數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課件：數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路8.1概述8.2數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路8.3模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路本章小結(jié)思考題與習(xí)題

8.1概述

為了能夠使用數(shù)字電路處理模擬信號,必須先把模擬信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號,才能送入數(shù)字系統(tǒng)(例如計算機)進行處理;同時,還經(jīng)常需要把經(jīng)過數(shù)字系統(tǒng)處理得到的數(shù)字信號再轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬信號,作為最后的輸出。我們把前一種從模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換稱為模/數(shù)轉(zhuǎn)換,或A/D轉(zhuǎn)換;把后一種從數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)換稱為數(shù)/模轉(zhuǎn)換,或D/A轉(zhuǎn)換。與此同時,把實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的電路稱為A/D轉(zhuǎn)換器,簡寫為ADC;把實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的電路稱為D/A轉(zhuǎn)換器,簡寫為DAC。

為了保證處理結(jié)果的準(zhǔn)確性,A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器必須具有足夠的轉(zhuǎn)換精度。同時,為了適應(yīng)快速控制和檢測的需要,A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器還必須有足夠快的轉(zhuǎn)換速度。因此,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)劣的主要標(biāo)志。近年來,A/D、D/A轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展頗為迅速,特別是為了適應(yīng)制作單片集成A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的需要,涌現(xiàn)出了許多新的轉(zhuǎn)換方法和轉(zhuǎn)換電路,因而A/D和D/A轉(zhuǎn)換器的類型較多。

對于A/D轉(zhuǎn)換器,為了便于學(xué)習(xí)和掌握它的原理和使用方法,我們將A/D轉(zhuǎn)換器劃分成直接A/D轉(zhuǎn)換器和間接A/D轉(zhuǎn)換器兩大類。在直接A/D轉(zhuǎn)換器中,輸入的模擬信號直接被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號;而在間接A/D轉(zhuǎn)換器中,輸入的模擬信號將首先被轉(zhuǎn)換成某種中間量(例如時間、頻率等),然后再把這個中間量轉(zhuǎn)換成輸出的數(shù)字信號。

考慮到D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理比A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理簡單,而且在有些A/D轉(zhuǎn)換器中需要用D/A轉(zhuǎn)換器作為內(nèi)部的反饋電路,所以本章我們先討論D/A轉(zhuǎn)換器,再介紹A/D轉(zhuǎn)換器。

8.2數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路

8.2.1數(shù)/模轉(zhuǎn)換的基本原理數(shù)/模轉(zhuǎn)換是將輸入的數(shù)字量(如二進制數(shù)NB)轉(zhuǎn)換為模擬量電壓或者電流輸出。當(dāng)采用電壓輸出時,其輸入、輸出關(guān)系可表示為

基于上述基本思想,一個D/A轉(zhuǎn)換器應(yīng)該由數(shù)碼寄存器、模擬電子開關(guān)、解碼網(wǎng)絡(luò)、求和電路及基準(zhǔn)電壓等部分組成,如圖8.2.1所示。進行D/A轉(zhuǎn)換時,先將數(shù)字量存于數(shù)碼寄存器中,由寄存器輸出的數(shù)碼驅(qū)動對應(yīng)數(shù)位的模擬電子開關(guān),使解碼網(wǎng)絡(luò)獲得相應(yīng)數(shù)位的權(quán)值,再送入求和電路,將各位的權(quán)值疊加,從而得到與數(shù)字量對應(yīng)的模擬量輸出。圖8.2.1D/A轉(zhuǎn)換器方框圖

D/A轉(zhuǎn)換器的種類比較多,按解碼網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不同可分為T型電阻網(wǎng)絡(luò)、倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)、權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)和權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器等;按模擬電子開關(guān)電路的不同可分為CMOS開關(guān)型和雙極型開關(guān)D/A轉(zhuǎn)換器等。下面重點介紹幾種典型的D/A轉(zhuǎn)換電路。

8.2.2典型的D/A轉(zhuǎn)換電路

1.權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器

圖8.2.2是四位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖,它由權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)S0~S3和I/U轉(zhuǎn)換電路組成。權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)中每一個電阻的阻值與對應(yīng)位的位權(quán)成反比。圖中模擬開關(guān)S0~S3由輸入數(shù)碼D0~D3控制,當(dāng)Di=0時,模擬開關(guān)Si接地;當(dāng)Di=1時,模擬開關(guān)Si將電阻接到UREF上。這樣流過每個電阻的電流就和對應(yīng)位的位權(quán)成正比,再將這些電流相加,其結(jié)果就會與輸入的數(shù)字量成正比。圖8.2.2四位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器

