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下頁返回上頁為了能夠使用數(shù)字電路處理模擬信號，必須把模擬信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號，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)字信號再轉(zhuǎn)換成模擬信號，作為最后的輸出。11.1、概述3下頁返回上頁從模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換稱為模–數(shù)轉(zhuǎn)換，簡稱A/D轉(zhuǎn)換。從數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)換稱為數(shù)–模轉(zhuǎn)換，簡稱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下頁返回上頁各支路電流為二、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下頁返回上頁取RF=R/2，得對n位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器取RF=R/2，得6下頁返回上頁優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)比較簡單，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下頁上頁返回di=0時(shí)開關(guān)Si

接至放大器的V+

。di=1時(shí)開關(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下頁上頁返回計(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下頁上頁返回倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器10下頁上頁返回四.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下頁上頁返回轉(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下頁上頁返回轉(zhuǎn)換速度：通常用建立時(shí)間tset來定量描述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下頁返回上頁1.取樣定理一、A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理對輸入模擬信號的取樣模擬信號取樣信號取樣信號必須有足夠高的頻率取樣頻率vI最高頻率15下頁返回上頁還原取樣信號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還原為輸入模擬信號。16下頁返回上頁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，

這些代碼是A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。量化誤差：量化過程引入的誤差。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下頁返回上頁二、取樣-保持電路模擬開關(guān)控制信號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18下頁返回上頁集成取樣-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，電路進(jìn)入保持狀態(tài)。典型接法LF39823876514238765電路結(jié)構(gòu)19下頁上頁返回三、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下頁上頁返回四、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)換開始前先用復(fù)位信號將計(jì)數(shù)器置零，而且轉(zhuǎn)換控制信號應(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下頁上頁返回當(dāng)vL變?yōu)楦唠娖綍r(shí)開始轉(zhuǎn)換，計(jì)數(shù)器開始計(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。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。22下頁上頁返回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下頁上頁返回并行數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換控制信號vL變?yōu)楦唠娖綍r(shí)開始轉(zhuǎn)換，時(shí)鐘信號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vI進(jìn)行比較。24下頁上頁返回如果vO

>

vI，說明數(shù)字過大了，則這個(gè)1應(yīng)去掉；如果vO

<

vI，說明數(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下頁上頁返回計(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下頁上頁返回六、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)換誤差來描述。分辨率：以輸出二進(jìn)制或十進(jìn)制的位數(shù)表示，說明A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號的分辨能力。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下頁上頁返回A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)