第8章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換.ppt

1、數(shù)字電子技術(shù)第八章數(shù)/模計(jì)程儀和模計(jì)程儀/數(shù)字轉(zhuǎn)換，范立南代紅艷恩莉劉明丹中國水利水電出版社，第八章數(shù)/模計(jì)程儀和模計(jì)程儀/數(shù)字轉(zhuǎn)換，8.1 DAC 8.2 ADC，應(yīng)用于圖8 - 1A/D，D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字系統(tǒng)DAC電路應(yīng)用于n二進(jìn)制位的二進(jìn)制數(shù)字信息B(Bn-1 ) B1，B0 )，其最下位(LSB )的B0和最上位(MSB )的Bn-1的權(quán)重分別為20和2n-1，在圖8 - 2中顯示了DAC分塊圖。 當(dāng)n=3時(shí)，DAC電路變換的輸出和輸入轉(zhuǎn)換特性被作為步進(jìn)波形輸出，如圖8 - 3所示。 圖8 - 2DAC分塊圖、圖8-3的轉(zhuǎn)換特性、2 .分辨率、分辨率即n越大，DAC的極限分辨率越高(

2、極限分辨率越小)。 例如，在n=10的情況下，DAC極限分辨率=； 當(dāng)n=11時(shí)，DAC極限分辨率。 3 .精度，(1)非線性誤差：這是由于電子開關(guān)導(dǎo)通的電壓降和電阻網(wǎng)絡(luò)電阻值的偏差，大多用滿刻度的百分比表示。 (2)比例系數(shù)誤差：這是由參照電壓UR的偏差引起的誤差，也用滿刻度的百分率表示。 (3)漂移誤差：由集成商品發(fā)貨漂移引起的誤差。 男同志的變化也會引起男同志誤差。 (4)轉(zhuǎn)換時(shí)間：也稱為輸出確立時(shí)間。 輸入數(shù)字信號后，輸出電壓和電流達(dá)到穩(wěn)定值所需的時(shí)間。8.1.2 DAC的電路形式和動作原理、1 .字體粗細(xì)電阻、圖8 4字體粗細(xì)電阻DAC電路，在輸入了二進(jìn)制數(shù)字的某一個二進(jìn)制位Bi=1

3、時(shí)，開關(guān)Si與基準(zhǔn)電壓UR連接，在這時(shí)對應(yīng)的電阻Ri分支電路上產(chǎn)生電流，在Bi=0時(shí)，將輸出電壓代入如果輸入8二進(jìn)制位的二進(jìn)制數(shù)字為11001011，則輸出電壓為2 .倒t型網(wǎng)絡(luò)DAC、圖8r-2r倒t型網(wǎng)絡(luò)DAC電路、運(yùn)算放大器的輸出電壓為RF=bi=0時(shí)，開關(guān)接地。 因此，若放大至n個二進(jìn)制位，則成為8.1.3集成DAC、圖8 - 7AD7520的讀取圖、圖8 - 7是AD7520的讀取圖。 D0D9是10個數(shù)字控制二進(jìn)制位，控制內(nèi)部CMOS的電流開關(guān)。 IO1和IO2是電流輸出端子。 Rf端子是反饋電阻Rf的一個引出端子，另一個引出端子和IO1端子連接。 UREF引腳是基準(zhǔn)電壓輸入引腳。

4、 UDD終止電源的正極端子。 GND引腳是接地片。8.2ADC、8.2.1ADC的組成、1. ADC的兩個組成部分及其作用、圖8 - 8ADC的組成部分、(1)采樣保持電路。 采樣開關(guān)s的控制信號CPs的頻率fs的等式fs2f imax(fimax是輸入電壓頻譜中最高的頻率)即周期Ts較小，且采樣時(shí)間必須比Ts小幾倍，該等式在采樣保持后無失真地輸入輸入電壓這個公式稱為取樣定理。 圖8 9的采樣保持之前和之后的波形的示例、圖8 10的采樣保持電路的原理圖、(2)量化和編碼電路。 另外，采樣保持電路的輸出信號呈階梯狀，但其階梯寬度連續(xù)地可變，有無限多個數(shù)值，不能對應(yīng)n二進(jìn)制位的有限的2n個數(shù)字電容