2.倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器

為了解決權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器中電阻阻值相差過大的問題,人們又提出了T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器和倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器,限于篇幅,這里僅對倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器作重點介紹。

倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器是目前較為常用的一種D/A轉(zhuǎn)換器,圖8.2.3是四位倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器,它由倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)S0~S3和I/U轉(zhuǎn)換電路組成。圖8.2.3四位倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器

倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)是由R、2R兩種電阻構(gòu)成的,基準(zhǔn)電流I=UREF/R經(jīng)倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)逐級分流,每級電流是前一級的1/2,這樣依次可以得出各支路電流I3、I2、I1和I0的數(shù)值分別為I/2、I/4、I/8和I/16,而每級電流可以分別代表二進制數(shù)各位不同的權(quán)值,總輸出電流IΣ是各支路電流的線性疊加。所以,總電流IΣ為

輸出電壓為

同理,可以推導(dǎo)出n位倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為

3.權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器

由倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的分析可知,電路中各支路的電流是依靠電阻網(wǎng)絡(luò)的分流作用實現(xiàn)其比例關(guān)系的,且這比例關(guān)系是在理想的情況下得出的,沒有考慮模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻及實際電阻網(wǎng)絡(luò)中電阻值誤差的影響,所以實際上各支路電流的比例關(guān)系會有一定誤差,使得轉(zhuǎn)換精度降低。為保證各支路電流的恒定,可以用恒流源來提供各支路電流,這樣就構(gòu)成了權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器,如圖8.2.4所示。圖8.2.4權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器

由圖8.2.4可得

則

8.2.3D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式

常用的D/A轉(zhuǎn)換器絕大部分是以電流作為輸出量的,這樣在實際應(yīng)用時還需要將電流轉(zhuǎn)換成電壓,因此必須選擇和設(shè)計合適的輸出電路,以保證D/A轉(zhuǎn)換器的正確使用。D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式有單極性和雙極性兩種,下面分別對這兩種輸出方式加以討論。

1.單極性輸出方式

單極性輸出的電壓范圍是0到滿度值(正值或負值),例如0~+10V。當(dāng)D/A轉(zhuǎn)換器采用單極性輸出方式時,數(shù)字輸入量采用自然二進制碼。表8.2.1列出了根據(jù)式(8.2.6)得出的8位D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸入量與模擬輸出量之間的關(guān)系。

圖8.2.5是倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的單極性電壓輸出電路,它的輸出電壓為

若要求輸出電壓為正,可在圖8.2.5電路的輸出端加一級反相比例器。圖8.2.5D/A轉(zhuǎn)換器的單極性電壓輸出電路

2.雙極性輸出方式

在實際應(yīng)用中,D/A轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字量有正有負,這就需要D/A轉(zhuǎn)換器能將不同極性的數(shù)字量分別轉(zhuǎn)換為正、負極性的模擬電壓量,即需要D/A轉(zhuǎn)換器采用雙極性輸出方式。雙極性D/A轉(zhuǎn)換常用的編碼有:2的補碼、偏移二進制碼及符號數(shù)值碼(符號位加數(shù)值碼)等。表8.2.2列出了8位表2的補碼、偏移二進制碼與模擬量之間的關(guān)系。

比較表8.2.2與表8.2.1可知,偏移二進制碼與無符號二進制碼形式相似,它實際上是將二進制碼對應(yīng)的模擬量的零值偏移至80H,使偏移后的數(shù)中大于128的是正數(shù),而小于128的則為負數(shù)。所以,若將單極性8位D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓減去UREF/2(80H所對應(yīng)的模擬量),就可得到極性正確的偏移二進制碼對應(yīng)的輸出,其輸出電路如圖8.2.6所示。圖8.2.6D/A轉(zhuǎn)換器的偏移二進制碼輸出電路

圖中的輸出電壓uO為

取RB=2Rf,R=Rf=R1,可得

8.2.4D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)

