第5單元數模、模數轉換技術

第5單元D/A與A/D轉換技術5.1D/A轉換技術5.2A/D轉換技術5.3采樣保持電路概述一、數/模和模/數器是模擬、數字系統(tǒng)間的橋梁模

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數（A

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D）轉換:AnalogtoDigitalConverter（ADC）數

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模（D

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A）轉換:DigitaltoAnalogConverter（DAC）數字計算機模擬系統(tǒng)A/DD/A二進制二進制線性線性存儲分析控制物理生物化學加熱爐溫度檢測信號處理采樣-保持功率控制D/A轉換計算機控制A/D轉換

測溫電路是把溫度的變化轉化為微弱的電壓信號。該電壓信號經放大、濾波，送入模數轉換電路，經A/D轉換器把電壓信號轉換為與溫度變化相應的數字編碼信號。然后，微處理機系統(tǒng)根據水溫控制模型進行計算，得到相應的控制輸出數字信號。該數字信號可控制電力電子電路的電流大小，從而調整水溫高低。二、常見數模、模數轉換器應用系統(tǒng)舉例壓力傳感器溫度傳感器流量傳感器四路模擬開關數字控制計算機DAC……模擬控制器模擬控制器液位傳感器DAC…DAC…模擬控制器模擬控制器生產控制對象

DACADC物理量二進制信號模擬信號三、A

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D、D

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A轉換器的精度和速度精度保證轉換的準確性速度保證適時控制5.1.1D/A轉換器的基本原理

對于有權碼，先將每位代碼按其權的大小轉換成相應的模擬量，然后相加，即可得到與數字量成正比的總模擬量，從而實現數字/模擬轉換。5.1D/A轉換器（DAC）DuO/V7654321001010011100101110111輸出電壓：5.1.2DAC的主要技術指標指D/A轉換器模擬輸出產生的最小電壓變化量與滿刻度輸出電壓之比，也可用輸入的位數表示。ULSBUFSR=12n–1分辨率=一、分辨率（Resolution）ULSB：最小輸出電壓ULSB：最大輸出電壓≈12n比例誤差漂移誤差非線形誤差5.1.2D/A的主要技術指標二、轉換精度D/A轉換輸出的最大凈態(tài)誤差稱為轉換精度。三、轉換速度（2）轉換速率（SR）——在大信號工作狀態(tài)下模擬電壓的變化率。（1）建立時間（tset）——當輸入的數字量發(fā)生變化時，輸出電壓變化到相應穩(wěn)定電壓值所需時間。最短可達0.1μS。——輸出電壓（電流）的轉換時間是指從輸入數字量開始，到輸出電壓（電流）達到穩(wěn)定值所需要的時間。常用的集成D/A轉換電路通常是把梯形電阻網絡與模擬開關集成在一塊芯片上，而運算放大器多數是外接的，以適應不同的輸出方式的需要。5.1.3D/A轉換的輸出方式芯片與運放的連接方式有單極性輸出與雙極性輸出兩種方式。1、單極性輸出方式——既要求在輸入的數字量從全0到全1時，對應的輸出絕對值為從0V到參考電壓UREF。反相輸出同相輸出2、雙極性輸出方式輸出帶有正負極性的模擬量運放N1的輸出U01是單極性輸出，其輸出電壓的變動范圍為0～-UREF，；運放N2把U01放大-2倍，再通過加法電路使得U01的輸出電平下移UREF5.1.4常用D/A轉換集成電路舉例零點及滿度調節(jié)AD750是CMOS10位D/A轉換集成電路調零：將所有的數字量輸入端接地，調節(jié)運放的調零電位器RP3，使得輸出電壓為0。調滿度：將所有的數字量輸入端接高電平，如要增大滿度值，可在RF端串聯(lián)RP2，如要減小滿度值，可在參考電壓輸入端串聯(lián)RP1，調節(jié)RP1和RP2，可以調節(jié)滿度值。D/A轉換電路在使用時必須進行零點及滿度調節(jié)。雙極性轉換電路輸出U02為單極性輸出電壓-I01RF的2倍再把電平上移UREF，達到了雙極性輸出的效果在輸入全0時，輸出為+UREF在輸入全1時，輸出為-UREF5.2A/D轉換器（ADC）A/D轉換的一般步驟和取樣定理一、模擬量到數字量的轉換過程uI(t)CADC的量化編碼電路dn-1d1d0…uI(t)S模擬量數字量量化編碼取樣：把時間連續(xù)變化的信號變換為時間離散的信號。保持：保持取樣信號,使有充分時間將其變?yōu)閿底中盘枴Ｈ颖３郑⊿

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H—Sample

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Hold）二、取樣定理當滿足fs

≥

2fimax時,取樣信號可恢復原信號。fs

—取樣頻率。fimax

—

信號的最高頻率分量。

tOuIfOfs–fimax

fimaxuI

tO三、量化和編碼量化單位數字信號最低位LSB所對應的模擬信號大小，用表示（即1）。量化把取樣后的保持信號化為量化單位的整數倍。量化誤差因模擬電壓不一定能被整除而引起的誤差。編碼把量化的數值用二進制代碼表示。劃分量化電平的兩種方法01V1/82/83/84/85/86/87/8000001010011100101110111模擬電平二進制代碼代表的模擬電平0=01=1/82=2/83=3/84=4/85=5/86=6/87=7/

