第9章數/模和模/數轉換器

9.1概述9.2D/A轉換器9.3A/D轉換器9.1概述1.模/數轉換(A/D轉換)：模擬信號→數字信號對應電路叫A/D轉換器(ADC)數/模轉換(D/A轉換)：數字信號→模擬信號對應電路叫D/A轉換器(DAC)2.

A/D和D/A轉換器最重要的要求是：

轉換精度和轉換速度9.2D/A轉換器9.2.1D/A轉換器的基本工作原理D/A轉換器的輸出電壓U應與輸入的數字量D成正比。即Di=1時，Si

選中2i項在∑中出現；Di=0時，2i項不在∑中出現。于是D/A轉換器的工作一般分2步：①通過Di的取值控制模擬開關Si動作：②通過集成運放實現對2i

項求和及輸出電壓。Di=1時，∑中有2i項；Di=0時，∑中無2i項。9.2.2D/A轉換器的主要電路形式介紹2種主要形式：權電阻網絡DAC，倒T形電阻網絡DAC1．權電阻網絡D/A轉換器求和集成運放(1)組成權電阻網絡Ri模擬電子開關Si：Di＝1時Si

接UR，Di＝0時Si接地權電阻網絡：n個阻值與2進制權(2i)有關的電阻。Di←→Si←→

Ri=2n-1-iR集成運放：看成理想運放。Di=1時，Ri=2n-1-iR接UR，對應支路電流為Di=0時，Ri=2n-1-iR接地，對應支路電流為

總之，Di位所產生的電流運放的總輸入電流輸出電壓為(2)工作原理①優(yōu)點：簡單②缺點：電阻值相差大，難于保證精度，且不宜集成。輸出電壓為若Rf=1/2R，則總結：輸出模擬電壓U與輸入二進制數成正比。(3)權電阻網絡DAC的優(yōu)缺點2．倒T型電阻網絡D/A轉換器求和集成運放(1)組成倒T型電阻網絡(R和2R組成的電路)模擬電子開關SiDi＝1時Si

接運放Di＝0時Si接地①不論Di=0還是Di=1，Si都相當于接地

→倒T型2R上的電流不變。說明：Di=0或Di=1，卻影響流向運放的電流：Di=1，電流流入運放，Di=0，電流不流入運放。③流經UR的總電流I=UR/R。②從UR向左看，倒T型的等效電阻為R。(2)倒T型電路的特點從右向左，流經各2R的電流依次減半()。(3)工作原理Di=1，Si接運放，由Si流入運放的電流Di=0，Si接地，由Si流入運放的電流總之，不論Di=0或Di=1，總有流入運放的總電流輸出電壓為輸出電壓為若Rf=R，并將I=UR/R代入上式，則有①只R和2R電阻，容易保證制作精度。②Si動作時，倒T型電流不變→轉換過程不產生尖峰脈沖→減小誤差，提高轉換速度?？偨Y：輸出模擬電壓U與輸入二進制數成正比。(4)倒T型電阻網絡DAC的優(yōu)點布置作業(yè)9-1.說明：LSB

指最低有效位，即本節(jié)的的D0。結論：DAC位數n越大→分辨率的數值就越小→能分辨出的最小電壓△U就越小→分辨率就越高。1.分辨率：理論上的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比9.2.3D/A轉換器的主要技術指標對應Dn-1…D1D0=0…01對應Dn-1…D1D0=1…11因為輸出電壓于是最小電壓D指輸入的2進制最大電壓分辨率故能分辨出的最小電壓分辨率與n有關，常用n表示分辨率2.轉換精度：實際輸出值與理論輸出的差值。電子開關導通的電壓降和電阻網絡電阻值偏差產生。(1)非線性誤差。(2)比例系數誤差：參考電壓UR的偏離而引起的誤差。UR是比例系數，故叫比例系數誤差輸出電壓的絕對值(3)漂移誤差：運放的零點漂移產生的誤差。3.建立時間(決定轉換速度)數字輸入到輸出達到穩(wěn)態(tài)值的時間。10.2.4八位集成DAC08321.組成：2級8位寄存器+8位DAC(倒T型，不含運放，但內接Rfb)2.引腳介紹①ILE,CS,WR1：控制寄存器1開閉(只ILE=1,CS=WR1=0時打開)。②WR2,XFER：控制寄存器2開閉(只WR2=XFER=0時打開)。(2)電源及地①電源:UCC—芯片電源(5~15V);UREF—參考電壓,精度要求更高(-10~10V)②地:DGND、AGND—數字地和模擬地(可接一起)(1)寄存器控制引腳：①數字輸入引腳:D0~D7(D0為最低位)②模擬輸出引腳:IOUT1等效于圖9.2.3中流入集成運放的電流，為教材238頁的I∑IOUT2等效于圖9.2.3電阻網絡流入地的電流IOUT1和IOUT2接線也類似于圖9.2.3(3)輸入輸出引腳③Rfb：

