3.模數(shù)轉(zhuǎn)換器（1）模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器是模擬信號(hào)源與計(jì)算機(jī)或其它數(shù)字系統(tǒng)之間聯(lián)系的橋梁，它的任務(wù)是將連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便計(jì)算機(jī)或數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)、控制和顯示。在工業(yè)控制和數(shù)據(jù)采集及其它領(lǐng)域中，A/D轉(zhuǎn)換器是不可缺少的重要組成部分。1）逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器又稱逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器，是一種反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器。逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換的過程類似于天平稱物體重量的過程。天平的一端放著被稱的物體，另一端加祛碼，各祛碼的重量按二進(jìn)制關(guān)系設(shè)置，一個(gè)比一個(gè)重量減半。稱重時(shí)，把祛碼從大到小依次放在天平上，與被稱物體比較，如祛碼不如物體重，則該祛碼予以保留，反之去掉該祛碼，多次試探，經(jīng)天平比較加以取舍，直到天平基本平衡稱出物體的重量為止。這樣就以一系列二進(jìn)制碼的重量之和表示了被稱物體的重量。例如設(shè)物體重11克，祛碼的重量分別為1克、2克、4克和8克。稱重時(shí)，物體天平的一端，在另一端先將8克的祛碼放上，它比物體輕，該祛碼予以保留（記為1），我們將被保留的祛碼記為1，不被保留的祛碼記為0。然后再將4克的祛碼放上，現(xiàn)在祛碼總和比物體重了，該祛碼不予保留（記為0），依次類推，我們得到的物體重量用二進(jìn)制數(shù)表示為1011。用下表7.1表示整個(gè)稱重過程。圖7.7逐次逼近型A/D圖7.7逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器方框圖順序祛碼（克）比較祛碼取舍188<11?。?）2412>11舍（0）3210<11?。?）4111=11取（1）表7.1逐次逼近法稱重物體過程表利用上述天平稱物體重量的原理可構(gòu)成逐次逼近型4/D轉(zhuǎn)換器。逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)框圖如圖7.7所示，包括四個(gè)部分：電壓比較器、D/A轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器和順序脈沖發(fā)生器及相應(yīng)的控制邏輯。逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器是將大小不同的參考電壓與輸入模擬電壓逐步進(jìn)行比較，比較結(jié)果以相應(yīng)的二進(jìn)制代碼表示。轉(zhuǎn)換開始前先將寄存器清零，即送給D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量為0，三個(gè)輸出門g7、g8、g9被封鎖，沒有輸出。轉(zhuǎn)換控制信號(hào)有效后（為高電平）開始轉(zhuǎn)換，在時(shí)鐘脈沖作用下，順序脈沖發(fā)生器發(fā)出一系列節(jié)拍脈沖，寄存器受順序脈沖發(fā)生器及控制電路的控制，逐位改變其中的數(shù)碼。首先控制邏輯將寄存器的最高位置為1，使其輸出為100……00。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U。,送到比較器與待轉(zhuǎn)換的輸入模擬電壓Ui進(jìn)行比較。若U°>Ui，說明寄存器輸出數(shù)碼過大，故將最高位的1變成0，同時(shí)將次高位置1；若UoWUi,說明寄存器輸出數(shù)碼還不夠大，則應(yīng)將這一位的1保留。數(shù)碼的取舍通過電壓比較器的輸出經(jīng)控制器來完成的。依次類推按上述方法將下一位置1進(jìn)行比較確定該位的1是否保留，直到最低位為止。此時(shí)寄存器里保留下來的數(shù)碼即為所求的輸出數(shù)字量。2）并聯(lián)比較型4/D轉(zhuǎn)換器并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器是一種高速A/D轉(zhuǎn)換器。圖8-9所示是3位并聯(lián)型A/D轉(zhuǎn)換器，它由基準(zhǔn)電壓UREF、電阻分壓器、電壓比較器、寄存器和編碼器等五部分組成。UREF是基準(zhǔn)電壓、巴是輸入模擬電壓，其幅值在0到UREF之間，d2d1d0是輸出的3位二進(jìn)制代碼，CP是控制時(shí)鐘信號(hào)。由圖8-9可知，由8個(gè)電阻組成的分壓器將基準(zhǔn)電壓UREF分成8個(gè)等級(jí)，其中七個(gè)等級(jí)的電壓接到7個(gè)電壓比較器C1到C7的反相輸入端，作為它們的參考電壓，其數(shù)修正值分別為UREF/14、3UREF/14…134匹/14。輸入模擬電壓匕同時(shí)接到每個(gè)電壓比較器的同相輸入端上，使之與7個(gè)參考電壓進(jìn)行比較，從而決定每個(gè)電壓比較器的輸出狀態(tài)。當(dāng)0%<UREF/14時(shí)，7個(gè)電壓比較器的輸出全為0，CP到來后，寄存器中各個(gè)觸發(fā)器都被置0狀態(tài)。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進(jìn)制代碼為d2d1d0=0。