數(shù)字電子技術(shù)

第8章數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換

范立南代紅艷恩莉劉明丹中國水利水電出版社第8章數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換

8.1DAC

8.2ADC圖8-1A/D、D/A轉(zhuǎn)換器在數(shù)字系統(tǒng)中的應(yīng)用8.1DAC8.1.1DAC的基本概念1.轉(zhuǎn)換特性DAC電路輸入的是n位二進制數(shù)字信息B(Bn-1,Bn-2,…,B1、B0)，其最低位(LSB)的B0和最高位(MSB)的Bn-1的權(quán)分別為20和2n-1，故B按權(quán)展開式為DAC電路輸出的是與輸入數(shù)字量成正比例的電壓uO或電流iO，即式中K為轉(zhuǎn)換比例常數(shù)。圖8-2所示為DAC框圖。當n=3時，DAC轉(zhuǎn)換電路的輸出與輸入轉(zhuǎn)換特性如圖8-3所示，輸出為階梯波。圖8-2DAC框圖圖8–3轉(zhuǎn)換特性2.分辨率分辨率即說明n越大，DAC的分辨能力越高(分辨率越小)。例如,當n=10時，DAC分辨率=;當n=11時，DAC分辨率。3.精度(1)非線性誤差：它是由電子開關(guān)導通的電壓降和電阻網(wǎng)絡(luò)電阻值偏差產(chǎn)生的，常用滿刻度的百分數(shù)表示。(2)比例系數(shù)誤差：它是參考電壓UR偏離引起的誤差，也用滿刻度的百分數(shù)表示。(3)漂移誤差：它是由集成運放漂移產(chǎn)生的誤差。增益的改變也會引起增益誤差。(4)轉(zhuǎn)換時間：也稱輸出建立時間。它是從輸入數(shù)字信號時開始，到輸出電壓或電流達到穩(wěn)態(tài)值時所需要的時間。8.1.2DAC的電路形式及工作原理1.權(quán)電阻圖8–4權(quán)電阻DAC電路當輸入二進制數(shù)碼中某一位Bi=1時，開關(guān)Si接至基準電壓UR，這時在相應(yīng)的電阻Ri支路上產(chǎn)生電流當Bi=0時，開關(guān)Si接地，電流ii=0,因此電流表達式應(yīng)為根據(jù)疊加原理，總的輸出電流為通過集成運算放大器，輸出電壓為將代入則得例如，UR=8V,輸入八位二進制數(shù)碼為11001011，則輸出電壓為2.倒T型網(wǎng)絡(luò)DAC圖8–5R-2R倒T型網(wǎng)絡(luò)DAC電路運算放大器的輸出電壓為若Rf=R,并將I=UR/R代入上式，則有圖8–6權(quán)電流DAC原理圖當圖8-6中的Bi=1時，開關(guān)接運算放大器的反相輸入端，相應(yīng)權(quán)電流流入求和電路；當Bi=0時，開關(guān)接地。故擴大至n位，則8.1.3集成DAC圖8-7AD7520引腳圖圖8-7為AD7520的引腳圖。D0~D9為10個數(shù)碼控制位，控制著內(nèi)部CMOS的電流開關(guān)。IO1和IO2為電流輸出端。Rf端為反饋電阻Rf的一個引出端，另一個引出端和IO1端連接在一起。UREF端為基準電壓輸入端。+UDD端接電源的正端。GND端為接地端。8.2ADC8.2.1ADC的組成1.ADC的兩個組成部分及其作用圖8-8ADC的組成部分(1)架采樣保持膊電路。采樣開關(guān)S的控制潮信號C涌Ps的頻率fs必須滿足像公式fs≥2fimax(fimax為輸入電串壓頻譜中期的最高頻漁率)，即衣其周期Ts很小，主而且采淘樣時間τ比Ts更要小面許多倍伴，這樣唐就能將塌采樣保喜持后的巖不失填真地恢擾復(fù)成輸烏入電壓uI(t)。該公顛式稱為采釘樣定理。圖8速–9搭采樣保侮持前后的板波形舉例圖8彩–倚10后采樣唉保持電捆路原理小圖(2)坦量化編碼反電路。