第十五章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器

第十五章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器第一頁，共二十二頁，2022年，8月28日

T型電阻DAC15.1數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）

1．電路組成

S0~S3：4個(gè)電子模擬開關(guān)，分別受輸入的數(shù)字信號(hào)

D0~D3

控制。

當(dāng)Di=0時(shí)，開關(guān)Si切換到接地端；當(dāng)Di=1時(shí)，開關(guān)接向基準(zhǔn)電壓VREF。第二頁，共二十二頁，2022年，8月28日

2．工作原理

（1）特點(diǎn)

②

從任一模擬開關(guān)Si到接地端或虛地

端的等效電阻為3R。如圖（b）所示。

①從任一節(jié)點(diǎn)向左或向右到接地或虛地端的等效電阻相等，其大小為2R。15.1數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）第三頁，共二十二頁，2022年，8月28日

（2）基本原理

①

n位二進(jìn)制數(shù)每1位的權(quán)。一個(gè)n位二進(jìn)制數(shù)可表示為，D=dn-1dn-2…d1d0,其最高有效位MSB到最低位有效位LSB的權(quán)位依次為2n-1，2n-2，…，21，20。

②每1位按權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量。為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，必須將二進(jìn)制的每1位按權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量。

③將代表各位的模擬量再相加，這樣就可以得到與該數(shù)字量成正比的模擬量。15.1數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）第四頁，共二十二頁，2022年，8月28日

（3）計(jì)算

模擬開關(guān)Si是接向基準(zhǔn)電壓VREF，還是接向地端，受到輸D3D2D1D0入的二進(jìn)制數(shù)碼控制。

i

的一般表達(dá)式為：

15.1數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）第五頁，共二十二頁，2022年，8月28日

輸出電壓vo為

輸出模擬電壓vo與輸入數(shù)字量成正比，比例系數(shù)為-

VREF/2n。

對(duì)于n位T型網(wǎng)絡(luò)DAC，可推廣為15.1數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）第六頁，共二十二頁，2022年，8月28日

[例15-1]

有一個(gè)5位T型電阻DAC，VREF=10

V，Rf=3R，D4D3D2D1D0=11010，試求出輸出電壓vO=？

解?由上述公式可得15.1數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）第七頁，共二十二頁，2022年，8月28日15.1.2?倒T型電阻DAC

1．電路組成15.1數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）第八頁，共二十二頁，2022年，8月28日2．工作原理基準(zhǔn)電壓VREF流出的電流I為

輸出電壓為vO：

輸入數(shù)碼為任意值時(shí)，i

的一般表達(dá)式為：

15.1數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）第九頁，共二十二頁，2022年，8月28日?模數(shù)轉(zhuǎn)換的基本原理

采樣：就是對(duì)連續(xù)變化的模擬信號(hào)定時(shí)進(jìn)行測(cè)量，抽取樣值。通過采樣，一個(gè)在時(shí)間上連續(xù)變化的模擬信號(hào)就轉(zhuǎn)換為隨時(shí)間斷續(xù)變化的脈沖信號(hào)。1．采樣和保持15.2?模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）

第十頁，共二十二頁，2022年，8月28日（2）采樣過程

圖（a）為一個(gè)受控的模擬開關(guān)，構(gòu)成采樣器。vS到來時(shí)，V導(dǎo)通，vO=vI

采樣器在采樣脈沖的控制下,把輸入的模擬信號(hào)變換為脈沖信號(hào)，如圖（b）所示。

15.2模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）第十一頁，共二十二頁，2022年，8月28日15.2模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）（3）采樣—保持電路

為了便于量化和編碼，需要將每次采樣取得的樣值暫存，保持不變，直到下一個(gè)采樣脈沖的到來。這就要接一個(gè)保持電路。第十二頁，共二十二頁，2022年，8月28日2．量化和編碼15.2模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）第十三頁，共二十二頁，2022年，8月28日

量化誤差：采樣后得到的樣值不可能剛好是某個(gè)量化基準(zhǔn)值，總會(huì)有一定的誤差，這個(gè)誤差稱為量化誤差。

量化：就是把采樣電壓轉(zhuǎn)換為以某個(gè)最小單位電壓的整數(shù)倍的過程。分成的等級(jí)稱為量化級(jí)，稱為量化單位。編碼：就是用二進(jìn)制代碼來表示量化后的量化電平。15.2模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）第十四頁，共二十二頁，2022年，8月28日15.2.2?并行比較型ADC1．電路組成

由電阻分壓器、電壓比較器及編碼電路組成。

電阻分壓器：確定量化電壓。

編碼器：對(duì)比較器的輸出進(jìn)行編碼，然后輸出二進(jìn)制代碼

電壓比較器：用來確定采樣電壓的量化。15.2模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）第十五頁，共二十二頁，2022年，8月28日2．工作原理15.2模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）第十六頁，共二十二頁，2022年，8月28日

①提供參考電壓?由8個(gè)大小相等的電阻串聯(lián)構(gòu)成電阻分壓器，產(chǎn)生不同數(shù)值的參考電壓，形成共7種量化電平。

②進(jìn)行電壓比較，輸出數(shù)字量。?7個(gè)量化電平分別加在7個(gè)電壓比較器的反相輸入端，模擬輸入電壓vI加在比較器的同相輸入端。當(dāng)vI大于或等于量化電平時(shí)，比較器輸出為1，否則輸出為0，電壓比較器用來完成對(duì)采樣電壓的量化。

③編碼

比較器的輸出送到優(yōu)先編碼器進(jìn)行編碼，得到3位二進(jìn)制代碼D2D1D0。15.2模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）第十七頁，共二十二頁，2022年，8月28日15.2.3?逐位比較型ADC1．轉(zhuǎn)換原理

逐位比較型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換原理與天平稱物的過程十分相似。

假設(shè)天平有10g、5g、2.5g、1.25g和0.625g五種砝碼，欲稱一質(zhì)量為15.76g的物體，用天平稱的過程是將砝碼從大到小依次加入并與物重逐次比較：

比較結(jié)果為物重<砝碼重的和，去掉加入的這個(gè)砝碼，記作0。

比較結(jié)果為物重>砝碼重的和，保留加入的這個(gè)砝碼，記作1。15.2模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）第十八頁，共二十二頁，2022年，8月28日

這樣，將所有的砝碼比較一遍后，得到了用二進(jìn)制代碼表示的物體質(zhì)量

11001

。

所稱的物體的質(zhì)量為（10+5+0.625）g=15.625g，與物體實(shí)際質(zhì)量15.76g相差0.135g。

砝碼越多，用二進(jìn)制表示物體質(zhì)量的位數(shù)越多，誤差就越小。

這種用已知砝碼質(zhì)量逐次與未知物體質(zhì)量進(jìn)行比較，使天平上砝碼的總質(zhì)量逐次逼近被稱物體質(zhì)量的方法，叫逐位比較法。

15.2模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）第十九頁，共二十二頁，2022年，8月28日2．電路框圖與工作原理15.2模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）第二十頁，共二十二頁，2022年，8月28日15.2模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）

（1）控制電路使數(shù)碼寄存器的輸出為100，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器變?yōu)橄鄳?yīng)的電壓，送入比較器C與采樣電壓比較。若vI>vF，則將最高位的1保留，反之就清除，使最高位為0。

（3）一直比較到最低位為止。這樣，數(shù)碼寄存器中的數(shù)碼就是A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)碼。

（2）接著控制器將次高位置1，再經(jīng)D/A