5、輸出x。 因此，取樣后的值必須限定某一定數(shù)目的離散層級，并且以某種方式將兩個離散層級之間的取樣值匯總為這些個兩個離散層級中的一者。 將這種振幅匯總的方式和過程稱為“量化”。 所述量化有限整型數(shù)據(jù)與一組n個二進(jìn)制位數(shù)字編碼(例如，二進(jìn)制代碼、BCD查詢密碼或Gray查詢密碼)相關(guān)聯(lián)以形成數(shù)字量且數(shù)字編碼表示經(jīng)量化振幅的過程稱為“編碼”。 2 .量化方法和量化誤差，并且不能僅丟棄方法(1)。 輸入uI是兩個相鄰的量化值之間，即，(k )是整數(shù)，并且(2)是四舍五入法。 uI尾數(shù)不足時(shí)，舍入法得到其量化值的uI尾數(shù)為以上時(shí)，輸入整數(shù)。例如，在已知的s=1V、uI=2.1V的情況下，uI=2V； uI

6、=2.7V時(shí)。 另外，圖8 11的兩種量化方法的比較，8.2.2ADC電路、1.2積分ADC、2積分ADC也稱為雙斜率ADC，是間接方法的一種，在將模擬計(jì)程儀電壓uI變換為與其大小對應(yīng)的時(shí)間t之后，在時(shí)間間隔t內(nèi)由計(jì)數(shù)器對固定頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)，并使用計(jì)數(shù)器對圖8 12雙積分A/D電路原理圖，圖8 13雙積分ADC動作波形，(1)采樣階段：通過星空衛(wèi)視脈沖，將全部觸發(fā)器定徑套0。 因?yàn)镼n=0，所以開關(guān)s被連接到輸入信號uI，并開始A/D轉(zhuǎn)換。 當(dāng)uI與積分儀的輸入端子相加時(shí)，積分儀積分uI，并且輸出積分后的uI作為方程中的=RC，積分時(shí)間常數(shù)。根據(jù)uA0，零交叉比較器輸出UC=1，g男同性戀打開，

7、n二進(jìn)制位的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器從0開始計(jì)數(shù)，此時(shí)，觸發(fā)器F0Fn-1全部返回0，觸發(fā)器Fn從0觸發(fā)1，Qn=1，開關(guān)s成為基準(zhǔn)電源比較階段：在開關(guān)s向基準(zhǔn)電源-UR傳送后，積分儀輸出積分-UR的積分儀，在成為uA0時(shí)，成塊搖滾樂過零比較器輸出UC=0、g男同性戀，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。 此時(shí)，假定在計(jì)數(shù)器中記錄有n個脈沖，則代入上式而求出2 .逐次近似式ADC、圖8的4二進(jìn)制位逐次近似型A/D轉(zhuǎn)換器的原理分塊圖、表8的輸出和輸入數(shù)字的關(guān)系、D/A轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓UR=8V、采樣保持信號電壓u首先如果將JK觸發(fā)器的狀態(tài)設(shè)為QDQCQBQA=1000，則D/A轉(zhuǎn)換器輸出基準(zhǔn)電壓(參照表8-1 )。 因此，比較

8、器輸出F=1，G=0。 因此，各級觸發(fā)器的J=1，K=0。 接著，若觸節(jié)脈沖CP1到來，則其下降跳過將JK觸發(fā)器d設(shè)為觸發(fā)QD=1，并且CP1將觸發(fā)器c設(shè)為1。 因此，在CP1工作之后，JK觸發(fā)器的狀態(tài)為QDQCQBQA=1100。 D/A轉(zhuǎn)換器輸出基準(zhǔn)電壓。 因此，比較器輸出F=1，G=0。 因此，各級觸發(fā)器的J=1，K=0。 CP1作用結(jié)束后，CP2節(jié)拍脈沖到來，其下沿觸發(fā)JK觸發(fā)c，QC=1。 CP2將觸發(fā)器b置于1作為云同步。 因此，在CP2工作之后，JK觸發(fā)器的狀態(tài)為QDQCQBQA=1110。 D/A轉(zhuǎn)換器輸出基準(zhǔn)電壓。 因此，比較器輸出F=0，G=1。 因此，各級觸發(fā)器的J=0、