采樣保持紹電路的輸題出信號憐雖已成姓為階梯狀體，但其階影梯幅值仍聲是連續(xù)可番變的，有閘無限多個調(diào)數(shù)值，無澆法與n位有限的驕2n個數(shù)字拾量輸出X相對應(yīng)洞。因此別，必須侵將采樣僚后的值寧只限于綠在某些盛規(guī)定個翻數(shù)的離微散的電暖平上，巴凡介于兼兩個離衫散電平雕之間的駛采樣值撿，就要哨用某種啞方式整朱理歸并山到這兩赤個離散筋電平之宵一上。務(wù)這種將達幅值取聞?wù)麣w并鼓的方式塌及過程獲稱為“量化”。凈將量化哪后的有限舒?zhèn)€整量值伴用n位一組焦的某種大數(shù)字代漁碼(如幻玉二進制叉碼、B競CD碼葛或Gr析ay碼盈等)對利應(yīng)描述華以形成進數(shù)字量率，這種流用數(shù)字辜代碼表高示量化夜幅值的雖過程稱移作“編碼”。2.恨量化涼方式和羊量化誤鉛差(k為整數(shù)塔)(2)四舍五入調(diào)法。當uI的尾數(shù)堪不足漆時，用耀舍尾取勇整法得網(wǎng)其量化稿值；當uI的尾數(shù)等耳于或大于句時敏，則入整蘭。例如，而已知s=1V桌,則uI=2.1泥V時，uI=2V;uI=2.太7V時毒。圖8托–11行兩種燒量化方法慨的比較8.2.烏2AD煎C電路1.圖雙積分巷ADC雙積分歡ADC繪又稱雙炭斜率A辜DC，票是間接飯法的一腳種，它抽先將模娃擬電壓uI轉(zhuǎn)換成督與之大誼小對應(yīng)哭的時間T，再在鑰時間間狠隔T內(nèi)俊用計數(shù)恨器對固延定頻率做計數(shù)，梳計數(shù)器散所計的劑數(shù)字量淚就正比蔬于輸入悼模擬電提壓。圖8顆–12謀雙積暮分A/D戚電路原理尊圖圖8釋–昏13勢雙魂積分A促DC工騾作波形(1)采樣階段：在啟嗚動脈沖疤作用下淚，將全務(wù)部觸發(fā)謙器置0對。由即于Qn=0，使訓開關(guān)S與厚輸入信號uI連接,嚼A/D轉(zhuǎn)測換開始。uI加至積分催器的輸入女端后，積體分器對uI進行積動分，輸量出為式中，τ=RC昨，為積系分時間柄常數(shù)。由于uA＜0，過換零比較器乎輸出UC=1，G門打開，n位二進制納計數(shù)器從卵0開始計脅數(shù)，一直允到時，觸發(fā)和器F0~Fn-1又全部回若到0，而臥觸發(fā)器Fn由0翻至塌1，Qn=1，款開關(guān)S道轉(zhuǎn)接至逼基準電纏源-UR，采樣階新段結(jié)束。組此時(2)比較階梳段：開關(guān)S菠轉(zhuǎn)接至基夸準電源-UR后，積球分器對刊-UR進行積分捉，積分器什輸出當uA≥0時，扒過零比較稠器輸出UC=0，介G門被鑰封鎖，老計數(shù)器斗停止計往數(shù)。假流設(shè)此時擔計數(shù)器挑已記錄遠了N個脈沖，燃則代入上弟式得求得2.逐酒次逼近式泡ADC圖8凡–14命四位逐飾次逼近型敏A/D轉(zhuǎn)仇換器原理班框圖表8金–括1其輸出與藝輸入數(shù)戰(zhàn)碼的關(guān)窩系假設(shè)：D吵/A轉(zhuǎn)換婆器的基準箭電壓UR=8V，播采樣保持耐信號電壓uI=6.2申5V。首先，在惕節(jié)拍脈沖爐CP0作用下儀，使J崗K觸發(fā)叮器的狀擠態(tài)置為QDQCQBQA=10恩00，典則D/種A轉(zhuǎn)換洞器輸出恐參考電憤壓(見表禽8-1)漏，所以耐野。由于臟，比較器油輸出F=1，G=0。這煎樣，各級眨觸發(fā)器的J=1，K=0。接著，節(jié)拍脈沖CP1到來，其下跳沿觸發(fā)JK觸發(fā)器D，使QD=1，同時CP1使觸發(fā)器C置1。這樣，在CP1作用后，JK觸發(fā)器的狀態(tài)為QDQCQBQA=1100。D/A轉(zhuǎn)換器輸出參考電壓 。由于，比較器輸出F=1，G=0。這樣，各級觸發(fā)器的J=1,K=0。CP1作用結(jié)束后，CP2節(jié)拍脈沖到來，其下跳沿觸發(fā)JK觸發(fā)器C，使QC=1。同時CP2使觸發(fā)器B置1。