第章模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換詳解演示文稿現(xiàn)在是1頁\一共有29頁\編輯于星期六優(yōu)選第章模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換現(xiàn)在是2頁\一共有29頁\編輯于星期六第12章

模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換定義：能將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的裝置稱為模—數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱A/D或ADC；能將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的裝置稱為數(shù)—模轉(zhuǎn)換器，簡稱D/A或DAC。ADC和DAC是模擬電路和數(shù)字電路的接口，是聯(lián)系模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)的“橋梁”。本章主要介紹ADC、DAC的原理、技術(shù)指標(biāo)和常用芯片。基本原理數(shù)—模轉(zhuǎn)換裝置輸入的信號是數(shù)字信號，輸出的信號則是與輸入數(shù)字信號成比例的模擬電壓或電流。12.1數(shù)—模轉(zhuǎn)換器12.1.1數(shù)—模轉(zhuǎn)換器的工作原理數(shù)模轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路稱數(shù)模轉(zhuǎn)換器?，F(xiàn)在是3頁\一共有29頁\編輯于星期六實現(xiàn)數(shù)—模轉(zhuǎn)換的電路有多種方式，最常用的是電阻網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器，其中較常見的有權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、T形電阻網(wǎng)絡(luò)和倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)等。由于數(shù)字信號是用二進制代碼組合起來的，每一個數(shù)字信號都可以按“權(quán)”相加得到一個對應(yīng)的十進制數(shù)，即D=（N）B=Kn-1×2n-1+…+K1×21+K0×20。數(shù)—模轉(zhuǎn)換裝置輸出的模擬量A就是和輸入的數(shù)字量D成正比例的電壓或電流信號。即A=KD，其中的K稱為轉(zhuǎn)換比例系數(shù)。以十位DAC為例，輸入的是十位二進制代碼，共有210種組合。若輸出電壓的最大值為5V，則該轉(zhuǎn)換器所能轉(zhuǎn)換出的最小電壓為，其轉(zhuǎn)換步距也為，顯然DAC轉(zhuǎn)換器輸入數(shù)字量的位數(shù)越多，它所轉(zhuǎn)換的模擬信號的步距越短?，F(xiàn)在是4頁\一共有29頁\編輯于星期六1.

T形電阻網(wǎng)絡(luò)數(shù)—模轉(zhuǎn)換器

電子模擬開關(guān)：S0、S1、S2、S3，這些電子開關(guān)分別由數(shù)碼寄存器存放的四位二進制數(shù)的相應(yīng)位數(shù)碼d0、d1、d2、d3控制，根據(jù)它是“l(fā)”或“0”決定電阻網(wǎng)中的電阻是接參考電壓(或稱基準(zhǔn)電壓)UR還是接地?，F(xiàn)在是5頁\一共有29頁\編輯于星期六T形電阻網(wǎng)絡(luò)：當(dāng)輸入的數(shù)字信號的某一位為“1”時，開關(guān)接到參考電壓UR上，為“0”時接地，這個T形電阻網(wǎng)絡(luò)開路時的輸出電壓UA(未接運算放大器時)可以應(yīng)用疊加原理進行計算。即分別計算只當(dāng)d0＝1、dl＝l、d2＝l、d3＝l(其余位為0)時的電壓分量，而后疊加得到UA。現(xiàn)在是6頁\一共有29頁\編輯于星期六應(yīng)用疊加原理將這四個電壓分量疊加，得出T形電阻網(wǎng)絡(luò)開路時的輸出電壓UA，等效內(nèi)阻(除去電源后開路網(wǎng)絡(luò)的等效電阻)為R。集成運放的輸出模擬電壓為U0如果輸入的是n位二進制數(shù)，則如果輸入的是n位二進制數(shù)，則現(xiàn)在是7頁\一共有29頁\編輯于星期六當(dāng)取RF＝3R時，則上式為例如對四位的數(shù)—模轉(zhuǎn)換器而言：R—2RT形電阻網(wǎng)絡(luò)數(shù)—模轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點是它只需及和2只兩種阻值的電阻，這對選用高精度電阻和提高轉(zhuǎn)換器的精度都是有利的?，F(xiàn)在是8頁\一共有29頁\編輯于星期六S0++-△∞uOS1S2S3D3D2D1D0iΣRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI301111000RRR電路組成與轉(zhuǎn)換原理2.倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)數(shù)—模轉(zhuǎn)換器由倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)和一個電流電壓轉(zhuǎn)換電路(簡稱I/U