依次類推，可以列出巴為不同等級(jí)時(shí)寄存器的狀態(tài)及相應(yīng)的輸出二進(jìn)制數(shù)，如表8-1所示：輸入模擬電壓寄存器狀態(tài)輸出二進(jìn)制數(shù)uD0DiD2D3D4D5D6D7d2d0d1(0-1/14)Urff00000000000(1/14-3/14)UrFf00000001001(3/14-5/14)UREF00000111010(5/14-7/14)UREF00001111011(7/14-9/14)”00011111100(9/14-11/14)Urff00111111101(11/14-13/14)UrFF011111111110(13/14-1/14)UREF11111111111表8-1雙并聯(lián)比較型4/D轉(zhuǎn)換器真值表并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的最大優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快，它是各種A/D轉(zhuǎn)換器中速度最快的一種。這是因?yàn)檩斎胄盘?hào)電壓巴同時(shí)加到電壓比較器的所有輸入端，從加入巴到二進(jìn)制數(shù)的穩(wěn)定輸出所經(jīng)歷的時(shí)間為電壓比較器、觸發(fā)器和編碼器的延遲時(shí)間之和。而且各位代碼的轉(zhuǎn)換幾乎是同時(shí)進(jìn)行的，增加輸出代碼位數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)換速度的影響很小。并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的主要缺點(diǎn)是使用的比較器和觸發(fā)器較多。隨著分辨率的提高，所需元件數(shù)目要按幾何級(jí)數(shù)增加。輸出為3位二進(jìn)制代碼時(shí)，需要電壓比較器和觸發(fā)器的個(gè)數(shù)均為23-1=7。當(dāng)輸出為n位二進(jìn)制數(shù)時(shí)，需要個(gè)數(shù)為2n-1。例如：當(dāng)n=10時(shí)，需要的電壓比較器和觸發(fā)器的個(gè)數(shù)均為210-1=1023。相應(yīng)的編碼器也變得復(fù)雜起來。顯然，這種A/D轉(zhuǎn)換器的成本高，價(jià)格貴，是不經(jīng)濟(jì)的。在一般場合較少使用。(2)模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)性能.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A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(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/28=39mV，10位的A/D轉(zhuǎn)換器是9.76Mv,而12位的A/D轉(zhuǎn)換器為2.44mV。.轉(zhuǎn)換誤差轉(zhuǎn)換誤差表示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。轉(zhuǎn)換誤差也叫相對(duì)精度或相對(duì)誤差。轉(zhuǎn)換誤差常用最低有效位的倍數(shù)表示。例如，某A/D轉(zhuǎn)換的相對(duì)精度為±(1/2)LSB，這說明理論上應(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1的一半。.轉(zhuǎn)換速度A/D轉(zhuǎn)換器從接收到轉(zhuǎn)換控制信號(hào)開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字量為止所需要的時(shí)間，即完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間稱為轉(zhuǎn)換速度。采用不同的轉(zhuǎn)換電路，其轉(zhuǎn)換速度是不同的，并行型比逐次逼近型要快得多。低速的A/D轉(zhuǎn)換器為1?30ms,中速A/D轉(zhuǎn)換器的時(shí)間在50us左右，高速A/D轉(zhuǎn)換器的時(shí)間在50ns左右，ADC809的轉(zhuǎn)換時(shí)間在100us左右。4,數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC(1)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的基本概念把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)稱為數(shù)一模轉(zhuǎn)換，簡稱D/A(DigitaltoAnalog)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的電路稱為D/A轉(zhuǎn)換器，或?qū)憺镈AC(Digital-AnalogConverter)o隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人類從事的許多工作，從工業(yè)生產(chǎn)的過程控制、生物工程到企業(yè)管理、辦公自動(dòng)化、家用電器等等各行各業(yè)，幾乎都要借助于數(shù)字計(jì)算機(jī)來完成。但是，計(jì)算機(jī)是一種數(shù)字系統(tǒng)，它只能接收、處理和輸出數(shù)字信號(hào)，而數(shù)字系統(tǒng)輸出的數(shù)字量必須還原成相應(yīng)的模擬量，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬系統(tǒng)的控制。數(shù)一模轉(zhuǎn)換是數(shù)字電子技術(shù)中非常重要的組成部分。D/A轉(zhuǎn)換器及A/D轉(zhuǎn)換器的種類很多，這里主要介紹常用的權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，倒1型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器。