第8章-數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器

第8章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器8.1概述8.2D/A轉(zhuǎn)換器8.3A/D轉(zhuǎn)換器8.4*A/D與D/A轉(zhuǎn)換的Multisim10仿真與分析

本章學(xué)習(xí)目的和要求：

1.了解ADC、DAC在數(shù)字系統(tǒng)中的作用及分類方法。

2.掌握權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC、倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC的工作原理及DAC的轉(zhuǎn)換精度與速度。

3.掌握ADC的轉(zhuǎn)換步驟、取樣定理。

4.掌握逐次逼近型ADC與雙積分型ADC的工作原理及性能指標(biāo)。第8章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器

在控制、檢測(cè)以及許多其他領(lǐng)域中，用數(shù)字電路處理模擬信號(hào),需要將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，這種轉(zhuǎn)換稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換，用A/D表示；也需要將數(shù)字信號(hào)變換為模擬信號(hào),這種轉(zhuǎn)換就叫做數(shù)模轉(zhuǎn)換，用D/A表示。帶有模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的測(cè)控系統(tǒng)可用下面的框圖表示。8.1概述

一般測(cè)控系統(tǒng)框圖8.2D/A轉(zhuǎn)換器8.2.1權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器8.2.2R-2R倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器8.2.3權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器8.2.4D/A轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)8.2.5集成D/A轉(zhuǎn)換器AD7520介紹8.2D/A轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器是利用電阻網(wǎng)絡(luò)和模擬開關(guān)，將多位二進(jìn)制數(shù)D轉(zhuǎn)換為與之成比例的模擬量的一種轉(zhuǎn)換電路。D/A轉(zhuǎn)換器方框圖n位的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)：輸出是與之成比例的模擬量A：

A=KDn

=K()

式中K為轉(zhuǎn)換系數(shù)。D/A轉(zhuǎn)換器通常由譯碼網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)、求和運(yùn)算放大器和基準(zhǔn)電壓源等部分組成。D/A轉(zhuǎn)換器的組成:D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可以并行輸入也可串行輸入。按照譯碼網(wǎng)絡(luò)的不同，可以構(gòu)成多種D/A轉(zhuǎn)換電路。

存放在數(shù)字寄存器中的數(shù)字量的各位數(shù)碼

由輸入數(shù)字量控制

產(chǎn)生權(quán)電流

將權(quán)電流相加產(chǎn)生與輸入成正比的模擬電壓8.2.1權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器1.電路結(jié)構(gòu)2.工作原理對(duì)于n位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，反饋電阻取為RF=R/2時(shí)：

采用運(yùn)算放大器進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是起隔離作用，把負(fù)載電阻與電阻網(wǎng)絡(luò)相隔離，以減小負(fù)載電阻對(duì)電阻網(wǎng)絡(luò)的影響；二是可以調(diào)節(jié)RF控制滿刻度值（即輸入數(shù)字信號(hào)為全1）時(shí)輸出電壓的大小，使D/A轉(zhuǎn)換器的輸出達(dá)到設(shè)計(jì)要求。3.運(yùn)算放大器的輸出電壓8.2.2R-2R倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器1.電路結(jié)構(gòu)n位R-2R倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換電路電阻網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)電壓輸出模擬電壓模擬電子開關(guān)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

求和運(yùn)算放大器輸入n位二進(jìn)制數(shù)n位R-2R倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換電路取Rf=R,則：

為使D/A轉(zhuǎn)換器具有較高的精度，對(duì)電路中的參數(shù)有以下要求：（1）基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定性好；（2）倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)中R和2R電阻的比值精度要高；（3）每個(gè)模擬開關(guān)的開關(guān)電壓降要相等。為實(shí)現(xiàn)電流從高位到低位按2的整倍數(shù)遞減，模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻也相應(yīng)地按2的整數(shù)倍遞增。倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器中，各支路電流直接流入運(yùn)算放大器的輸入端，它們之間不存在傳輸上的時(shí)間差。電路的這一特點(diǎn)不僅提高了轉(zhuǎn)換速度，而且也減少了動(dòng)態(tài)過程中輸出端可能出現(xiàn)的尖脈沖。它是目前廣泛使用的D/A轉(zhuǎn)換器中速度較快的一種。8.2.3權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器四位權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器的原理電路1.電路原理

采用了恒流源電路之后，各支路權(quán)電流的大小均不受開關(guān)導(dǎo)通電阻和壓降的影響，這就降低了對(duì)開關(guān)電路的要求，提高了轉(zhuǎn)換精度。2.采用具有電流負(fù)反饋的BJT恒流源電路的權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)電流產(chǎn)生電路IE3=I/2，IE2=I/4，