轉(zhuǎn)換電路)組成。模擬開關(guān)Si

打向“1”側(cè)時，相應(yīng)2R

支路接虛地；打向“0”側(cè)時，相應(yīng)2R

支路接地。故無論開關(guān)打向哪一側(cè)，倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)均可等效為下圖：現(xiàn)在是9頁\一共有29頁\編輯于星期六II3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI3RRRABC1)從A、B、C節(jié)點向左看去，各節(jié)點對地的等效電阻均為2R。2)不論模擬開關(guān)接到運算放大器的反相輸入端(虛地)或接“地”(也就是不論輸入信號是1或是0)，各支路的電流是不變的。

因此，從參考電壓端輸入的電流為IR＝，而后根據(jù)電流分流公式得出各支路的電流：

現(xiàn)在是10頁\一共有29頁\編輯于星期六由此可得出電阻網(wǎng)絡(luò)的輸出電流如果輸入的是n位二進制數(shù)，則當(dāng)取RF＝R時，則上式為與T形電阻網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓相同?，F(xiàn)在是11頁\一共有29頁\編輯于星期六12.1.2數(shù)—模轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)1.分辨率分辨率是指轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比。當(dāng)輸入的數(shù)字量為1時（僅最低位為1，其余各位全部為0），輸出最小，當(dāng)輸入的數(shù)字量各位全部為1時，輸出最大，此二者之比即為分辨率，例如10位DAC轉(zhuǎn)換器的分辨率為：1/（210-1）≈0.001有時也用輸入信號的有效位數(shù)來表示分辨率，有效位數(shù)越多分辨率就越高。顯然分辨率越高，轉(zhuǎn)換的精度就越高。但分辨率越高其轉(zhuǎn)換電路就越復(fù)雜?，F(xiàn)在是12頁\一共有29頁\編輯于星期六表12-1不同DAC轉(zhuǎn)換器的分辨率轉(zhuǎn)換器輸入數(shù)字量的位數(shù)分辨率41/1581/255101/1023121/4095161/655352.轉(zhuǎn)換精度和線性度轉(zhuǎn)換精度是指輸出模擬電壓的實際值與理想值之差，即最大靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。這誤差和運放的零點漂移、模擬開關(guān)的壓降以及電阻阻值的偏差等很多原因引起的?，F(xiàn)在是13頁\一共有29頁\編輯于星期六線性度是指轉(zhuǎn)換器的非線性誤差，產(chǎn)生非線性誤差的原因一般是由各模擬通路的偏差和壓降不同造成的。3.輸入數(shù)字電平和輸出電平

輸入數(shù)字電平是指輸入的數(shù)字信號分別為0和1時所對應(yīng)的輸入高、低電平的值，不同的轉(zhuǎn)換器該值略有區(qū)別。輸出電平是指輸出電壓的最大值，不同型號的轉(zhuǎn)換器該值的相差較大，其中高壓輸出型的可達30V，電流輸出型的可達3A。4.工作溫度范圍溫度的高低將直接影響到轉(zhuǎn)換器的精度指標(biāo)，好的產(chǎn)品工作溫度可在-40℃~150℃之間?，F(xiàn)在是14頁\一共有29頁\編輯于星期六12.1.3數(shù)—模轉(zhuǎn)換器的主要產(chǎn)品介紹1.DAC0830系列DAC0830系列是8位分辨率的集成DAC轉(zhuǎn)換電路，包含轉(zhuǎn)換電路和外圍電路，具有雙緩沖結(jié)構(gòu)，內(nèi)部主要由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位DAC轉(zhuǎn)換電路和轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成，采用20腳雙列直插封裝，芯片外接集成運放，將轉(zhuǎn)換成的模擬電流信號放大后變成電壓信號輸出。現(xiàn)在是15頁\一共有29頁\編輯于星期六圖12-5DAC0830系列的外引線排列圖

現(xiàn)在是16頁\一共有29頁\編輯于星期六2.集成DA7520集成DA7520和前述0830系列不同的是其電路只包含轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)和模擬電子開關(guān)。是10位CMOS電流開關(guān)型轉(zhuǎn)換器，其結(jié)構(gòu)簡單，通用性好。DA7520的外引線排列圖如圖12.6所示。圖12.6DA7520的外引線排列圖現(xiàn)在是17頁\一共有29頁\編輯于星期六1.A/D轉(zhuǎn)換的基本原理和一般步驟

“[]”表示取整。ADCD0D1Dn-2Dn-1…uI模擬輸入信號n

位二進制數(shù)輸出

D=Dn-1

Dn-2

D1

D0可見，輸出數(shù)字量D

正比于輸入模擬量uI?！鞣Q為ADC的單位量化電壓或量化單位，它是ADC的最小分辨電壓。12.2模-數(shù)轉(zhuǎn)換器模-數(shù)轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過采樣、保持、量化和編碼4個步驟。目前用的較多的是逐次逼近型、雙積分型和電壓頻率變換型轉(zhuǎn)換器等?，F(xiàn)在是18頁\一共有29頁\編輯于星期六采樣：把時間連續(xù)變化的信號變換為時間離散的信號。