9、K=1。 當(dāng)CP2作用終止時(shí)，CP3觸發(fā)脈沖到來，其下沿觸發(fā)JK觸發(fā)b，QB=0。 CP3將觸發(fā)器a置于1作為云同步。 因此，通過CP3，JK觸發(fā)器的狀態(tài)為QDQCQBQA=1101。 D/A轉(zhuǎn)換器輸出基準(zhǔn)電壓。 因此，比較器輸出F=0，G=1。 因此，各級觸發(fā)器的J=0、K=1。 另外，當(dāng)CP3作用完成時(shí)，CP4觸發(fā)脈沖到來，其下行啤酒花觸發(fā)JK觸發(fā)a，QA=0，JK觸發(fā)的狀態(tài)為QDQCQBQA=1100。 CP4節(jié)拍脈沖的上升沿觸發(fā)棧內(nèi)存中的各d觸發(fā)器，并將JK觸發(fā)器狀態(tài)1100存儲在棧內(nèi)存中。 棧內(nèi)存的輸出D3D2D1D0=1100是輸入模擬計(jì)程儀電壓uI=6.25V的二進(jìn)制代碼。 暫存

10、器輸出殘奧電平二進(jìn)制代碼。 由以上解析可知，比較器f側(cè)正好依次輸出1100串行輸出的二進(jìn)制代碼。 3、并聯(lián)比較型電路、圖8 - 16二進(jìn)制位二進(jìn)制數(shù)字的并聯(lián)比較型ADC電路、輸入模擬計(jì)程儀電壓的范圍uI=08V、uIm=8V； 輸出3位的二進(jìn)制代碼(n=3)。 采用四舍五入的量化方式，對間隔進(jìn)行量化。 量化比例由電阻分壓器形成各分辨率值，作為各比較儀C1C7的比較基準(zhǔn)電平。 對于由四舍五入法進(jìn)行量化，應(yīng)當(dāng)取初始比較儀的基準(zhǔn)電平。 采樣保持后的輸入電壓uI與這些個的分辨率值進(jìn)行比較，在uI比比較基準(zhǔn)電平大的情況下，比較器輸出1電平，相反地，通過輸出0電平，從而各比較器的輸出電平的狀態(tài)對應(yīng)于輸入電

11、壓量化后的值。 各比較器的輸出被并行傳送到由d觸發(fā)器構(gòu)成的暫存器，比較器的輸出經(jīng)由編碼電路被轉(zhuǎn)換為3二進(jìn)制位的二進(jìn)制代碼x2x1x0。 輸入電壓和查詢密碼的對應(yīng)關(guān)系如表8 - 2所示。 表8 2輸入電壓和查詢密碼的對應(yīng)關(guān)系，8.2.3ADC的主要技術(shù)指標(biāo)，1 .極限分辨率，極限分辨率是指ADC對輸入天線計(jì)程儀信號的極限分辨率。理論上，一個n二進(jìn)制位二進(jìn)制數(shù)字輸出ADC可以區(qū)分輸入天線計(jì)程儀電壓的2n個不同數(shù)量級，并且能夠區(qū)分輸入天線計(jì)程儀電壓的最小值是全尺度輸入的1/2n。 在最大輸入電壓的時(shí)間節(jié)點(diǎn)中，量化單元隨著輸出二進(jìn)制位的數(shù)目的增加而減小，并且極限分辨率增加。 例如，ADC輸出被提供有8個二進(jìn)制位的二進(jìn)制數(shù)字，輸入信號的最大值是5V，其極限分辨率是極限分辨率，2 .轉(zhuǎn)換誤差和轉(zhuǎn)換誤差通常被提供為輸出誤差的最大值。 表示ADC實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量的差，多以最低位二進(jìn)制位的倍數(shù)表示。 所給定的相對誤差量小于或等于LSB/2時(shí)，表示實(shí)際輸出的數(shù)字信號量與理論上要獲得的輸出數(shù)字信號量之間的誤差小于或等于最低的半個字。 3 .轉(zhuǎn)換速度、轉(zhuǎn)換時(shí)間是指ADC從轉(zhuǎn)換信號的到來開始到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號為止的經(jīng)過時(shí)間。 這個時(shí)間取決于電路變換的類型。 轉(zhuǎn)換速度大不相同的轉(zhuǎn)換器。 殘奧電平ADC轉(zhuǎn)換速度最高，8二進(jìn)制位二進(jìn)制輸出的單別致的A