反饋電阻接線端(內已含一個反饋電阻)(a)運放增益夠，該端接輸出電壓U(b)運放增益不夠，外接一電阻再接輸出電壓(見圖9.2.7)(1)雙緩沖器型：2個寄存器都由控制信號控制其開閉。(2)單緩沖器型：1個寄存器常通，另1個由控制信號控制開閉。(3)直通型：2個寄存器都常通。3.工作方式9.3A/D轉換器9.3.1A/D轉換器的基本工作原理A/D轉換目標：時間和幅值都連續(xù)的模擬信號→時間和幅值都離散的數字信號四個步驟：采樣、保持、量化、編碼。1.采樣與保持①取樣過程(1)采樣(取樣)：每隔一段時間，就對模擬信號進行取值。②取樣定理設取樣脈沖頻率為fS，模擬信號所含的最高頻率fmax，則必須滿足

fs≥2fmax

S為高電平時：開關開→Uo

(t)=Ui(t)

S(t)=0時：開關閉→Uo(t)=0

′′得到取樣信號如圖，由圖知：取樣實現了模擬信號在時間上的離散化(2)保持：把采樣電壓維持一段時間不變。①保持的原因因A/D轉換需要一定時間，而采樣時間τ很短不足以進行A/D轉換，故需要保持采樣電壓直到轉換結束。②保持電路的分析S(t)為高電平時：VT導通，Ui(t)向C充電。如充電時間常數<<τ，則認為Uo(t)隨Ui(t)變化而變化(Uo=Ui)，處于采樣階段。

S(t)為0時：VT截止。由于VT截止電阻和運放輸入電阻很大，可認為Uo=UC操持不變。處于保持階段。

2.量化和編碼(1)量化電平和量化間隔量化電平U：ADC的n位輸出D能表示的2n個離散的模擬電壓.

有

U=KD量化間隔S：兩相鄰量化電平之差，則

S=△U

=K·△D=K量化電平與量化間隔的關系：

U=S·DD=(Dn…D1D0)2例：3位DAC的量化間隔S=0.2V，則其量化電平的個數為()個,分別是()。(2)編碼：用二進制數D表示各量化電平的過程。誤差只為正，最大值:δmax≈S(3)量化采樣后的信號在時間上已離散化，但在幅度上仍是連續(xù)的。量化：把幅度連續(xù)的采樣電壓近似表示為量化電平。量化誤差δ：δ=采樣電壓-量化電平量化方法：根據量化的近似方法不同，可分為只舍不入法和有舍有入法。

①只舍不入法將采樣電平按量化間隔S劃分，不足1S的舍去。量化電平(V)量化電平(V)②有舍有入法將采樣電平Uo按量化間隔S劃分。Uo的尾數＜S/2：舍尾取整法；Uo的尾數≥S/2：舍尾入整法。δ可正可負，最大誤差為|δmax|=S/29.3.2

