第8章數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器8.1數(shù)/模轉(zhuǎn)換器8.2模/數(shù)轉(zhuǎn)換器8.1數(shù)/模轉(zhuǎn)換器8.1.1數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的基本原理

DAC是用來將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的轉(zhuǎn)換器。實(shí)現(xiàn)這一功能的方法很多，而目前在集成化的DAC中經(jīng)常使用的一種是倒置的T形網(wǎng)絡(luò)DAC，其基本電路如圖8.1.1所示。圖8.1.1倒置的T形網(wǎng)絡(luò)DAC圖中：Uref為基準(zhǔn)電壓，S0,…,S3為4位二進(jìn)制數(shù)D0，…，D3控制的模擬開關(guān)。設(shè)某位的數(shù)字信號(Di)為1時(shí)，對應(yīng)的模擬開關(guān)Si接1位，否則接0位。再從圖中我們可以看出：由于運(yùn)放的“虛地”特性，故Si無論接1位還是接0位，對R-2RT形網(wǎng)絡(luò)各點(diǎn)的電位大小和電流大小都不產(chǎn)生影響。模擬開關(guān)的作用只是決定電流的流向：是流入地，還是流入“虛地”(即運(yùn)放的反向輸入端)。下面我們來分析一下各電流大小，假設(shè)所有的Si都接0位(即接地)，那么則有圖8.1.2所示的簡化電路圖。圖8.1.2由圖可看出：又即：我們再來看圖8.1.1，只有當(dāng)Di=1時(shí)所對應(yīng)的電流Ii才會流入運(yùn)放的反相輸入端與其他電流相加，故有：這就是一個(gè)4位二進(jìn)制數(shù)碼表示的十進(jìn)制數(shù)，也就是說實(shí)現(xiàn)了數(shù)/模轉(zhuǎn)換的基本要求。

當(dāng)Rf=R時(shí)對于n位二進(jìn)制數(shù)，可將R-2RT形網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到n個(gè)節(jié)點(diǎn)，對應(yīng)的D/A轉(zhuǎn)換后的輸出電壓為8.1.2數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)1.精度

D/A轉(zhuǎn)換器的精度是實(shí)際輸出值與理論值之差，它包含有非線性誤差、比例誤差和漂移誤差。2.分辨率

D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率是指電路的最小輸出電壓增量(ULSB)與最大輸出電壓(UM)之比。一個(gè)n位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為故輸入數(shù)字量的位數(shù)n越多的D/A轉(zhuǎn)換器，其分辨率越高。3.轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間也可稱輸出建立時(shí)間，它是從輸入數(shù)字信號開始，到輸出電壓或電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)值所需要的時(shí)間。8.1.3集成D/A轉(zhuǎn)換器AD7520

集成D/A轉(zhuǎn)換器的種類很多，有AD7520，DAC0832，DAC1210，DAC82等等。下面我們以AD7520集成D/A轉(zhuǎn)換器為例，介紹它的應(yīng)用電路。

AD7520的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖類似于圖8.1.1，只是它是由10個(gè)節(jié)點(diǎn)的倒置R-2RT形網(wǎng)絡(luò)等組成，并將運(yùn)算放大器上的反饋電阻Rf也集成在一起，目的是使Rf與倒T形網(wǎng)絡(luò)電阻的性能及所處環(huán)境保持一致，以提高器件的轉(zhuǎn)換精度。它內(nèi)部不含運(yùn)算放大器，使用時(shí)需外加。圖8.1.3AD7520的引腳圖

D0~D9為10個(gè)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(gè)引出端，另一個(gè)引出端和IO1端連接在一起。

