第十一章 數(shù)-模（D/A）和 模-數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換,11.1 概述 一、用途及要求,傳感器,放大器,A/D 轉(zhuǎn)換,微型計(jì)算機(jī),控制 對(duì)象,D/A 轉(zhuǎn)換,！精度 ！速度,執(zhí)行機(jī)構(gòu),二、分類,11.2 D/A轉(zhuǎn)換器,D 111101,D/A,A(電壓 或 電流) ？,11.2.1 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器 一、電路結(jié)構(gòu)和工作原理,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,11.2.2 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC,希望用較少類型的電阻，仍然能得到一系列權(quán)電流,R,R,R,R,11.2.3權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器 1.電路組成 下圖所示為四位權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖。它由權(quán)電流I/16、I/8、I/4、I/2,電子模擬開關(guān)S0、S1、S2、S3,基準(zhǔn)電壓UREF及求和運(yùn)算放大器組成。 電子模擬開關(guān)S0S3受輸入數(shù)字信號(hào)d0d3控制,如果第i位數(shù)字信號(hào)di=1,則相應(yīng)的開關(guān)Si將權(quán)電流源接至運(yùn)算放大器的反相輸入端；若di=0,其相應(yīng)的開關(guān)將電流源接地。,權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器,恒電流源電路經(jīng)常使用如圖所示的電路結(jié)構(gòu)形式。只要在電路工作時(shí)UB和UEE穩(wěn)定不變,則三極管的集電極電流可保持恒定,不受開關(guān)內(nèi)阻的影響。電流的大小近似為,權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器中的電流源,2.工作原理 在權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器中,有一組恒電流源,每個(gè)恒電流源的大小依次為前一個(gè)的1/2,和二進(jìn)制輸入代碼對(duì)應(yīng)的權(quán)成正比。 輸出電壓為,可見,輸出電壓u0正比于輸入的數(shù)字量,實(shí)現(xiàn)了數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器各支路電流的疊加方法與傳輸方式和R2R倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器相同,因而也具有轉(zhuǎn)換速度快的特點(diǎn)。此外,由于采用了恒流源,每個(gè)支路電流的大小不再受開關(guān)內(nèi)阻和壓降的影響,從而降低了對(duì)開關(guān)電路的要求。,采用具有電流負(fù)反饋的BJT恒流源電路的權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器：,由倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)分析可知，IE3=I/2，IE2=I/4，IE1=I/8，IE0=I/16，于是可得輸出電壓為,可推得n位倒T形權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓：,基準(zhǔn)電流：,四 D/A轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例,DAC0808是8位權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器，其中D0D7是數(shù)字量輸入端。 用這類器件構(gòu)成的D/A轉(zhuǎn)換器時(shí)，需要外接運(yùn)算放大器和產(chǎn)生基準(zhǔn)電流用的電阻R1。,當(dāng)VREF=10V、 R1=5k、 Rf=5k時(shí)， 輸出電壓為：,DAC0808 D/A轉(zhuǎn)換器輸出與輸入的關(guān)系（ 設(shè)VREF=10V）,11.2.6 具有雙極性輸出的DAC 當(dāng)輸入數(shù)字量有極性時(shí)， 希望輸出的模擬電壓也對(duì)應(yīng)為。 一、原理 例：輸入為3位二進(jìn)制補(bǔ)碼。最高位為符號(hào)位，正數(shù)為0，負(fù)數(shù)為1,*將符號(hào)位反相后接至高位輸入 *將輸出偏移使輸入為100時(shí)，輸出為0,1,二、電路實(shí)現(xiàn),*將符號(hào)位反相后接至高位輸入 *將輸出偏移使輸入為100時(shí)，輸出為0,11.2.7 DAC的轉(zhuǎn)換精度與速度,一、轉(zhuǎn)換精度 分辨率（理論精度） 用輸入數(shù)字量的二進(jìn)制數(shù)碼位數(shù)給出 n位DAC,應(yīng)能輸出0 2n-1個(gè)不同的等級(jí)電壓，區(qū)分出輸入的000到111， 2n-1個(gè)不同狀態(tài) 分辨率= 2. 