A/D轉換器的主要電路形式(1)直接法：基準電壓與取樣電壓比較數字量直接特點：工作速度高，轉換精度容易保證。(2)間接法：取樣信號→t或f→數字量。特點：工作速度較低，轉換精度可以做得較高，且抗干擾性強。例：如本節(jié)的逐次逼近式ADC和并聯比較型ADC例：如本節(jié)的雙積分型ADC(利用t作為中間變量)分類1．計數斜波式A/D轉換器(1)組成計數器：從全0態(tài)開始進行加法計數。DAC：把計數器輸出D轉換為模擬信號UR。比較器：UR<Ui時，輸出UC=1→控制門通，計數器計數UR≥Ui時，輸出UC=0→控制門關，計數器停止計數′′′計數器從0開始計數，計數結果D通過DAC上后得到模擬電壓，然后將該值與輸入電壓比較，如兩者不等，則通過計數器加法計數將D增大，直到相等為止，則D為所求值。(2)工作原理：(3)優(yōu)缺點：①優(yōu)點：電路簡單②缺點：速度較慢(最大時間為2n-1個TCP)2．逐次逼近式A/D轉換器(1)組成：電壓比較器、DAC、SAR、控制邏輯(2)工作原理：①SAR最高位置“1”

→DAC轉換后輸出Uo→再與Ui比較：②次高位置“1”，……最低位置“1”，…只需比較n次！例：已知SAR位數為8，待轉換模擬電壓Ui=163mV，設量化間隔S=1mV，則163mV對應的二進制數為163。比較過程如下表。(3)優(yōu)缺點①優(yōu)點：與計數斜波式ADC相比，速度大大提高。

(比較次數：由2n→n次)②缺點：比較次數還是與n有關，n較大時，速度還是很慢。3.雙積分型A/D轉換器(1)工作原理(略)(2)優(yōu)缺點①優(yōu)點：抗干擾能力強，轉換精度高②缺點：轉換速度慢4.并聯比較型ADC(1)組成及工作原理以3位ADC為例①電壓比較器(a)電阻分壓器通過電阻鏈分壓，得到比較的基準電壓(b)7個比較器C0~C6

輸入模擬電壓UIN參考電壓URUIN與基準電壓比較：UIN≥基準電壓，Ci=1UIN<基準電壓，Ci=0②寄存器

7個D觸發(fā)器CP↑暫存比較結果，以供編碼用③編碼器：將比較器的輸出C0~C6轉換成3位數字信號D2D1D0。(a)在表中填與C0~C6對應的D2D1D0值,得輸出為D2D1D0的真值表.(b)把C0~C6未出現的值看成無關項,由真值表→D2D1D0的表達式。例：已知UIN=3.8V，UR=8V。試寫出比較器的輸出C0~C6和DAC轉換結果D2D1D0。解：因故比較器輸出：C6~C0=0001111；A/D轉換結果：D2D1D0=100。①優(yōu)點：轉換速度快②缺點：(a)電路復雜；(b)精度較低。(2)并聯比較型的優(yōu)缺點9.3.3A/D轉換器的主要技術指標

1.分辨率：ADC對輸入模擬信號的分辨能力n位ADC有2n個不同輸出,故它能區(qū)分的最小電壓(分辨率)為例：12位ADC，FSR=10V，則(FSR：滿量程)分辨率

分辨率

分辨率與n有關，常用n表示分辨率2.轉換速度：完成一次轉換所需的時間主要取決于轉換電路的類型：①雙積分型：最慢，幾百ms；②逐次逼近式：較快，幾十μs；③并聯型：最快，幾十ns。3.相對精度(轉換誤差或相對誤差)

ADC實際輸出的數字量與理論上的差值。常用最低有效位的倍數表示例：某ADC的相對精度為±(1/2)LSB，這說明理論上輸出的數字量與實際輸出的數字量間的誤差不大于最低位為１的一半。布置作業(yè)9-79-69.3.4八位集成ADC08091.組成(1)地址鎖存器和譯碼器、8路模擬開關①ALE控制鎖存器對地址ADDC、ADDB和ADDA進行鎖存。②譯碼器對鎖存的地址進行譯碼。③譯碼信號經模擬開關，從8路模擬輸入中選通1路進行AD轉換。通道號01234567地址ADDC00001111ADDB00110011ADDA01