IE1=I/8，IE0=I/16，n位倒T形權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓3.權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器DAC0808的電路結(jié)構(gòu)D0～D7是8位數(shù)字輸入端Io是求和電流的輸出端VREF+和VREF-接基準(zhǔn)電流發(fā)生電路中運(yùn)算放大器的反相輸入端和同相輸入端VCC和VEE為電源輸入COMP供外接補(bǔ)償電容當(dāng)VREF=10V、R1=5kΩ、Rf=5kΩ

當(dāng)輸入的數(shù)字量在全0和全1之間變化時(shí)，輸出模擬電壓的變化范圍為0～9.96V。DAC0808D/A轉(zhuǎn)換器的典型應(yīng)用8.2.4D/A轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)1．轉(zhuǎn)換精度（1）分辨率

是用以說明D/A轉(zhuǎn)換器在理論上可達(dá)到的精度。用于表征D/A轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入微小量變化的敏感程度，顯然輸入數(shù)字量位數(shù)越多，輸出電壓可分離的等級(jí)越多，即分辨率越高。所以實(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)字代碼的位數(shù)n越多，分辨率越小，分辨能力越高，例如，十位D/A轉(zhuǎn)換器AD7520的分辨率為:

轉(zhuǎn)換誤差可用輸出電壓滿度值的百分?jǐn)?shù)表示，也可用LSB的倍數(shù)表示。轉(zhuǎn)換誤差又分靜態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差。產(chǎn)生靜態(tài)誤差的原因是基準(zhǔn)電源VREF的不穩(wěn)定，運(yùn)放的零點(diǎn)漂移，模擬開關(guān)導(dǎo)通時(shí)的內(nèi)阻和壓降以及電阻網(wǎng)絡(luò)中阻值的偏差等。動(dòng)態(tài)誤差則是在轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)過程中產(chǎn)生的附加誤差，它是由于電路中的分布參數(shù)的影響，使各位的電壓信號(hào)到達(dá)解碼網(wǎng)絡(luò)輸出端的時(shí)間不同所致。（2）轉(zhuǎn)換誤差用以說明D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際上能達(dá)到的轉(zhuǎn)換精度。2.轉(zhuǎn)換速度（1）建立時(shí)間tsetD/A轉(zhuǎn)換器建立時(shí)間

在輸入數(shù)字量各位由全0變?yōu)槿?，或由全1變?yōu)槿?，輸出電壓達(dá)到某一規(guī)定值（例如最小值取LSB或滿度值的0.01%）所需要的時(shí)間（2）轉(zhuǎn)換速率SR

在大信號(hào)工作時(shí)，即輸入數(shù)字量的各位由全0變?yōu)槿?，或由全1變?yōu)?時(shí)，輸出電壓的變化率。這個(gè)參數(shù)與運(yùn)算放大器的壓擺率類似。3.溫度系數(shù)

輸入不變時(shí)，輸出模擬電壓隨溫度變化產(chǎn)生的變化量。8.2.5集成D/A轉(zhuǎn)換器AD7520介紹AD7520內(nèi)部電路及組成的D/A轉(zhuǎn)換器1.AD7520電路AD7520的外引線排列及連接電路④4～13為十位數(shù)字量的輸入端。⑤14為CMOS模擬開關(guān)的+VDD電源接線端。⑥15為參考電壓電源接線端，可為正值或負(fù)值。⑦16為芯片內(nèi)部一個(gè)電阻R的引出端，該電阻作為運(yùn)算放大器的反饋電阻，它的另一端在芯片內(nèi)部接端。①1為模擬電流輸出端，接到運(yùn)算放大器的反相輸入端。②2為模擬電流輸出端，一般接“地”。③3為接“地”端。AD7520輸入數(shù)字量與輸出模擬量的關(guān)系

D2

D7

uOD0

D1

2R

2R

2R

2R

R

R

R

D8

D9

R

R

R

uI2R

2R

2R

-

+

RF

IOUT1

IOUT2

VREF

uO

-

+

R

uIOUT2I

IOUT1

倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)OVIAuu=Iout1＝

I0+I1+I2+…I9根據(jù)虛斷有:2.集成D/A轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例(1)數(shù)字式可編程增益控制電路（2）脈沖波產(chǎn)生電路8.3.1A/D轉(zhuǎn)換的一般過程8.3A/D轉(zhuǎn)換器8.3.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器8.3.3逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器8.3.4雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器8.3.5A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器的功能是將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字信號(hào)，即將模擬量轉(zhuǎn)換成與其成比例的數(shù)字量。ADCDn~D0輸出數(shù)字量輸入模擬電壓8.3A/D轉(zhuǎn)換器①并聯(lián)比較型