轉(zhuǎn)換誤差（實(shí)際精度） 用最低有效位的倍數(shù)來(lái)表示 有時(shí)也用絕對(duì)誤差與輸出電壓滿刻度的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示,二、誤差分析,二 轉(zhuǎn)換速度,用完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間建立時(shí)間tset來(lái)衡量。,建立時(shí)間：從輸入信號(hào)變化開始到輸出電壓進(jìn)入與穩(wěn)態(tài)值相差 1/2LSB范圍以內(nèi)的時(shí)間。,輸入信號(hào)由全0變?yōu)槿?所需時(shí)間最長(zhǎng)。,采用轉(zhuǎn)換速率快的運(yùn)算放大器，可以縮短建立時(shí)間。,D 111101,A/D,A(電壓 或 電流)？,11.3 A/D轉(zhuǎn)換器 11.3.1 A/D轉(zhuǎn)換的基本原理 輸入連續(xù)變化電壓，輸出為不連 續(xù)的數(shù)字量,在實(shí)際的取樣保持電路中有一個(gè)取樣控制信號(hào)，它的頻率就是取樣信號(hào)頻率。,二、量化和編碼 量化：將采樣電壓表示為最小數(shù)量單位（）的整數(shù)倍 編碼：將量化的結(jié)果用代碼表示出來(lái)（二進(jìn)制，二-十進(jìn)制） 量化誤差：當(dāng)采樣電壓不能被整除時(shí)，將引入量化誤差,11.3.2 抽樣保持電路,！加大輸入電阻 ！減小輸出電阻 ！Av=1,集成取樣保持電路LF198,調(diào)零,輸入模擬電壓,取樣控制信號(hào),外接保持電容,在取樣階段，開關(guān)S接通，運(yùn)放AI,A2構(gòu)成兩級(jí)電壓跟隨器,在保持階段，S斷開，電容CH上電荷保持不變，使輸出電壓 保持不變。,二極管D1,D2和電阻R1構(gòu)成保護(hù)電路。,在取樣階段，S接通，D1,D2截止，保護(hù)電路不起作用。,在保持階段，S斷開， 保持不變；但 在變，使 達(dá)到正（負(fù)）最大值，使開關(guān)S承受過(guò)高的電壓。接上保護(hù)電路后可使 基本等于輸入電壓 。,11.3.3 并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器,并聯(lián)比較型,量化,輸入量化 編碼,d2 = Q4,d1= Q6 + Q4Q2,d0 = Q7 + Q6Q5 + Q4Q3 + Q2Q1,2、特點(diǎn) *快，CLK觸發(fā)信號(hào)到達(dá)到輸出穩(wěn)定建立只需幾十納秒 *精度，受參考電壓、分壓網(wǎng)絡(luò)等因素影響 *有存儲(chǔ)器，不需要S/H電路 *電路規(guī)模，n位需要2n-1比較器，觸發(fā)器,11.3.4 反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器,1、計(jì)數(shù)型 基本原理：取一個(gè)“D”加到DAC上，得到模擬輸出電壓，將該值與輸入電壓比較，如兩者不等，則調(diào)整D的大小，到相等為止，則D為所求值,！簡(jiǎn)單 ！慢,2、逐次漸近型,！電路不太復(fù)雜 ！較快,1 0 0 0 0,3位：5個(gè)CLK N位: ( n+2)個(gè)CLK,11.3.5 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器,雙積分型（V-T變換型） 先將V轉(zhuǎn)換成與之成正比的時(shí)間寬度信號(hào)，然后在這個(gè)時(shí)間 內(nèi)用固定頻率脈沖計(jì)數(shù),電路實(shí)現(xiàn),11.3.6 V-F變換型A/D轉(zhuǎn)換器,11.3.7 ADC的轉(zhuǎn)換速度與轉(zhuǎn)換精度,一、速度取決于電路結(jié)構(gòu)類型 并聯(lián)比較型：最快 1微秒 逐次漸近型：較快 10100微秒/次（n+2）TCP 計(jì)數(shù)器型： 較慢 （2n-1）TCP 雙積分型： 最慢 幾十毫秒/次 2n+1TCP 二、轉(zhuǎn)換精度 1. 分辨率：以輸出二進(jìn)制或十進(jìn)制的位數(shù)表示，說(shuō)明A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的分辨能力。 2. 轉(zhuǎn)換誤差：通常以輸出誤差最大值的形式給出，表示實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上應(yīng)有的輸出數(shù)字量之間的差別。,1、熟練掌握各型A/D，D/A轉(zhuǎn)換器的主要特性參數(shù)及使用方法 2、正確理解各型A/D，D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理,