數(shù)字電路第七章

第7章數(shù)/模轉(zhuǎn)換和模/數(shù)轉(zhuǎn)換

模擬

傳感器

A/D

轉(zhuǎn)換器

數(shù)字控制

計(jì)算機(jī)

D/A

轉(zhuǎn)換器

模擬

控制器

D/A

轉(zhuǎn)換器

A/D

轉(zhuǎn)換器

D/A

轉(zhuǎn)換器

傳感器A/D

轉(zhuǎn)換器

D/A

轉(zhuǎn)換器

傳感器A/D

轉(zhuǎn)換器

D/A

轉(zhuǎn)換器

傳感器A/D

轉(zhuǎn)換器

D/A

轉(zhuǎn)換器

ADC和DAC已成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中不可缺少的接口電路。工業(yè)生產(chǎn)過程控制對象A/D

轉(zhuǎn)換器

D/A

轉(zhuǎn)換器

傳感器(溫度、壓力、流量、應(yīng)力等）計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字處理（如計(jì)算、濾波）、數(shù)據(jù)保存等用模擬量作為控制信號1、DAC的功能:將數(shù)字量成正比地轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的模擬量。（設(shè)D/A轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)字量為n位）n位數(shù)字量模擬量0~5V或0~10V等DAC4位8位10位12位16位等n=n位數(shù)字量模擬量0~5V或0~10V等DAC7.1D/A轉(zhuǎn)換器如何實(shí)現(xiàn)D/A？

數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合而成的,對于有權(quán)碼,每位代碼都有一定的權(quán)值，如能將每一位代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)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,這樣，就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字量--模擬量的轉(zhuǎn)換。2.

實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的基本思想3.

D/A轉(zhuǎn)換器的組成:

電阻網(wǎng)絡(luò)模擬電子開關(guān)求和運(yùn)算放大器4.

D/A轉(zhuǎn)換器的分類:按解碼網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分類T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC權(quán)電流DAC

權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DACCMOS開關(guān)型DAC雙極型開關(guān)型DAC電流開關(guān)型DACECL電流開關(guān)型DACD/A轉(zhuǎn)

換

器按模擬電子開關(guān)分類7.1.1權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器Di=0,Si接地Di=1,Si接基準(zhǔn)電壓，電流Ii流入求和電路

權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)模擬電子開關(guān)求和運(yùn)算放大器輸出模擬電壓輸入4位二進(jìn)制數(shù)根據(jù)運(yùn)放線性運(yùn)用時(shí)虛地的概念可知，無論模擬開關(guān)Si處于何種位置，與Si相連的電阻將接“地”或虛地。1、原理電路2.工作原理

根據(jù)運(yùn)算放大器線性應(yīng)用時(shí)“虛斷”和“虛短”的概念可知輸出電壓為

取RF=R/2，則

此電路結(jié)構(gòu)簡單，所用的電阻元件少。但是各個(gè)電阻的阻值相差較大，在輸入數(shù)字量位數(shù)越多時(shí)問題越嚴(yán)重，而且難以集成，所以這種電路使用受到很大限制。

取RF=R/2，則7.1.2倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器Di=0,Si則將電阻2R接地Di=1,Si接運(yùn)算放大器反相端，電流Ii流入求和電路

電阻網(wǎng)絡(luò)模擬電子開關(guān)求和運(yùn)算放大器輸出模擬電壓輸入4位二進(jìn)制數(shù)根據(jù)運(yùn)放線性運(yùn)用時(shí)虛地的概念可知，無論模擬開關(guān)Si處于何種位置，與Si相連的2R電阻將接“地”或虛地。1、原理電路II2I1I0I3i＝

I0+I1+I2+I32.工作原理：流入運(yùn)放的總電流：

2.工作原理：II2I1I0I3輸出模擬電壓：

2.工作原理：4位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC的輸出模擬電壓：推廣到n位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC,有：令：則O=–KNB

