ch9數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換

1、掌握倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器(DAC)工作原理和集成D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用。2、掌握A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)的過程和功能。教學(xué)基本要求9模數(shù)與數(shù)模轉(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?？够殳B濾波采樣、保持ADC計(jì)算機(jī)DSPDAC重構(gòu)濾波模擬信號輸入信號輸出數(shù)字信號處理系統(tǒng)框圖（低通濾波）（平滑濾波）模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)模轉(zhuǎn)換

，，9.1D/A轉(zhuǎn)換器Digital-to-AnalogConverters將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為與之成正比模擬量。n位數(shù)字量DAC模擬量A

=KD

O=–KNB

Di=0時(shí),開關(guān)Si接地Di=1時(shí),開關(guān)Si接VREF9.1.1D/A轉(zhuǎn)換的基本原理+voRfRR/2R/4R/8i0i1i2i3D0D1D2D3AVREFS0if若R=Rf9.1.2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、4位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)電壓D/A轉(zhuǎn)換器的倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)電源VREF提供的總電流為：I=？流過各開關(guān)支路的電流：I3=？I2=？I1=？I0=？I/4I/8I/16RRRRI/2I/4I/8I/16I/2I3I2I1I0流入每個(gè)2R電阻的電流從高位到低位按2的整數(shù)倍遞減。I3=VREF/2RI2=VREF/4RI1=VREF/8RI0=VREF/16R流入運(yùn)放的總電流：i

＝I0+I1+I2+I3輸出模擬電壓：

AD7533D/A轉(zhuǎn)換器使用:1)要外接運(yùn)放，

2)運(yùn)放的反饋電阻可使用內(nèi)部電阻，也可采用外接電阻2.集成D/A轉(zhuǎn)換器10位CMOS電流開關(guān)型D/A轉(zhuǎn)換器

例題：用計(jì)數(shù)器和D/A轉(zhuǎn)換器組成

階梯波產(chǎn)生電路74163具同步清零功能74163和與非門構(gòu)成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器：0000~1001

vO

Q0

Q1

Q2

Q3

CPD0D1D2

D3

–10.24V

&

CRCEP

CET

PE

1

74LS163

–

+

A

Rf

IOUT1

IOUT2

VREF

AD7533

D0D1D2D3D4D5D6D7D8D9

vo

/V

D

75319ADCDn~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:9.2A/D

轉(zhuǎn)換器

Analog-to-DigitalConverter2.A/D轉(zhuǎn)換器分類①并聯(lián)比較型(flashADC--高速ADC)

特點(diǎn):轉(zhuǎn)換速度快,轉(zhuǎn)換時(shí)間10ns~1

s,

但電路復(fù)雜。②逐次逼近型（Successive-ApproximationADC)

特點(diǎn):轉(zhuǎn)換速度適中,轉(zhuǎn)換時(shí)間為幾

s~100

s,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。③雙積分型

(Dual-SlopeADC)

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

s~幾ms,但轉(zhuǎn)換精度高，抗干擾能力最強(qiáng)。1.取樣

采樣是將隨時(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。

采樣定理：設(shè)采樣信號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----奈奎斯特采樣定理（NyquistTheorem)

S(t)=1:開關(guān)閉合S(t)=0:開關(guān)斷開9.2.1A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程采得模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號都需要一定時(shí)間，為了給后續(xù)的量化編碼過程提供一個(gè)穩(wěn)定的值，在取樣電路后要求將所采樣的模擬信號保持一段時(shí)間。采樣保持2.保持(Hold)3.ADC數(shù)字信號在數(shù)值上是離散的。采樣–保持電路的輸出電壓還需按某種近似方式歸化到與之相應(yīng)的離散電平上，任何數(shù)字量只能是某個(gè)最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。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。編碼量化9.2.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器(FlashADC)電壓比較器輸入模擬電壓精密電阻網(wǎng)絡(luò)精密參考電壓VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15輸出數(shù)字量1、電路組成VI=8VREF/151111000001

vI

CO1CO2CO3CO4CO5CO6CO7

D2D1D0

7VREF/15

vI

9VREF/15

0001111100

9VREF/15

vI

11VREF/15

0011111101

5VREF/15

vI

7VREF/15

0000111011

3VREF/15

vI

5VREF/15000001101011VREF/15

vI

13VR/15

011111111013VREF/15

vI

VREF/15

1111111111

VREF/15

vI

3VREF/15

0000001001

0vI

VREF/15

0000000000

根據(jù)各比較器的參考電壓值，可以確定輸入模擬電壓值與各比較器輸出狀態(tài)的關(guān)系。比較器的輸出狀態(tài)由D觸發(fā)器存儲(chǔ)，經(jīng)優(yōu)先編碼器編碼，得到數(shù)字量輸出。所加砝碼重量

結(jié)果

9.2.3逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器

（Successive-ApproximationADC)逐次逼近轉(zhuǎn)換過程與用天平稱物重非常相似。第一次8克砝碼總重<待測重量Wx

，8克砝碼保留8克第二次再加4克砝碼總重仍<待測重量Wx

，4克砝碼保留12克第三次再加2克砝碼總重>待測重量Wx

，2克砝碼撤除12克第四次再加1克砝碼總重＝待測重量Wx

，1克砝碼保留13克1.轉(zhuǎn)換原理所用砝碼重量：8克、4克、2克和1克。設(shè)待秤重量Wx

=13克。2.電路組成

0留111111003.工作原理設(shè)：輸入模擬電ui

=6.84V

輸出8位數(shù)碼，D/A的VREF=-10V10000000

A=6.84VVREF=-10V1010111111000000101000001011000010101000101011001010111010101111小結(jié)：1、

逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)越多轉(zhuǎn)換精度越高；2、逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需時(shí)間與其位數(shù)n和時(shí)鐘脈沖頻率有關(guān)，位數(shù)愈少，時(shí)鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換所需時(shí)間越短；END9.2.4雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器

1、雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的基本指導(dǎo)思想

對輸入模擬電壓和參考電壓分別進(jìn)行兩次積分，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時(shí)間間隔，然后利用時(shí)鐘脈沖和計(jì)數(shù)器測出此時(shí)間間隔，進(jìn)而得到相應(yīng)的數(shù)字量輸出。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器也稱為電壓－時(shí)間－數(shù)字式積分器。1、電路組成00000Cr信號將計(jì)數(shù)器清零；開關(guān)S2閉合，待積分電容放電完畢后，斷開S2使電容的初始電壓為0。2、工作原理①準(zhǔn)備階段：經(jīng)過2n個(gè)CP(2)第一次積分：t=t0時(shí)，開關(guān)S1與A端相接，積分器開始對

I積分。經(jīng)2n個(gè)CP后,開關(guān)切換到B，

，=VP。第一積分時(shí)間為2nTCVREF加到積分器的輸入端，積分器反方向進(jìn)行第二次積分；當(dāng)t=t2時(shí)積分器輸出電壓

O≥0，比較器輸出

C=0，時(shí)鐘脈沖控制門G被關(guān)閉，計(jì)數(shù)停止。(3)第二次積分：T1=2nTC

T2=

Tc

T