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1、第7章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器,數(shù)模轉(zhuǎn)換即將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬電量(電壓或電流)，使輸出的模擬電量與輸入的數(shù)字量成正比。,實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路稱(chēng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器,Digital - Analog Converter，簡(jiǎn)稱(chēng) D/A 轉(zhuǎn)換器或 DAC。,模數(shù)轉(zhuǎn)換即將模擬電量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，使輸出的數(shù)字量與輸入的模擬電量成正比。,實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路稱(chēng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器,Analog - Digital Converter，簡(jiǎn)稱(chēng) A/D 轉(zhuǎn)換器或 ADC。,一、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換的概念和作用,為何要進(jìn)行數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換？,二、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例,7.1 D/A轉(zhuǎn)換器,主要要求：,了解數(shù)模轉(zhuǎn)換的基本原理。,了解常用 D/A 轉(zhuǎn)換

2、器的類(lèi)型和主要參數(shù)。,了解 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，T 形電阻網(wǎng)絡(luò) D/A 轉(zhuǎn)換器的電路與工作原理。,7.1.1 D/A轉(zhuǎn)換器的原理,輸出模擬電壓 uO = D = (Dn-1 2n-1 + Dn-2 2n-2 + + D1 21 + D0 20 ),可見(jiàn)，uO D，uO 的大小反映了數(shù)字量 D 的大小。,LSB Least Significant Bit,輸入數(shù)字量 D = (Dn-1 Dn-2 D1 D0 ) 2 = Dn-1 2n-1 + Dn-2 2n-2 + + D1 21 + D0 20, 是 DAC 能輸出的最小電壓值，稱(chēng)為 DAC 的量化單位，它等于 D 最低位(LSB)為 1

3、、其余各位均為 0 時(shí)的模擬輸出電壓(用 ULSB 表示)。,2.數(shù)模轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成,圖7-2 n位D/A轉(zhuǎn)換器方框圖,7.1.2 D/A轉(zhuǎn)換器主要的幾種電路實(shí)現(xiàn)形式,1.二進(jìn)制權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器,圖7-3 4位二進(jìn)制D/A轉(zhuǎn)換器方框電路圖,優(yōu)缺點(diǎn)： 1. 優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單 2. 缺點(diǎn)：電阻值相差大，難于保證精度，且大電阻不宜于集成在IC內(nèi)部,2. T形電阻網(wǎng)絡(luò) D/A轉(zhuǎn)換器,T形電阻網(wǎng)絡(luò) D/A轉(zhuǎn)換器電路,輸出： 其中： 為任意值時(shí)D點(diǎn)的電壓值： ?。?T形電阻網(wǎng)絡(luò) D/A轉(zhuǎn)換器特點(diǎn),3. R-2R倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器,圖7-6 R - 2R 倒 T 形電阻網(wǎng)絡(luò) D/A轉(zhuǎn)換器電路組成圖,模

4、擬開(kāi)關(guān) Si 打向“1”側(cè)時(shí)，相應(yīng) 2R 支路接虛地；打向“0”側(cè)時(shí)，相應(yīng) 2R 支路接地。,3. R-2R倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器,圖7-6 R - 2R 倒 T 形電阻網(wǎng)絡(luò) D/A轉(zhuǎn)換器電路組成圖,從 A、B、C 節(jié)點(diǎn)向右看去，各節(jié)點(diǎn)對(duì)地的等效電阻均為 2R。,電路特點(diǎn)：,解碼網(wǎng)絡(luò)僅有R和2R兩種規(guī)格的電阻，這對(duì)于集成工藝是相當(dāng)有利的； 這種倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)各支路的電流是直接加到運(yùn)算放大器的輸入端，它們之間不存在傳輸上的時(shí)間差，故該電路具有較高的工作速度。因此，這種形式的D/A目前被廣泛的采用。,7.1.3 D/A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo),1. 分辨率,指 D/A 轉(zhuǎn)換器模擬輸出所能產(chǎn)生的最小電壓

5、變化量與滿(mǎn)刻度輸出電壓之比。,例如，一個(gè) 10 位的 DAC，分辨率為 0.000 978。,DAC 的位數(shù)越多，分辨率值就越小， 能分辨的最小輸出電壓值也越小。,2. 轉(zhuǎn)換精度與誤差,指 DAC 實(shí)際輸出模擬電壓與理想輸出模擬電壓間的最大誤差。,（1）造成轉(zhuǎn)換誤差的主要原因 ：,運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移 漂移誤差,模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通內(nèi)阻和導(dǎo)通電壓,電阻網(wǎng)絡(luò)中的電阻值偏差等,非線(xiàn)性誤差,參考電壓 VREF的波動(dòng) 比例系數(shù)誤差,3. 建立時(shí)間,當(dāng)DAC輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時(shí)，輸出的模擬量需要延遲一段時(shí)間后才能達(dá)到對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值，如圖示。,建立時(shí)間 tSet ：,輸入由全0變?yōu)槿?，輸出電壓與穩(wěn)態(tài)值相差（L