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

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

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

s~幾ms,但抗干擾能力最強(qiáng)。8.3.1A/D轉(zhuǎn)換的一般過程取樣時(shí)間上離散的信號(hào)保持、量化量值上也離散的信號(hào)編碼模擬信號(hào)時(shí)間上和量值上都連續(xù)數(shù)字信號(hào)時(shí)間上和量值上都離散

A/D轉(zhuǎn)換器一般要包括取樣，保持，量化及編碼4個(gè)過程。1.采樣與保持

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。

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

采樣定理：設(shè)采樣信號(hào)S(t)的頻率為fs，輸入模擬信號(hào)

I(t)的最高頻率分量的頻率為fimax，則

fs≥2fimax

采樣保持電路LF1982.量化與編碼

數(shù)字信號(hào)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。(1)量化：(2)編碼：

在量化過程中由于所采樣電壓不一定能被

整除，所以量化前后一定存在誤差，此誤差我們稱之為量化誤差，用

表示。

量化誤差屬原理誤差，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。只舍不入量化方式四舍五入的量化方式。(3)量化誤差：量化前的電壓與量化后的電壓差(5)量化方式：劃分量化電平的兩種方法

只舍不入量化方式:量化中把不足一個(gè)量化單位的部分舍棄；對(duì)于等于或大于一個(gè)量化單位部分按一個(gè)量化單位處理。

四舍五入量化方式:量化過程將不足半個(gè)量化單位部分舍棄，對(duì)于等于或大于半個(gè)量化單位部分按一個(gè)量化單位處理。08.3.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/151、電路組成電壓比較器輸出數(shù)字量輸入模擬電壓精密電阻網(wǎng)絡(luò)精密參考電壓并行比較型AD轉(zhuǎn)換器的輸入輸出關(guān)系模擬量輸出

比較器輸出狀態(tài)

數(shù)字輸出C07

C06

CO5CO4

CO3

CO2

CO1D2

D1

D00≤uI<VREF/150000000000VREF/15≤uI<3VREF/1500000010013VREF/15≤uI<5VREF/1500000110105VREF/15≤uI<7VREF/1500001110117VREF/15≤uI<9VREF/1500011111009VREF/15≤uI<11VREF/15001111110111VREF/15≤uI<13VREF/15011111111013VREF/15≤uI<VREF1111111111

單片集成并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品很多，如美國ADI公司的AD9012（8位）、AD9002（8位）和AD9020（10位）等。

并行A/D轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)：（1）轉(zhuǎn)換速度最快。(只受比較器、觸發(fā)器和編碼電路延遲時(shí)間限制)（2）隨著分辨率的提高,元件數(shù)目要按幾何級(jí)數(shù)增加。一個(gè)n位轉(zhuǎn)換器，所用的比較器個(gè)數(shù)為2n－1，如8位的并行A/D轉(zhuǎn)換器就需要28－1=255個(gè)比較器。由于位數(shù)愈多，電路愈復(fù)雜，因此制成分辨率較高的集成并行A/D轉(zhuǎn)換器是比較困難的。（3）可以不用取樣－保持電路。使用這種含有寄存器的并行A/D轉(zhuǎn)換電路時(shí)，因?yàn)楸容^器和寄存器這兩部分也兼有取樣－保持功能。這也是該電路的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。8.3.3逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器所加砝碼重量

結(jié)果

操作

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(cè)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(cè)重量Wx

，4克砝碼保留12克第三次再加2克砝碼總重>待測(cè)重量Wx

，2克砝碼撤除12克第四次再加1克砝碼總重＝待測(cè)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。1.轉(zhuǎn)換原理

先將FA、FB、FC置零F1~F5置成[Q1Q2Q3Q4Q5]=10000狀態(tài)。VL變成高電平以后，轉(zhuǎn)換開始。第一個(gè)CP脈沖到達(dá)后，F(xiàn)A被置成“1”，而FB、FC被置成“0”。1.轉(zhuǎn)換原理

若VI>VA,VB=0,若VI<VA,VB=1,QA為0.同時(shí)寄存器變?yōu)?1000態(tài)

第二個(gè)CP脈沖到達(dá)時(shí)FB被置成1。若原來的若VI>VA,VB=0,QA保持1;若VI<VA,VB=1,QA為0.同時(shí)寄存器變?yōu)?0100態(tài)。第三個(gè)CP脈沖到達(dá)時(shí)FC被置成1。若原來的若VI>VA,VB=0,QB保持1;若VI<VA,VB=1,QB為0.同時(shí)同時(shí)移位寄存器右移一位，變成00010狀態(tài)。1.轉(zhuǎn)換原理1.轉(zhuǎn)換原理