這樣，在CP2作用后，JK觸發(fā)器的狀態(tài)為QDQCQBQA=1110。D/A轉(zhuǎn)換器輸出參考電壓。由于，比較器輸出F=0，G=1。這樣，各級觸發(fā)器的J=0，K=1。CP2作用結(jié)束后，CP3節(jié)拍脈沖到來，其下跳沿觸發(fā)JK觸發(fā)器B，使QB=0。同時CP3使觸發(fā)器A置1。這樣，在CP3作用下，JK觸發(fā)器的狀態(tài)為QDQCQBQA=1101。D/A轉(zhuǎn)換器輸出參考電壓。由于，比較器輸出F=0，G=1。這樣，各級觸發(fā)器的J=0，K=1。CP3作用結(jié)火束后，蔽CP4節(jié)拍脈沖夠到來，其集下跳沿觸桌發(fā)JK觸蜻發(fā)器A，剪使QA=0，J觸K觸發(fā)器隔的狀態(tài)為QDQCQBQA=110擊0。CP4節(jié)拍脈這沖的上迷升沿觸催發(fā)暫存盛器各D爽觸發(fā)器雖，將J績K觸發(fā)唱器狀態(tài)晨110顛0存入攝到暫存晨器中。虜暫存器惰的輸出D3D2D1D0=11翁00，豬即為輸秤入模擬劣電壓uI=6.2掘5V的二殊進制代碼駁。暫存器困輸出的干是并行潮二進制勁代碼。剃同時從翁上面分陜析中可辯見，比支較器F傘端順序優(yōu)輸出的壇恰好是量110遷0串行壞輸出的盆二進制塵代碼。3.盤并行比快較型電鍵路圖8陣-慢16三攝位二進習制數(shù)的悟并行比粘較型A鵲DC電男路輸入模汪擬電壓涉的范圍uI=0~補8V,uIm=8V；攔輸出三位逆二進制代備碼(n=3)。沉采用四舍品五入的量葵化方式，玩量化間隔儀富。量鵝化標尺是皮用電阻分鼓壓器形成漿振各分度頸值的，并日作為各比攤較器C1~C7的比較衣參考電咬平。因背采用四少舍五入祥法量化瞇，第一杜個比較墊器的參拌考電平軌應(yīng)取屆。午采樣保場持后的焰輸入電豬壓uI與這些嚴分度值丈相比較敞，當uI大于比偵較參考偷電平時饅，比較架器輸出瞞1電平太，反之縱輸出0拌電平，兔從而各孝比較器朋輸出電督平的狀陷態(tài)就與無輸入電鏡壓量化謊后的值給相對應(yīng)搖。各比逢較器輸利出并行描送至由籠D觸發(fā)爭器構(gòu)成之的寄存些器內(nèi)，衛(wèi)再經(jīng)過荷編碼電適路將比勞較器的芒輸出轉(zhuǎn)邪換成三孫位二進外制代碼x2x1x0。輸入添電壓與削代碼的述對應(yīng)關(guān)扯系如表喚8哨-2電所示破。表8辨–鐘2獅輸入電坊壓與代逃碼的對忘應(yīng)關(guān)系8.2.針3AD露C的主要圣技術(shù)指標1.分啞辨率分辨率指AD沈C對輸中入模擬兵信號的濾分辨能嫩力。從國理論上咱講，一拒個n位事二進制躁數(shù)輸出修ADC糠應(yīng)能區(qū)亦分輸入兵模擬電坊壓的2n個不同量坐級，能區(qū)蒸分輸入模么擬電壓的剩最小值為光滿量程輸嘩入的1/購2n。在最開大輸入蘋電壓一煎定時，邪輸出位笨數(shù)愈多驅(qū)，量化加單位愈矛小，分鍛辨率愈癥高。例魚如，A感DC輸癥出為八欄位二進碌制數(shù)，忘輸入漠信號最杜大值為不5V獵，其分博辨率為分辨率2.丈轉(zhuǎn)換誤般差轉(zhuǎn)換誤差通常是以吸輸出誤差剃的最大值樸形式給出污。它表示激ADC實猶際輸出的海數(shù)字量和右理論上的赤輸出數(shù)字篩量之間的鐵差別，?；加米畹陀忻诵坏谋恫蹟?shù)表示。油如給出相錘對誤差小格于等于±威LSB/頓2，這就抵表明實際里輸出的數(shù)懇字量和理敏論上應(yīng)得阿到的輸出妻數(shù)字量之鬧間的誤差地小于最低墾位的半個難字。3.轉(zhuǎn)摧換速度轉(zhuǎn)換時駐間是指AD把C從轉(zhuǎn)換久信號到來悼開始，到辛輸出端得挪到穩(wěn)定的鋪數(shù)字信號厲所經(jīng)過的漠時間。此眾時間與轉(zhuǎn)恭換電路的糖類型有關(guān)植。不同類畢型的轉(zhuǎn)換躺器，其轉(zhuǎn)招換速度相題差很大。雹并行