UREF端為基準(zhǔn)電壓輸入端。+UDD端接電源的正端。

GND端為接地端。圖8.1.4為AD7520的典型應(yīng)用電路之一，它是一單極性輸出的應(yīng)用電路。由原理我們可得出：注意：uO和UREF的極性相反，若要輸出正電壓，可使UREF為負(fù)，或者在輸出端再加一反相比例放大器。圖8.1.4AD7520單極性輸出的應(yīng)用電路8.2模/數(shù)轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換器的種類很多，而應(yīng)用比較廣泛的主要有三種類型：逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器和V/F變換式A/D轉(zhuǎn)換器。下面我們分別來介紹逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器和雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器。8.2.1逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器原理圖8.2.1是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的電原理圖。圖中：UIN為一待轉(zhuǎn)換的模擬輸入信號，U′為一推測信號，此推測信號由D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換而得，通過改變DAC的數(shù)字輸入信號就可改變推測信號U′。當(dāng)推測信號U′與輸入的模擬信號相等時(shí)，推測信號U′所對應(yīng)的數(shù)字量就是模擬輸入信號轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。問題是如何改變推測信號使其盡快地與模擬輸入信號相等。大家都知道，如果讓你來快速推測一個(gè)64以內(nèi)的自然數(shù)，你當(dāng)然會這樣做：你會問是否大于32?如不是，你又會問是否大于16?如是，你又會問是否大于24?……這樣，你只需6次就可推測出這個(gè)自然數(shù)。逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器就是用這一方法進(jìn)行推測的。具體方法是：使二進(jìn)制計(jì)數(shù)器中最高位置1，進(jìn)行測試，若模擬輸入信號UIN小于推測信號U′，則比較器輸出為0，通過邏輯電路使二進(jìn)制計(jì)數(shù)器中最高位清0，否則保持該位為1，再使二進(jìn)制計(jì)數(shù)器中次高位置1，進(jìn)行測試，若模擬輸入信號UIN小于推測信號U′，則比較器輸出為0，通過邏輯電路使二進(jìn)制計(jì)數(shù)器中次高位清0，否則保持該位為1，再進(jìn)行低一位比較……直到最低位比較完為止。此時(shí)的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的數(shù)字量就對應(yīng)了模擬輸入信號，這樣就完成了模/數(shù)轉(zhuǎn)換過程。圖8.2.1逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器電原理圖8.2.2雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器原理圖8.2.2(a)是雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的原理圖。其基本原理是：先對一待轉(zhuǎn)換的模擬輸入電壓進(jìn)行定時(shí)積分(第一次積分)，然后再對標(biāo)準(zhǔn)電壓(極性與模擬輸入電壓相反)進(jìn)行反向定速率積分(第二次積分)，直到積分輸出返回初始值。由于在給定時(shí)間內(nèi)的積分輸出量正比于模擬輸入電壓，而在給定速率下的反向積分使積分輸出返回初始值所需時(shí)間正比于此過程開始時(shí)的積分輸出量，所以第二次積分所需時(shí)間正比于模擬輸入電壓。用一標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)鐘脈沖來測量這個(gè)時(shí)間，就可以得到相應(yīng)模擬輸入電壓的數(shù)字量，即完成了A/D轉(zhuǎn)換。下面以正極性的模擬輸入電壓為例，定量說明其工作情況。工作波形如圖8.2.2(b)所示。在A/D轉(zhuǎn)換前，先將計(jì)數(shù)器清0，電容C放電，開關(guān)S斷開，然后：(1)定時(shí)積分(第一次積分)：(TCP為CP脈沖的周期)由此可見，積分輸出量正比于模擬輸入電壓。圖8.2.2雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器原理圖及工作波形圖圖8.2.2雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器原理圖及工作波形圖圖8.2.2雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器原理圖及工作波形圖(2)定速率積分(第二次積分)：由于t時(shí)刻積分輸出返回到初始值零故即由此可見，計(jì)數(shù)器所計(jì)脈沖數(shù)N與模擬輸入電壓uI成正比，N所對應(yīng)的二進(jìn)制代碼即為數(shù)字量的輸出，這樣就實(shí)現(xiàn)了A/D轉(zhuǎn)換。這種雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器由于采用了二次積分方式，于是將RC因子消除了，或者說RC參數(shù)對轉(zhuǎn)換精度影響很小，又由于采用了積分方式，故抗對稱干擾(工頻干擾等)能力特別強(qiáng)，然而，正由于采用了積分方式，故它的轉(zhuǎn)換時(shí)間較長，所以雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器適用于要求精度較高而轉(zhuǎn)換速度不高的場合。8.2.3采樣-保持電路當(dāng)對一個(gè)非緩變的模擬輸入電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，為保證在A/D轉(zhuǎn)換時(shí)輸入的模擬電壓不變，有必要在A/D轉(zhuǎn)換前對模擬輸入電壓進(jìn)行采樣-保持。如圖8.2.3所示為采樣-保持電路的基本組成部分。其中模擬開關(guān)S由采樣脈沖CP進(jìn)行邏輯控制。當(dāng)模擬開關(guān)S合上后，電容C上的電壓跟隨模擬輸入電壓uI，當(dāng)某一時(shí)刻模擬開關(guān)S斷開，則電容C上所保持的電壓值即為這一時(shí)刻模擬輸入電壓瞬時(shí)值uI。于是便完成了采樣-保持這一過程。電路要求電容C的充電時(shí)間遠(yuǎn)小于模擬輸入電壓的變化時(shí)間，同時(shí)電容C的保持時(shí)間又要遠(yuǎn)大于所用A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間。圖8.2.3采樣-保持電路基本部分8.2.4A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)1.精度

A/D轉(zhuǎn)換器的精度是指有實(shí)際輸出數(shù)字量對應(yīng)的理論模擬輸入電壓與實(shí)際模擬輸入電壓之差，它包含有量化誤差、偏移誤差、非線性誤差、滿刻度誤差等。2.分辨率

A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率是指電路輸出數(shù)字量變化一個(gè)最小單位(LSB)所需輸入模擬電壓的變化量。一個(gè)n位的A/D轉(zhuǎn)換器，當(dāng)滿刻度電壓為UM時(shí)，其分辨率則為此值越小，說明分辨率越高。由此可見A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，其分辨率就越高。

3.轉(zhuǎn)換時(shí)間

A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間是指該A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換一次所需的時(shí)間(包括穩(wěn)定時(shí)間)。8.2.5集成A/D轉(zhuǎn)換器ADC0801電路

ADC0801是較流行的中速廉價(jià)型單通道8位全MOSA/D轉(zhuǎn)換器，它內(nèi)部含時(shí)鐘電路，只要外接一個(gè)電阻和一個(gè)電容就可由自身提供時(shí)鐘信號，允許模擬輸入信號是差動的或不共地的電壓信號。圖8.2.4為此電路的引腳圖。圖中：

是數(shù)字控制輸入端，和

用來控制A/D的啟動，和

用來讀A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。

CLKI和CLKR是時(shí)鐘電路引出端，兩端外接一對電阻和電容即可產(chǎn)生A/D轉(zhuǎn)換所要求的時(shí)鐘。圖8.2.4ADC0801引腳圖

是A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出端，如將

與，

相連接，則此A/D轉(zhuǎn)換器處于自動循環(huán)轉(zhuǎn)換狀態(tài)。

U+IN和U-IN為被轉(zhuǎn)換電壓信號的輸入端。

AGND和DGND為模擬接地端和數(shù)字接地端，分開設(shè)置是為了防止數(shù)字信號對模擬信號的干擾。

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