第四個(gè)CP到達(dá)時(shí)，根據(jù)這時(shí)VB的狀態(tài)決定FC的“1”是否應(yīng)當(dāng)保留。這時(shí)FA、FB、FC的狀態(tài)就是所要的轉(zhuǎn)換結(jié)果。同時(shí)，移位寄存器右移一位，變?yōu)?0001狀態(tài)。由于Q5=1，于是FA、FB、FC的狀態(tài)便通過門G6、G7、G8送到了輸出端。第五個(gè)CP到達(dá)后，移位寄存器右移一位，使得[Q1Q2Q3Q4Q5]=10000，返回初始狀態(tài)。同時(shí)，由于Q5=0，門G6、G7、G8被封鎖，轉(zhuǎn)換輸出信號(hào)隨之消失。本電路要(n+2)TCP完成一次轉(zhuǎn)換特點(diǎn)：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；2.逐次逼近型集成A/D轉(zhuǎn)換器ADC08098.3.4雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器1.雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理轉(zhuǎn)換開始前，先將計(jì)數(shù)器清零，并接通S0使電容C完全放電。轉(zhuǎn)換開始，斷開S0。整個(gè)轉(zhuǎn)換過程分兩階段進(jìn)行。第一次積分，令開關(guān)S1置于輸入信號(hào)VI一側(cè)。積分器對(duì)VI進(jìn)行固定時(shí)間T1的積分。積分結(jié)束時(shí)積分器的輸出電壓為：這一過程稱為采樣過程。開始時(shí)，控制電路將計(jì)數(shù)門打開，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到滿量程N(yùn)時(shí)，計(jì)數(shù)器由全“1”復(fù)“0”，這個(gè)時(shí)間正好等于固定的積分時(shí)間T1。計(jì)數(shù)器復(fù)“0”時(shí)，同時(shí)給出一個(gè)溢出脈沖（即進(jìn)位脈沖）使控制邏輯電路發(fā)出信號(hào)，令開關(guān)S1轉(zhuǎn)換至參考電壓-VREF一側(cè)，采樣階段結(jié)束。

第二次積分，將VO1轉(zhuǎn)換為成比例的時(shí)間間隔。因參考電壓-VREF的極性與VI相反，積分器向相反方向積分。計(jì)數(shù)器由0開始計(jì)數(shù)，經(jīng)過T2時(shí)間，積分器輸出電壓回升為零，過零比較器輸出低電平，關(guān)閉計(jì)數(shù)門，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，同時(shí)通過邏輯控制電路使開關(guān)S1與VI相接，重復(fù)第一步。T1=N1TCP

T2=DTCP

計(jì)數(shù)器中的數(shù)值就是A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后數(shù)字量，至此即完成了VT轉(zhuǎn)換。解：雙積分ADC電路的一次積分時(shí)間T1是固定的，二次積分時(shí)間T2是可變的。當(dāng)T1=T2時(shí)，完成一次轉(zhuǎn)換的時(shí)間最長。因此，最長轉(zhuǎn)換時(shí)間為：當(dāng)VA=3V時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間為：輸出數(shù)字量D為：例8.3.1

設(shè)10位雙積分ADC的始終頻率fCP為10KHz，則完成一次轉(zhuǎn)換的最長時(shí)間為多少？若輸入模擬電壓VA=3V，試求轉(zhuǎn)換時(shí)間和數(shù)字量輸出D各為多少？雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)：1.由于轉(zhuǎn)換結(jié)果與時(shí)間常數(shù)RC無關(guān)，從而消除了積分非線性帶來的誤差。2.由于雙積分A/D轉(zhuǎn)換器在T1時(shí)間內(nèi)采的是輸入電壓的平均值，因此具有很強(qiáng)的抗工頻干擾的能力。3.只要求時(shí)鐘源在一個(gè)轉(zhuǎn)換周期時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定即可。T1=N1TCP

T2=DTCP

2.集成雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器

集成雙積分型ADC品種有很多，大致分成二進(jìn)制輸出和BCD碼輸出兩大類。BCD碼雙積分型ADC框圖8.3.5A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)1.轉(zhuǎn)換精度

單片集成A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述的。(1)分辨率:

說明A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的分辨能力。通常以輸出二進(jìn)制(或十進(jìn)制)數(shù)的位數(shù)表示。(2)