6、SB/2)所需的時(shí)間。,一般DAC的 tset 0. 1s 。,這個(gè)參數(shù)的值越小越好 ，,4.溫度靈敏度 5.電源靈敏度 6.輸出電平 7.轉(zhuǎn)換輸出信號(hào)的極性及形式 D/A轉(zhuǎn)換器的輸出信號(hào)有電流輸出和電壓輸出兩種形式。 對(duì)電流輸出的D/A轉(zhuǎn)換器，經(jīng)常需要外接運(yùn)放將電流轉(zhuǎn)換為電壓的形式輸出。,7.2 A/D轉(zhuǎn)換器,7.2.1 A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理,采樣：把時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)變換為時(shí)間離散的信號(hào)。 保持：保持采樣信號(hào)，使有充分時(shí)間轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。 量化：把采樣保持電路的輸出信號(hào)用單位量化電壓的 整數(shù)倍表示。 編碼：把量化的結(jié)果用二進(jìn)制代碼表示。,(1)采樣保持電路,(a) A/D的采樣保持電路原

7、理圖 (b) 波形圖 圖7-11 A/D的采樣保持電路原理圖及信號(hào)波形圖,(2)量化編碼電路,量化方式和量化誤差,只舍不入法 四舍五入法,最大量化誤差 = = (1/8)V,最大量化誤差 = /2 = (1/15)V,劃分量化電平的兩種方法,7.2.2 A/D轉(zhuǎn)換器主要的幾種電路實(shí)現(xiàn)形式,1.并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器,表7-1 ui為不同等級(jí)時(shí)寄存器的狀態(tài)及相應(yīng)的輸出二進(jìn)制數(shù),2.逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換開(kāi)始前先將所有寄存器清零。開(kāi)始轉(zhuǎn)換以后，時(shí)鐘脈沖首先將寄存器最高位置成1，使輸出數(shù)字為1000。這個(gè)數(shù)碼被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓uo，送到比較器中與ui進(jìn)行比較。若uiuo，說(shuō)明數(shù)

8、字還不夠大，應(yīng)將這一位保留。然后，再按同樣的方式將次高位置成1，并且經(jīng)過(guò)比較以后確定這個(gè)1是否應(yīng)該保留。這樣逐位比較下去，一直到最低位為止。比較完畢后，寄存器中的狀態(tài)就是所要求的數(shù)字量輸出。,原理框圖,基本原理,3位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換開(kāi)始前，先使Q1=Q2=Q3=Q4=0，Q5=1，第一個(gè)CP到來(lái)后，Q1=1，Q2=Q3=Q4=Q5=0，于是FFA被置1，F(xiàn)FB和FFC被置0。這時(shí)加到D/A轉(zhuǎn)換器輸入端的代碼為100，并在D/A轉(zhuǎn)換器的輸出端得到相應(yīng)的模擬電壓輸出uo。uo和ui在比較器中比較，當(dāng)若uiuo時(shí)，比較器輸出uc=1；當(dāng)uiuo時(shí)，uc=0。 第二個(gè)CP到來(lái)后，環(huán)形計(jì)數(shù)器

9、右移一位，變成Q2=1，Q1=Q3=Q4=Q5=0，這時(shí)門(mén)G1打開(kāi)，若原來(lái)uc=1，則FFA被置0，若原來(lái)uc=0，則FFA的1狀態(tài)保留。與此同時(shí)，Q2的高電平將FFB置1。 第三個(gè)CP到來(lái)后，環(huán)形計(jì)數(shù)器又右移一位，一方面將FFC置1，同時(shí)將門(mén)G2打開(kāi)，并根據(jù)比較器的輸出決定FFB的1狀態(tài)是否應(yīng)該保留。 第四個(gè)CP到來(lái)后，環(huán)形計(jì)數(shù)器Q4=1，Q1=Q2=Q3=Q5=0，門(mén)G3打開(kāi)，根據(jù)比較器的輸出決定FFC的1狀態(tài)是否應(yīng)該保留。 第五個(gè)CP到來(lái)后，環(huán)形計(jì)數(shù)器Q5=1，Q1=Q2=Q3=Q4=0，F(xiàn)FA、FFB、FFC的狀態(tài)作為轉(zhuǎn)換結(jié)果，通過(guò)門(mén)G6、G7、G8送出。,工作原理,逐次逼近型A/D的