D/A轉(zhuǎn)換器的性能主要是用轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度來衡量的。

1.轉(zhuǎn)換精度

D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度包括分辨率和轉(zhuǎn)換誤差兩個技術(shù)指標(biāo)。

分辨率主要描述D/A轉(zhuǎn)換器對輸入微小數(shù)字量變化的敏感程度,也就是輸出模擬量的最大值與最小值之間所分成的等級數(shù),一般用輸入數(shù)字量的位數(shù)n來表示。輸入數(shù)字量的位數(shù)越多,輸出模擬量分成的等級數(shù)越多,分辨率也就越高。另外,分辨率也可以用D/A轉(zhuǎn)換器能分辨的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比來表示。圖8.2.73位D/A轉(zhuǎn)換器的比例系數(shù)誤差

失調(diào)誤差是由運算放大器的零點漂移所引起的,圖8.2.8是3位D/A轉(zhuǎn)換器的失調(diào)誤差,由于運算放大器零點漂移的影響會使輸出電壓的轉(zhuǎn)移特性曲線發(fā)生平移,從而在輸出端產(chǎn)生誤差電壓ΔuO2。失調(diào)誤差電壓ΔuO2的大小與輸入數(shù)字量無關(guān)。圖8.2.83位D/A轉(zhuǎn)換器的失調(diào)誤差

由于上述幾種誤差電壓之間不存在固定的函數(shù)關(guān)系,所以在最不利的情況下,輸出端總的誤差電壓|ΔuO|取它們的絕對值之和,即

2.轉(zhuǎn)換速度

當(dāng)D/A轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時,輸出的模擬量并不能立即達到所對應(yīng)的數(shù)值,它需要經(jīng)過一段時間,為此通常用建立時間和轉(zhuǎn)換速率這兩個參數(shù)來描述D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。

轉(zhuǎn)換速率(SR)用大信號工作狀態(tài)下模擬電壓的變化率表示。一般集成D/A轉(zhuǎn)換器在不包含外接參考電壓源和運算放大器時,轉(zhuǎn)換速率比較高。實際應(yīng)用中,要實現(xiàn)快速D/A轉(zhuǎn)換,不僅要求D/A轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速率,而且還應(yīng)選用轉(zhuǎn)換速率較高的集成運算放大器與之配合使用才行。

8.2.5集成D/A轉(zhuǎn)換器舉例

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,單片集成D/A轉(zhuǎn)換器的種類越來越多,應(yīng)用也越來越廣泛。AD7520是常用的單片集成D/A轉(zhuǎn)換器,它由倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)、10位CMOS電流開關(guān)和反饋電阻(R=10kΩ)組成,其內(nèi)部電路如圖8.2.9虛線框內(nèi)部分所示。該集成D/A轉(zhuǎn)換器在應(yīng)用時必須外接參考電壓UREF和運算放大器。AD7520芯片引腳排列圖如圖8.2.10所示。圖8.2.9AD7520內(nèi)部電路圖8.2.10AD7520芯片引腳排列圖

8.3模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路

8.3.1模/數(shù)轉(zhuǎn)換的基本原理

模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的功能是在規(guī)定時間內(nèi)把模擬信號在時刻t的幅度值(電壓值)轉(zhuǎn)換為一個相應(yīng)的數(shù)字量。

1.采樣和保持

采樣就是把一個在時間上連續(xù)的信號變換為在時間上離散的信號。模擬信號的采樣過程如圖8.3.1所示。為了保證能從采樣信號中恢復(fù)出原來的被采樣信號,要求采樣頻率必須滿足

式中,fs為采樣頻率,fimax為輸入模擬信號uI的最高頻分量的頻率。式(8.3.1)即為采樣定理。圖8.3.1對輸入模擬信號的采樣圖8.3.2采樣保持電路

2.量化和編碼

數(shù)字信號不僅在時間上是離散的,而且在幅度上也是離散的。為了將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,在A/D轉(zhuǎn)換過程中,還必須將采樣保持電路的輸出電壓以某種近似方式歸化到與之相應(yīng)的離散電平上。這一轉(zhuǎn)換過程稱為數(shù)值量化,簡稱量化。量化后的數(shù)值經(jīng)過編碼用一組代碼表示出來,經(jīng)編碼得到的代碼就是A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量。

