第11章D/A與A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字電子技術(shù)

DigitalElectronicsTechnology海南大學(xué)《數(shù)字電子技術(shù)》課程組教學(xué)網(wǎng)址：/szjpkc討論空間：http://975885101./E-mail:975885101@11.1概述1.模-數(shù)轉(zhuǎn)換定義：模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換稱為模-數(shù)轉(zhuǎn)換，或稱為A/D（AnalogtoDigital）。把實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的電路稱為A/D轉(zhuǎn)換器（AnalogDigitalConverterADC）。2.數(shù)-模轉(zhuǎn)換定義：模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換稱為模—數(shù)轉(zhuǎn)換，或稱為A/D（AnalogtoDigital）把實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的電路稱為D/A轉(zhuǎn)換器（DigitalAnalogConverterDAC）。典型數(shù)字控制系統(tǒng)框圖11.1概述DAC網(wǎng)絡(luò)DAC權(quán)電阻倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)DACADC直接ADC間接ADC權(quán)電流型DAC權(quán)電容型DAC開關(guān)樹型DAC輸入/輸出方式并行串行11.1概述3.分類運(yùn)算放大器總的輸入電流為

運(yùn)算放大器的輸出電壓為

若RF=1/2R，代入上式后則得

11.2D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓正比于輸入的數(shù)字量D=Dn-1Dn-2

…D1=D0，從而實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。當(dāng)D=Dn-1…D0=0時(shí),

uo

=0因而uo

的變化范圍是：

當(dāng)D=Dn-1…D0=11…1時(shí)，最大輸出電壓：電路簡單，器件少。但精度由電阻的精度定，此電路中阻值差別大，對(duì)集成不利。特點(diǎn)：

11.2D/A轉(zhuǎn)換器自學(xué)內(nèi)容：雙級(jí)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器Di=1，Si將電阻接到運(yùn)放反向輸入端Di=0，Si將電阻接到運(yùn)放同向輸入端都是虛地，各支路電流不會(huì)變化11.2D/A轉(zhuǎn)換器2.倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器

流入2R支路的電流是依2的倍速遞減。流入運(yùn)算放大器的電流為：

11.2D/A轉(zhuǎn)換器運(yùn)算放大器的輸出電壓為：

若RF=R，并將I=UR/R代入上式，則有

可見，輸出模擬電壓正比于數(shù)字量的輸入。

11.2D/A轉(zhuǎn)換器3.八位集成DAC0832（1）引腳排列圖

11.2D/A轉(zhuǎn)換器（2）內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

11.2D/A轉(zhuǎn)換器（3）DAC0832的三種工作方式（1）

11.2D/A轉(zhuǎn)換器（3）DAC0832的三種工作方式（2）

11.2D/A轉(zhuǎn)換器（3）DAC0832的三種工作方式（3）

由于模擬量時(shí)間和（或）數(shù)值上是連續(xù)的，而數(shù)字量在時(shí)間和數(shù)值上都是離散的，所以轉(zhuǎn)換時(shí)要在時(shí)間上對(duì)模擬信號(hào)離散化（采樣），還要在數(shù)值上離散化（量化），一般步驟為：采樣保持量化編碼11.3A/D轉(zhuǎn)換器1.A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理

（1）采樣定理模擬信號(hào)采樣信號(hào)取樣頻率fS必須大于等于輸入模擬信號(hào)包含的最高頻率fmax的兩倍，即：

11.3A/D轉(zhuǎn)換器（2）量化和編碼

量化：

將采樣電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字量最小數(shù)量單位的整數(shù)倍的過程。用表示編碼：將量化結(jié)果用代碼表示出來。量化誤差：由于模擬量不一定能被整除。11.3A/D轉(zhuǎn)換器例如：要將01V的模擬電壓轉(zhuǎn)換為三位二進(jìn)制代碼。方法1：?。?/8V，01/8V的電壓以0×表示，則：模擬電壓二進(jìn)制編碼代表的模擬電壓電平可見量化誤差最大達(dá)=1/8V。11.3A/D轉(zhuǎn)換器方法2：?。?/15V，01/15V的電壓以0×表示，則模擬電壓二進(jìn)制編碼代表的模擬電壓電平可見量化誤差最大達(dá)/2=1/15V。11.3A/D轉(zhuǎn)換器MOS管，做模擬開關(guān)采樣控制信號(hào)保持電容采樣輸出波形（3）采樣－保持電路11.3A/D轉(zhuǎn)換器（1）并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器11.3A/D轉(zhuǎn)換器1.直接A/D轉(zhuǎn)換器