81V1/153/155/157/159/1511/1513/150000010100111001011101110模擬電平二進制代碼代表的模擬電平0=01=2/152=4/153=6/154=8/155=10/156=12/157=14/15最大量化誤差=

=

(1

/

8)V=

/

2=(1/15)V●量化誤差&&&&&&5.2.1并聯(lián)比較型A/D轉換器R/2RRRRRRR/2UREFuI比較器1D1D1D1D1D1D1DCP寄存器d2d1d0編碼器0000000110010010000uI0000001110010011001uI0000011110010101010uI00001111100111010110001111110101101100uI0011111111100101101uI0111111101100101110uI1111111001100101111uI

并行比較型A/D轉換器真值表輸入模擬電壓寄存器狀態(tài)數字量輸出D2D1D0Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1（0～1/15）VREF（1/15～3/15）VREF（3/15～5/15）VREF（5/15～7/15）VREF（7/15～9/15）VREF（9/15～11/15）VREF（11/15～13/15）VREF（13/15～1）VREF00000000000001000001100001110001111001111101111111111111000001010011100101110111U1（V）比較器輸出C2、C1、C0譯碼器輸出D1、D00<Ui<0.5000000.5<Ui<1.5001011.5<Ui<2.5011102.5<Ui<311111并行A/D轉換器的輸入、輸出對照5.2.2雙積分型A/D轉換器轉換思路：模擬輸入uItt控制計數CP個數輸出二進制數一、電路組成CO＝

100…000…101…001…110…010…111…1100…000…1001…101每進行完一次2n進制計數，定時器置1，S1合向基準電壓電容C

放電S2CS1uI邏輯控制門C定時器n位二進制計數器&dn–1d0uｏＴCPCP基準電壓<0二、工作原理uI積分器輸入ＵIuｏ(t)積分器輸出固定時間t1t2N1ＴCPN2ＴCPt1=N1TCP=2nTCPt2=N2TCP=DTCP=UI/單位電壓ＵREF5.2.3逐次比較型A/D轉換器轉換原理：G≈d3g3+d2g2+d1g1+d0g0di1有效0無效有效砝碼的總重量逐次逼近重物的重量：一、基本工作原理電路D/AuI逐次漸近寄存器比較器參考電源時鐘信號MSBLSBMSBLSB并行數字輸出轉換控制信號10003.2V8V101117V01106V01015V01004V00113V000115.2.3逐次漸近型A/D轉換器讀出控制控制邏輯電路逐次漸近寄存器比較器二、轉換過程舉例3位D/AQ1S1Rd0+CPd1d2≥1Q1S1RFFBFFC≥1d0d1d2uIuOuCC5位環(huán)行移位寄存器Q1Q2

Q3Q4Q5QFFA1S1R/2輸出偏移完成一次轉換的時間=（n+2)TcpQ

n+111100100功能RSQ

n10不用保持置1置0不許CP12345Q1

Q2Q3

Q4

Q5QA

QB

QCuI/VuO/VuO/VuCd2d1

d000001

0005.90–0.5000010

00010043.500000100011065.50000001

0011176.510000001011065.5000000001

11065.501105.2.4A/D轉換的主要技術指標分辨率——一般以輸出的數字量位數來表示。1.用二進制或十進制位數表示(設計參數)LSB變化一個數碼時，對應輸入模擬量的變化量

(測量參數)如最大輸出電壓為5

V的8位A/D的分辨率為：轉換誤差：表示實際輸出與理想輸出數字量的差別以相對誤差的形式（LSB的倍數）給出。如：相對誤差不大于（1/2）LSB轉換時間——指完成一次A/D轉換所需要的時間。并聯(lián)比較型>逐次比較型>雙積分型幾種A/D轉換器的性能比較優(yōu)點缺點并聯(lián)比較型轉換速度高（幾十ns)轉換精度差逐次比較型分辨率高、誤差低轉換速度較快(幾十us)雙積分型性能穩(wěn)定轉換精度高抗干擾能力強轉換速度低(幾十ms）5.2.5常用A/D轉換集成電路舉例ADC0809電路圖5.3采樣保持電路利用電容器來存儲模擬量采樣階段保持階段為了減小測量電路對被測電路的影響，要求電路的輸入電阻為極大，又為了采樣迅速，要求N1的輸出電阻為極小。同時，為了電容器電壓在保持階段不下降，要求運放N2的輸入電阻為極大，電容器本身的漏電為極小。采樣保持集成電路舉例IF398采樣保持電路L=1，采樣L=0，保持S合上，兩級運放為深度負反饋的電壓跟隨器外接，一般取0.01μF第5單元

小結一、D/A轉換器1.功能：將輸入的二進制數轉換成與之成正比的模擬電量。2.種類：權電阻網絡、R-2RT形電阻網絡和