由于數(shù)字信號在時間和幅度上都是離散的,所以任何一個數(shù)字量的大小只能是某個規(guī)定的最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。量化過程中所取的最小數(shù)量單位稱為量化單位,用Δ表示,它是數(shù)字信號最低位為1時所對應(yīng)的模擬量,即1LSB。

在量化過程中,由于取樣電壓不一定能被Δ整除,所以在量化過程中不可避免地存在誤差,稱為量化誤差,用ε表示。量化誤差屬于原理性誤差,它是無法消除的。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多,各離散電平之間的差值越小,量化誤差越小。

A/D轉(zhuǎn)換器的種類很多,按其工作原理不同分為直接A/D轉(zhuǎn)換器和間接A/D轉(zhuǎn)換器兩類。直接A/D轉(zhuǎn)換器可將模擬信號直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,這類A/D轉(zhuǎn)換器具有較快的轉(zhuǎn)換速度,其典型電路有并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器和逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器。而間接A/D轉(zhuǎn)換器則是先將模擬信號轉(zhuǎn)換成某一中間電量(時間或頻率),然后再將中間電量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出,此類A/D轉(zhuǎn)換器的速度較慢,典型電路有雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器、電壓頻率轉(zhuǎn)換型A/D轉(zhuǎn)換器。下面將詳細介紹這幾種A/D轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)及工作原理。

8.3.2直接A/D轉(zhuǎn)換器

1.并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器

圖8.3.3三位并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器

2.逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器

逐次漸近轉(zhuǎn)換過程與天平稱重非常相似。天平稱重是從最重的砝碼開始試放,與被稱物體進行比較,若物體重于砝碼,則該砝碼保留,否則移去。再加上下一個砝碼,由物體的重量是否大于砝碼的重量決定第二個砝碼是留下還是移去。照此方法一直加到最小一個砝碼為止,最后將所有留下的砝碼的重量相加,就是物體重量。

依照天平稱重,逐次漸近轉(zhuǎn)換技術(shù)就是先由A/D轉(zhuǎn)換器從高位到低位逐位改變寄存器的數(shù)值,產(chǎn)生不同的已知電壓,然后讓輸入電壓逐次與這些已知電壓進行比較,從而實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。圖8.3.4是逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器原理框圖,它由比較器C、D/A轉(zhuǎn)換器、寄存器、時鐘信號源和控制電路等組成。圖8.3.4逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器原理框圖

依照此原理可得四位輸出的逐次漸近型D/A轉(zhuǎn)換過程如圖8.3.5所示。t=t0時刻發(fā)出轉(zhuǎn)換控制信號開始轉(zhuǎn)換,在時鐘脈沖作用下使寄存器的輸出為1000,經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換得到一模擬電壓(0.500UREF),送到比較器C與模擬輸入信號uI進行比較,由圖中給定的模擬輸入信號uI可知,uI>0.500UREF,比較器C為高電平,這個1應(yīng)予以保留,寄存器的最高位=1。當(dāng)t=t1時,時鐘脈沖使寄存器的輸出為1100,經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換得到一模擬電壓(0.750UREF),送到比較器C與模擬輸入信號uI進行比較,結(jié)果uI<0.750UREF,比較器C為低電平,這個1應(yīng)去掉,寄存器的次高位=0。如此比較下去,直到最低位為止。四個脈沖周期后,寄存器的輸出狀態(tài)D3D2D1D0=1001,也就是所求的輸出數(shù)字量。圖8.3.5逐次漸近型D/A轉(zhuǎn)換過程

例8.3.1三位輸出的A/D轉(zhuǎn)換器邏輯電路如圖8.3.6所示。圖中C為比較器,FA、FB、FC組成了三位數(shù)碼寄存器,F1~F5和G1~G9組成控制邏輯電路,試分析電路的工作原理。

解:轉(zhuǎn)換開始前先將FA、FB、FC清零,寄存器的輸出狀態(tài)QAQBQC=000,并將環(huán)形移位寄存器F1~F5的輸出狀態(tài)置為Q1Q2Q3Q4Q5=10000。轉(zhuǎn)換控制信號變成高電平以后,開始進行轉(zhuǎn)換。圖8.3.6三位逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器的邏輯電路圖