上式表明，在電路中輸入的每一個(gè)二進(jìn)制數(shù)NB，均能得到與之成正比的模擬電壓輸出。解：(1)當(dāng)輸入數(shù)字量D3D2D1D0=0010時(shí)例7.1在倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器中，設(shè)UREF=-5V，RF=R,試求：（1）當(dāng)輸入數(shù)字量D3D2D1D0=0010時(shí)，輸出的電壓值。（2）當(dāng)輸入數(shù)字量D3D2D1D0=0101時(shí)，輸出的電壓值。（3）當(dāng)輸入最大數(shù)字量時(shí)，輸出的電壓值。7.1.5D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)1.分辨率分辨率：其定義為D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級數(shù)。說明D/A在理論上能到達(dá)的精度。實(shí)際應(yīng)用中往往用輸入數(shù)字量的位數(shù)表示D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率。輸入數(shù)字量位數(shù)越多，分辨率越高。計(jì)算分辨率時(shí)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(zhuǎn)換器的分辨率可表示為輸入數(shù)字量的位數(shù)n越多，分辨率的值越小，分辨能力越高。轉(zhuǎn)換輸出量就越平滑、連續(xù)、模擬信號的還原度就越好。2轉(zhuǎn)換精度：輸出模擬量電壓的實(shí)際值與理想值之差。由轉(zhuǎn)換過程的各種誤差引起，其中主要是轉(zhuǎn)換誤差：產(chǎn)生原因：由于D/A轉(zhuǎn)換器中各元件參數(shù)值存在誤差，如基準(zhǔn)電壓不夠穩(wěn)定或運(yùn)算放大器的零漂等各種因素的影響。幾種轉(zhuǎn)換誤差：有如比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差和非線性誤差等3轉(zhuǎn)換速度：D/A轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字量發(fā)生變化的時(shí)候，輸出模擬量不可能立即達(dá)到所對應(yīng)的值，它需要延遲一段時(shí)間，通常用建立時(shí)間來表示：數(shù)字量的變化越大，建立時(shí)間越長，一般產(chǎn)品說明中給出的是輸入數(shù)字量各位由全0變換位全1，或者由全1變換位全0的建立時(shí)間。4溫度系數(shù)：在其他條件不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化產(chǎn)生的變化量。一般用滿度量輸出條件下，溫度每升高一度，輸出電壓變化的變分?jǐn)?shù)作為溫度系數(shù)。

A/D轉(zhuǎn)換器要將時(shí)間上連續(xù)，幅值也連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為時(shí)間上離散，幅值也離散的數(shù)字信號，它一般要包括取樣，保持，量化及編碼4個(gè)過程。7.2.0A/D轉(zhuǎn)換器概述ADCDn-1~D0輸出數(shù)字量輸入模擬電壓能將模擬電壓成正比地轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字量。1.A/D功能:7.2A/D轉(zhuǎn)換器7.2.1A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程

1.取樣與保持

取樣是將隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為在時(shí)間離散的模擬量。

取樣信號S(t)的頻率愈高，所采得信號經(jīng)低通濾波器后愈能真實(shí)地復(fù)現(xiàn)輸入信號。合理的取樣頻率由采樣定理確定。

取樣定理：設(shè)取樣信號S(t)的頻率為fs，輸入模擬信號I(t)的最高頻率分量的頻率為fimax，則fs≥2fimax 取樣之后的信號要轉(zhuǎn)換位數(shù)字信號，需要一定的時(shí)間，為了給后續(xù)量化編碼電路提供一個(gè)穩(wěn)定的電壓值，必須通過一個(gè)保持電路保持一段時(shí)間。2.量化與編碼為將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，在A/D轉(zhuǎn)換過程中，必須將取樣–保持電路的輸出電量，按某種近似方式歸化到與之相應(yīng)的離散電平上。這一轉(zhuǎn)化過程我們稱為數(shù)值量化，簡稱量化。任何一個(gè)數(shù)字量的大小只能是某個(gè)規(guī)定的最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。量化量化后的數(shù)值最后還需通過編碼過程用一個(gè)代碼表示出來。經(jīng)編碼后得到的代碼就是A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量。編碼2.A/D轉(zhuǎn)換器分類①并行比較型

特點(diǎn):轉(zhuǎn)換速度快,轉(zhuǎn)換時(shí)間10ns～1s,但電路復(fù)雜。②逐次比較型

特點(diǎn):轉(zhuǎn)換速度適中,轉(zhuǎn)換時(shí)間為幾s～100s,轉(zhuǎn)換精度高，在轉(zhuǎn)換速度和硬件復(fù)雜度之間達(dá)到一個(gè)很好的平衡。目前采用最多。③雙積分型

特點(diǎn):轉(zhuǎn)換速度慢,轉(zhuǎn)換時(shí)間幾百s～