寄存器：由七個(gè)D觸發(fā)器構(gòu)成。在時(shí)鐘脈沖CP的作用下，將比較結(jié)果暫時(shí)寄存，以供編碼用。

編碼器：由六個(gè)與非門構(gòu)成。將比較器送來的七位二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換成三位二進(jìn)制代碼D2、D1、D0。編碼網(wǎng)絡(luò)的邏輯關(guān)系為：11.3A/D轉(zhuǎn)換器并聯(lián)型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換關(guān)系11.3A/D轉(zhuǎn)換器

例如：假設(shè)模擬輸入U(xiǎn)IN=3.8V，UR=8V。當(dāng)模擬輸入U(xiǎn)IN=3.8V加到各級(jí)比較器時(shí)，由于因此，比較器的輸出C6~C0為0001111。在時(shí)鐘脈沖作用下，比較器的輸出存入寄存器，經(jīng)編碼網(wǎng)絡(luò)輸出A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果：D2D1D0=100。優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度很快。

缺點(diǎn)：電路復(fù)雜，轉(zhuǎn)換精度較低。11.3A/D轉(zhuǎn)換器（2）反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器11.3A/D轉(zhuǎn)換器（3）逐次漸進(jìn)型A/D轉(zhuǎn)換器11.3A/D轉(zhuǎn)換器（1）雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器11.3A/D轉(zhuǎn)換器2.間接A/D轉(zhuǎn)換器積分器：輸入端接開關(guān)S，S受觸發(fā)器Fn的控制。當(dāng)Qn=0時(shí)，S接輸入電壓+Ui，積分器對(duì)輸入信號(hào)電壓+Ui（正極性）積分（正向積分）。當(dāng)Qn=1時(shí)，S接基準(zhǔn)電壓-UR（負(fù)極性），積分器對(duì)基準(zhǔn)電壓-UR積分（負(fù)向積分）。積分器輸出Uo接零值比較器。

11.3A/D轉(zhuǎn)換器零值比較器：其輸出UC作為控制門G的門控信號(hào)。當(dāng)積分器輸出Uo≤0時(shí)，比較器輸出UC=1；當(dāng)積分器輸出Uo>0時(shí)，比較器輸出UC=0。當(dāng)零值比較器輸出UC=1時(shí)，G門開，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖通過G門加到計(jì)數(shù)器；時(shí)鐘控制門G：當(dāng)零值比較器輸出UC=0時(shí)，G門關(guān)，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖不能通過G門加到計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。11.3A/D轉(zhuǎn)換器計(jì)數(shù)器：由n+1個(gè)觸發(fā)器構(gòu)成，F(xiàn)n-1…F1F0構(gòu)成n位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，F(xiàn)n實(shí)現(xiàn)對(duì)S的控制。11.3A/D轉(zhuǎn)換器電壓波形取樣階段：其中τ=RC為積分時(shí)間常數(shù)。

當(dāng)+Ui為正極性不變常量時(shí)，Uo（T1）值為：

11.3A/D轉(zhuǎn)換器比較階段：開關(guān)轉(zhuǎn)至-UR后，積分器對(duì)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行負(fù)向積分，積分器輸出為：當(dāng)Uo＞0時(shí)，零值比較器輸出UC=0，G門關(guān)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，完成一個(gè)轉(zhuǎn)換周期。假設(shè)此時(shí)計(jì)數(shù)器已記錄了α個(gè)脈沖，