從上面的例子可以看出,三位輸出的A/D轉(zhuǎn)換器需要五個時鐘信號周期的時間才能完成一次轉(zhuǎn)換。如果是n位輸出的A/D轉(zhuǎn)換器,就需要(n+2)個時鐘信號周期的時間才能完成一次轉(zhuǎn)換,所以逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需時間與其位數(shù)和時鐘脈沖頻率有關(guān),位數(shù)越少,時鐘脈沖頻率越高,轉(zhuǎn)換所需時間越短。這種A/D轉(zhuǎn)換器具有轉(zhuǎn)換速度快、精度高的特點。

8.3.3間接A/D轉(zhuǎn)換器

雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器又稱為雙斜率A/D轉(zhuǎn)換器,是一種間接A/D轉(zhuǎn)換器。它的基本原理是,對輸入模擬電壓和參考電壓進行兩次積分,變換成與輸入電壓平均值成正比的時間間隔,利用時鐘脈沖和計數(shù)器測出此時間間隔。由于這種轉(zhuǎn)換器是取輸入電壓的平均值進行變換的,因此具有很強的抗工頻干擾能力,在數(shù)字測量中得到廣泛應(yīng)用。

圖8.3.7是雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器,它由積分器(由集成運放A1組成)、過零比較器(A2)、時鐘脈沖控制門(G)和定時器/計數(shù)器等幾部分組成。圖8.3.7雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器

圖8.3.8是雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的工作波形圖。當(dāng)uI取兩個不同數(shù)值uI1和uI2時,反向積分時間T2和T'2也不相同,而且時間的長短與uI的大小成正比。由于CP的頻率始終不變,所以在T2和T'2的時間里所記錄的脈沖數(shù)也必然與uI成正比。圖3.8雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的工作波形圖

對A/D轉(zhuǎn)換器可總結(jié)如下三點:

(1)A/D轉(zhuǎn)換器主要分為直接A/D轉(zhuǎn)換器和間接A/D轉(zhuǎn)換器兩類。A/D轉(zhuǎn)換都是利用輸入電壓與已知電壓的比較來實現(xiàn)的。

(2)并行A/D轉(zhuǎn)換是用輸入電壓與固定等級的參考電壓進行比較,從而確定輸入電壓所在等級的。逐次漸近A/D轉(zhuǎn)換是用輸入電壓與一組已知電壓逐個進行比較,屬于多次比較,一次比較一位。雙積分A/D轉(zhuǎn)換是將輸入電壓與已知電壓轉(zhuǎn)換成脈沖數(shù)(即時間)進行比較的。

(3)并行A/D轉(zhuǎn)換的優(yōu)點是轉(zhuǎn)換速度快,缺點是隨著位數(shù)的增加所用元件的數(shù)量將大大增加。逐次漸近A/D轉(zhuǎn)換的速度較快,轉(zhuǎn)換時間固定,容易實現(xiàn)與微機接口。雙積分A/D轉(zhuǎn)換的特點在于它的抗工頻能力強,由于兩次積分比較是相對比較,對器件的穩(wěn)定性要求不高,容易實現(xiàn)高精度轉(zhuǎn)換。

8.3.4A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)

1.轉(zhuǎn)換精度

A/D轉(zhuǎn)換器是用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述轉(zhuǎn)換精度的。A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率是以輸出二進制(或十進制)數(shù)的位數(shù)來表示的,它說明了A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號的分辨能力。

轉(zhuǎn)換誤差通常以相對誤差的形式給出,它表示A/D轉(zhuǎn)換器實際輸出的數(shù)字量和理想輸出數(shù)字量之間的差別,并用最低有效位的倍數(shù)表示。

此外還應(yīng)注意,手冊中給出的轉(zhuǎn)換精度數(shù)據(jù)是在某一規(guī)定條件下得出的,如環(huán)境溫度、電源電壓等。當(dāng)這些條件發(fā)生變化時,將會引起附加的轉(zhuǎn)換誤差,因此為了減小轉(zhuǎn)換誤差,必須保證供電電源有較高的穩(wěn)定度,并限制工作環(huán)境溫度的變化。