10、特點(diǎn),1、n位逐次漸近型A/D完成一次轉(zhuǎn)換需進(jìn)行n次比較，經(jīng)n+2個(gè)時(shí)鐘脈沖，即轉(zhuǎn)換一次所需時(shí)間固定，為(n+2)Tcp，屬于中速A/D。 2、由于轉(zhuǎn)換所需時(shí)間不隨輸入的改變，可采用定時(shí)查詢(xún)的方式讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。 3、電路簡(jiǎn)單，成本較低。 4、屬于逐次漸近型轉(zhuǎn)換方式的集成A/D有： ADC0801、ADC0809、AD571、AD5770等。,3.雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器,雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器邏輯電路圖,雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器優(yōu)缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)1：抗干擾能力強(qiáng)。積分采樣對(duì)交流噪聲有很強(qiáng)的抑制能力；如果選擇采樣時(shí)間為20ms的整數(shù)倍時(shí)，則可有效地抑制工頻干擾。 優(yōu)點(diǎn)2：具有良好的穩(wěn)定性，可實(shí)現(xiàn)高精度。由于在轉(zhuǎn)

11、換過(guò)程中通過(guò)兩次積分把和之比變成了兩次計(jì)數(shù)值之比，故轉(zhuǎn)換結(jié)果和精度與R、C無(wú)關(guān)。 缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度較慢。完成一次A/D轉(zhuǎn)換至少需要（ ）時(shí)間，每秒鐘一般只能轉(zhuǎn)換幾次到十幾次。因此它多用于精度要求高、抗干擾能力強(qiáng)而轉(zhuǎn)換速度要求不高的場(chǎng)合。,7.2.3 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo),1.分辨率 分辨率是指A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的最低位變化一個(gè)數(shù)碼時(shí)，對(duì)應(yīng)輸入模擬量的變化量。通常以ADC輸出數(shù)字量的位數(shù)表示分辨率的高低，因?yàn)槲粩?shù)越多，量化單位就越小，對(duì)輸入信號(hào)的分辨能力也就越高。 例如，輸入模擬電壓滿(mǎn)量程為10V，若用8位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時(shí)，其分辨率為10V/28316mV，10位的A/D轉(zhuǎn)換器是16.

12、76mV，而12位的ADC為2.44mV。 2.相對(duì)精度 相對(duì)精度表示A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量與理論上的輸出數(shù)字量之間的差別。通常以輸出誤差的最大值形式給出。 相對(duì)精度也叫轉(zhuǎn)換誤差或相對(duì)誤差。相對(duì)精度常用最低有效位的倍數(shù)表示。 例如某ADC的相對(duì)精度為(1/2)LSB，這說(shuō)明理論上應(yīng)輸出的數(shù)字量與實(shí)際輸出的數(shù)字量之間的誤差不大于最低位為的一半。,3.轉(zhuǎn)換速度 完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間叫做轉(zhuǎn)換時(shí)間，轉(zhuǎn)換時(shí)間越短，則轉(zhuǎn)換速度越快。雙積分A/D的轉(zhuǎn)換時(shí)間在幾十毫秒至幾百毫秒之間；逐次比較型A/D的轉(zhuǎn)換時(shí)間大都在1050s之間；并聯(lián)比較型A/D的轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)10ns。,7.3 集成D/A、A

13、/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例,7.3.1集成D/A應(yīng)用舉例,圖7-18 集成 D/A 轉(zhuǎn)換器 CDA7524原理框圖,圖7-19 CDA7524 的單極性輸出應(yīng)用電路圖,圖7-20 DAC0832的內(nèi)部組成框圖,2. D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832,圖7-21 DAC0832中的D/A轉(zhuǎn)換電路,圖7-22 DAC0832的雙極性工作電路,(a) 連線(xiàn)圖 (b) 時(shí)序圖 圖 7-23 DAC0832雙緩沖工作方式連續(xù)圖和時(shí)序圖,DAC0832的工作方式,ADC08016 邏輯電路,ADC08016引腳圖,7.3 集成A/D應(yīng)用舉例,本章小結(jié),D/A轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器作為模擬量和數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換電路，在信號(hào)檢

14、測(cè)、控制、信息處理等方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。 D/A轉(zhuǎn)換的基本思想是權(quán)電流相加。電路通過(guò)輸入的數(shù)字量控制各位電子開(kāi)關(guān)，決定是否在電流求和點(diǎn)加入該位的權(quán)電流。倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)用較廣的電路結(jié)構(gòu)。 A/D轉(zhuǎn)換須經(jīng)過(guò)采樣、保持、量化、編碼四個(gè)步驟才能完成。采樣、保持由采樣保持電路完成；量化和編碼須在轉(zhuǎn)換過(guò)程中實(shí)現(xiàn)。逐次比較型A/D是將輸入模擬信號(hào)和D/A依次產(chǎn)生的比較電壓逐次比較。雙積分型A/D則是通過(guò)兩次積分，將輸入模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成正比的時(shí)間間隔，并在該時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的。 可供我們選擇使用的集成ADC和DAC芯片種類(lèi)很多，應(yīng)通過(guò)查閱手冊(cè)，在理解其工作原理的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)把握這些芯片的外部特性以及與其它電路的接口方法。,Thank you!,,