1)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)電壓(MSB)圖基準(zhǔn)電壓(MSB)圖7.1權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器①工作原理權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理圖如圖7.1所示。這是一個(gè)四位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器。它由權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)電子模擬開關(guān)和放大器組成。該電阻網(wǎng)絡(luò)的電阻值是按四位二進(jìn)制數(shù)的位權(quán)大小來取值的，低位最高(23R),高位最低(2oR),從低位到高位依次減半。So、SpS2和S3為四個(gè)電子模擬開關(guān)，其狀態(tài)分別受輸入代碼Do、D「D2和D3四個(gè)數(shù)字信號(hào)控制。輸入代碼Di為1時(shí)開關(guān)Si連到1端，連接到參考電壓VREF上，此時(shí)有一支路電流Ii流向放大器的A節(jié)點(diǎn)。Di為0時(shí)開關(guān)Si連到0端直接接地，節(jié)點(diǎn)A處無電流流入。運(yùn)算放大器為一反饋求和放大器，此處我們將它近似看作是理想運(yùn)放。權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是電路簡單，電阻使用量少，轉(zhuǎn)換原理容易掌握；缺點(diǎn)是所用電阻依次相差一半，當(dāng)需要轉(zhuǎn)換的位數(shù)越多，電阻差別就越大，在集成制造工藝上就越難以實(shí)現(xiàn)。為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，通常采用丁型或倒1型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器。②T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器為了克服權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器中電阻阻值相差過大的缺點(diǎn)，又研制出了如圖7-3所示的T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，由R和2R兩種阻值的電阻組成T形電阻網(wǎng)絡(luò)（或稱梯形電阻網(wǎng)絡(luò)）為集成電路的設(shè)計(jì)和制作帶來了很大方便。網(wǎng)絡(luò)的輸出端接到運(yùn)算放大器的反相輸入端。圖8-3T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)換器的優(yōu)點(diǎn)是它只需R和2R兩種阻值的電阻，這對(duì)選用高精度電阻和提高轉(zhuǎn)換器的精度都是有利的；該電路的缺點(diǎn)是使用的電阻數(shù)量較大。此外在動(dòng)態(tài)過程中T形電阻網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于一根傳輸線，從。尺0加到各級(jí)電阻上開始到運(yùn)算放大器的輸入穩(wěn)定地建立起來為止，需要一定的傳輸時(shí)間，因而在位數(shù)較多時(shí)將影響D/A轉(zhuǎn)換器的工作速度。而且，由于各級(jí)電壓信號(hào)到運(yùn)算放大器輸入端的時(shí)間有先有后，還可能在輸出端產(chǎn)生相當(dāng)大的尖峰脈沖。如果各個(gè)開關(guān)的動(dòng)作時(shí)間再有差異，那時(shí)輸出端的尖峰脈沖可能會(huì)持續(xù)更長的時(shí)間。提高轉(zhuǎn)換速度和減小尖峰脈沖的有效方法是將圖8-4電路改成倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換電路，如圖8-6所示圖8-6倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器由圖可見，當(dāng)輸入數(shù)字信號(hào)的任何一位是1時(shí)，對(duì)應(yīng)的開關(guān)便將電阻接到運(yùn)算放大器的輸入端，而當(dāng)它是0時(shí)，將電阻接地。因此，不管輸入信號(hào)是1還是0,流過每個(gè)支路電阻的電流始終不變。當(dāng)然，從參考電壓輸入端流進(jìn)的總電流始終不變，它的大小為：I二URefR因此輸出電壓可表示為UO=-等（%.23+d2?22+d1?21+d晨2o）由于倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器中各支路的電流直接流入了運(yùn)算放大器的輸入端，它們之間不存在傳輸時(shí)間差，因而提高了轉(zhuǎn)換速度并減小了動(dòng)態(tài)過程中輸出端可能出現(xiàn)的尖峰脈沖。同時(shí)，只要所有的模擬開關(guān)在狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)滿足“先通后斷”的條件（一般的模擬開關(guān)在工作時(shí)都是符合這個(gè)條件的），那么即使在狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程流過各支路的電流也不改變，因而不需要電流的建立時(shí)間，這也有助于提高電路的工作速度。鑒于以上原因，倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器是目前使用的D/A轉(zhuǎn)換器中速度較快的一種，也是用得較多的一種。2）D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo).分辨率這是D/A轉(zhuǎn)換器對(duì)微小輸入量變化敏感程度的描述，通常用數(shù)字量的位數(shù)來表示，如8位