上頁(yè)返回A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)