2.轉(zhuǎn)換時間

完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需的時間稱為轉(zhuǎn)換時間。A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間與轉(zhuǎn)換類型有關(guān),不同類型的A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度相差甚遠。并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最高,8位輸出的單片集成A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間可以縮短至50ns以內(nèi)。逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器次之,8位輸出的單片集成A/D轉(zhuǎn)換器的最短轉(zhuǎn)換時間僅有400ns,多數(shù)產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換時間均在10~50μs之間。間接A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最慢,如雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間大都在幾十毫秒至幾百毫秒之間。

8.3.5集成A/D轉(zhuǎn)換器舉例

單片集成A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品的種類比較多,性能指標(biāo)各異,在實際中使用比較多的是逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器。下面對其中典型產(chǎn)品集成ADC0809作一簡單介紹。

圖8.3.9是ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖,從圖中可以看出,它是逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器。它可以連接8路模擬信號,由8選1模擬信號選擇器選擇其中的一路進行A/D轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換結(jié)果是8位二進制數(shù),最大值為255。圖8.3.9ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

本章小結(jié)

電子技術(shù)的快速發(fā)展,使得數(shù)字系統(tǒng)處理數(shù)字信號的能力越來越強,數(shù)字系統(tǒng)的輸入、輸出都是數(shù)字量,但我們面對的現(xiàn)實世界中,大多數(shù)物理量是模擬量,因此,當(dāng)利用數(shù)字系統(tǒng)來監(jiān)視或者控制一個物理過程時,必須首先將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,這就需要A/D轉(zhuǎn)換器;信號經(jīng)過數(shù)字系統(tǒng)的分析處理后,其結(jié)果往往需要對被控制的對象做出某種調(diào)節(jié),這時又需要利用D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量。

A/D轉(zhuǎn)換器與D/A轉(zhuǎn)換器在系統(tǒng)中的位置如下所示:

物理量→傳感器→A/D轉(zhuǎn)換器→數(shù)字系統(tǒng)→D/A轉(zhuǎn)換器→調(diào)節(jié)器→去控制物理變量

實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換有直接轉(zhuǎn)換和間接轉(zhuǎn)換兩種途徑。直接轉(zhuǎn)換方法如并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器、逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器等;間接轉(zhuǎn)換方法如雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器、電壓頻率變換型A/D轉(zhuǎn)換器等。每種方法各具特點和適用場合,實際中要依據(jù)具體要求選擇。如在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,為了滿足快速轉(zhuǎn)換的要求,可考慮采用并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器;若系統(tǒng)對完成A/D轉(zhuǎn)換的速度要求不高,但應(yīng)用場合的工頻干擾較為嚴(yán)重,就應(yīng)該采用雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器。

衡量A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)是轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度。轉(zhuǎn)換精度常用分辨率表示,如n位A/D轉(zhuǎn)換器能區(qū)分輸入電壓的最小差異為FSR/2n。轉(zhuǎn)換速度因轉(zhuǎn)換方法的不同差異較大,典型的并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換僅需要幾十納秒,而雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換需要幾十毫秒甚至更長時間。

實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的方法較多,其主要區(qū)別在于解碼網(wǎng)絡(luò)的不同。依據(jù)解碼網(wǎng)絡(luò)的組成,可將D/A轉(zhuǎn)換器分為權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器、倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器、權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器等。

D/A轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器已有各種集成電路芯片可供選用,在實際應(yīng)用中,應(yīng)注意所選芯片的轉(zhuǎn)換精度與系統(tǒng)中其他器件所能達到的精度的相互匹配。

思考題與習(xí)題

8.4圖8.1所示電路是一權(quán)電阻和T型網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的D/A轉(zhuǎn)換器。

(1)試證明:當(dāng)r=8R時,該電路為八位二進制碼D/A轉(zhuǎn)換器。

(2)試證明:當(dāng)r=4.8R時,該電路為二位BCD碼D/A轉(zhuǎn)換器。

8.5試計算八位單極性D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸入量分別為7FH、81H、F3H時的模擬輸出電壓值,其滿刻度電壓值為+10V。圖8.1題8.4圖

8.6試計算八位雙極性偏移二進制碼D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸入量分別為01H、28H、7AH、81H和F7H時的輸出電壓值,參考電壓為+10V。

8.7圖8.2是用集成D/A轉(zhuǎn)換器AD7520組成的雙極性輸出D/A轉(zhuǎn)換器。AD7520電路圖見圖8.2.9,其倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)中的電阻R=10kΩ,為了得到±5V的最