保持：保持采樣信號，使有充分時間轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

量化：把采樣保持電路的輸出信號用單位量化電壓的

整數(shù)倍表示。

編碼：把量化的結(jié)果用二進制代碼表示。A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟uI(t)C量化編碼電路Dn-1D1D0…uI(t)S采樣保持電路輸入模擬量輸出數(shù)字量現(xiàn)在是19頁\一共有29頁\編輯于星期六2.集成采樣－保持器LF198當(dāng)S閉合時，A1和A2均工作在電壓跟隨器狀態(tài)，所以uo＝u/o＝uI，電容上的電壓uC＝uI；當(dāng)S斷開時，由于Ch上的電壓不變，所以輸出電壓uo的數(shù)值得以保持不變。A1，A2是兩個運算放大器

S是電子開關(guān)

L是開關(guān)的驅(qū)動電路CP為高電平時，S閉合；CP為低電平時，S斷開?，F(xiàn)在是20頁\一共有29頁\編輯于星期六采樣信號是否會丟失原信號的信息呢？對信號進行量化會引起誤差嗎？

量化誤差大小與ADC的位數(shù)、基準(zhǔn)電壓VREF

和量化方法有關(guān)。采樣定理：當(dāng)采樣頻率不小于輸入模擬信號頻譜中最高頻率的兩倍時，采樣信號可以不失真地恢復(fù)為原模擬信號。

量化誤差：因模擬電壓不一定能被ULSB

整除，量化時舍去余數(shù)而引起的誤差。

現(xiàn)在是21頁\一共有29頁\編輯于星期六劃分量化電平的兩種方法最大量化誤差=

=(1/8)V最大量化誤差

=

/2=(1/15)V1=1/8V4=4/8V0(6/8)V(7/8)V000001010011100101110111模擬電平二進制代碼代表的模擬電平0=0V2=2/8V3=3/8V5=5/8V6=6/8V7=7/8V(5/8)V(4/8)V(3/8)V(2/8)V(1/8)V(8/8)V模擬電平二進制代碼代表的模擬電平0=0V1=2/15V2=4/15V3=6/15V4=8/15V5=10/15V6=12/15V7=14/15V(13/15)V0000001010011100101110111(11/15)V(15/15)V(9/15)V(3/15)V(7/15)V(1/15)V(5/15)V現(xiàn)在是22頁\一共有29頁\編輯于星期六12.2.2逐次比較型ADC轉(zhuǎn)換器1.逐次比較型ADC轉(zhuǎn)換器的組成（1）DAC轉(zhuǎn)換器它將數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓去與被測電壓比較。（2）數(shù)據(jù)寄存器轉(zhuǎn)換開始后，從最高位開始對數(shù)據(jù)寄存器置1，其他位置0，將該數(shù)據(jù)經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬量，在比較器中與輸入量比較，根據(jù)比較結(jié)果決定最高位是留下，還是清除，然后置次高位為1，轉(zhuǎn)換、比較……，所有位比較完畢后統(tǒng)一輸出?，F(xiàn)在是23頁\一共有29頁\編輯于星期六（3）電壓比較器。將數(shù)據(jù)寄存器中數(shù)據(jù)對應(yīng)的電壓與輸入電壓比較，輸出結(jié)果用于修改數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)。（4）控制邏輯及時鐘。用于實現(xiàn)整機的邏輯控制。2.

工作過程現(xiàn)在是24頁\一共有29頁\編輯于星期六FF8－FF1組成8位數(shù)據(jù)寄存器10個D觸發(fā)器接成環(huán)形移位寄存器第一個CP到來時，W8＝1，其余Wi均為0，Q8－Q1為10000000，

uI與128v比較，小于，因此uC＝0，保留。假設(shè)輸入電壓uI＝149V

第二個CP到來時，W7＝1，其余Wi均為0。數(shù)據(jù)寄存器的狀態(tài)為11000000，該數(shù)據(jù)使uD＝192V，大于，不保留。其他依次類推?，F(xiàn)在是25頁\一共有29頁\編輯于星期六12.2.3雙積分型ADC轉(zhuǎn)換器雙積分型又稱雙斜率ADC轉(zhuǎn)換器。它的基本原理是對輸入模擬電壓和基準(zhǔn)電壓進行兩次積分：先將輸入模擬電壓uI轉(zhuǎn)換成與之大小相對應(yīng)的時間間隔TC，再在此時間間隔內(nèi)用固定頻率的計數(shù)器計數(shù)，計數(shù)器所計的數(shù)字量就正比于輸入模擬電壓；同樣也對參考電壓進行相同的處理。特點：

由于要兩次積分，因此雙積分型ADC轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度較低，但轉(zhuǎn)換數(shù)字量位數(shù)n增