1、第7章 數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器,7.1 D/A轉(zhuǎn)換器 7.2 A/D轉(zhuǎn)換器 本章小結(jié),7.1 D/A 轉(zhuǎn) 換 器,7.1.1 D/A轉(zhuǎn)換器的基本概念 1. D/A轉(zhuǎn)換器的原理 D/A轉(zhuǎn)換器的作用是將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成相應的模擬信號。 其普遍采用的轉(zhuǎn)換方法是將輸入數(shù)字信號按其權(quán)值分別轉(zhuǎn)換成模擬信號，再通過運算放大器求和相加。 如輸入為n位二進制數(shù)(D)2，則對應轉(zhuǎn)換后的模擬信號u應為,圖7-1 D/A轉(zhuǎn)換器框圖,1) 分辨率 分辨率是指對輸出電壓的分辨能力。當D/A轉(zhuǎn)換器輸入相鄰兩個數(shù)碼時所對應的輸出電壓之差為最小可分辨電壓。分辨率的定義為最小可分辨電壓與最大輸出電壓之比， 可表示為,可以看出，分辨率的數(shù)

2、值是與轉(zhuǎn)換器輸入數(shù)字量的有效位數(shù)成反比的，即數(shù)字量的有效位數(shù)越多，分辨率的數(shù)值越小，分辨力越強。因此在實際中常用輸入數(shù)字量的有效位數(shù)來表示分辨率， 如12位D/A的分辨率為12位。,2) 轉(zhuǎn)換精度 轉(zhuǎn)換精度分絕對精度和相對精度。D/A轉(zhuǎn)換器的實際輸出值與理論計算值之差稱為絕對精度， 通常用最小分辨電壓的倍數(shù)表示，如（1/2）ULSB就表示輸出值與理論值的誤差為最小可分辨電壓的一半。相對精度是絕對精度與滿刻度輸出電壓(或電流)之比， 通常用百分數(shù)表示。,3) 轉(zhuǎn)換時間 D/A轉(zhuǎn)換器從接收數(shù)字量開始到輸出電壓或電流達到規(guī)定誤差范圍所需要的時間稱為轉(zhuǎn)換時間，它決定D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。,7.1.2

3、 倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器的原理,圖7-2 倒T形電阻網(wǎng)絡原理圖,電子模擬開關(guān)受輸入二進制數(shù)D0D3控制，隨著D為0或1， 各開關(guān)分別處于圖中0和1的位置。而無論S處于何位置，其電位均為0(運放同相端接地， 反相端虛地)，這樣，從圖中A、B、 C、 D各節(jié)點向里看對地的等效電阻均為R，即,所以電路中的電流關(guān)系如下：,流入運放反相端的總電流在二進制數(shù)D控制下的表達式為,輸出電壓,由上式可以看出，此電路完成了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。倒T形電阻網(wǎng)絡由于其各支路電流不隨開關(guān)狀態(tài)而變化，有很高的轉(zhuǎn)換速度， 因此在D/A轉(zhuǎn)換器中被廣泛使用。,7.1.3 集成D/A轉(zhuǎn)換器及其應用 集成D/A轉(zhuǎn)換器品種繁多

4、。如果從內(nèi)部結(jié)構(gòu)上看，有只包括電阻解碼網(wǎng)絡和電子模擬開關(guān)的基本D/A轉(zhuǎn)換器，也有在內(nèi)部電路中增加了數(shù)據(jù)鎖存器、寄存器的帶有使能控制端的D/A轉(zhuǎn)換器，還有將基準電壓源、求和運放等均集成在芯片上的完整的D/A轉(zhuǎn)換器。如果從使用的角度看，D/A轉(zhuǎn)換器可分兩大類：一類在電子電路中使用，不帶使能控制端，只有數(shù)字信號輸入和模擬信號輸出；另一類為微機應用而設計，帶有使能控制端，可直接與微機及單片機接口。,1. 集成D/A轉(zhuǎn)換器AD7520,圖7-3 AD7520的內(nèi)部電阻網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),圖7-4 AD7520外引線圖,圖7-5 電子模擬開關(guān),2. AD7520的應用 單極性輸出典型D/A電路,圖7-6所示是由AD

5、7520組成的單極性輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換應用電路。 電路由AD7520與求和運算放大器組成，運算放大器接成反向比例形式，反饋電阻RF利用AD7520內(nèi)部提供的10 k電阻，也可另外再串接電阻。 由前面分析可知，此電路的轉(zhuǎn)換關(guān)系為,圖7-6 單極性輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換應用電路,圖7-7 可編程增益放大器,2) 可編程增益放大器 用AD7520可以構(gòu)成可編程增益放大器，電路如圖7-7所示。 電路中運算放大器接成反相比例電路形式，uI為輸入、uO為輸出，Rf作為電路的輸入電阻，而倒T形電阻網(wǎng)絡的總等效電阻作為放大器的反饋電阻。由電路及運放的原理可得出電路增益如下：,可以看出，只要調(diào)整數(shù)字信號D的數(shù)值，即可改變放大器

6、的增益， 做到增益可編程。,7.2 A/D 轉(zhuǎn) 換 器,7.2.1 A/D轉(zhuǎn)換器的基本概念 1. A/D轉(zhuǎn)換器的原理,圖7-8 A/D轉(zhuǎn)換原理框圖,1) 采樣保持 采樣是在在時間上連續(xù)變化的信號中選出可供轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的有限個點。根據(jù)采樣定理，只要采樣頻率大于二倍的模擬信號頻譜中的最高頻率， 就不會丟失模擬信號所攜帶的信息。 這樣就把一個在時間上連續(xù)變化的模擬量變成了在時間上離散的電信號。由于每次把采樣電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量都需要一定的時間，因此在每次采樣后必須將所采得的電壓保持一段時間。 完成這種功能的便是采樣保持電路。圖7-9示出了采樣保持電路的原理電路。,圖7-9 采樣保持電路原理,電路中場效應

7、管V是采樣開關(guān)，受控于采樣脈沖；C是保持電容。當采樣脈沖到來時，模擬開關(guān)閉合，模擬信號經(jīng)V向C充電，C上的電壓跟隨輸入信號變化。當采樣脈沖消失時，模擬開關(guān)便斷開，C上的電壓會保持一段時間。具體情況看波形圖7-10，uI是待轉(zhuǎn)換的模擬信號，ut是取樣脈沖，uO是經(jīng)采樣保持電路處理后的電壓信號。圖7-9中的A是用運放構(gòu)成的緩沖放大器。,2) 量化編碼,圖7-10 模數(shù)轉(zhuǎn)換波形,2. 主要性能指標 1) 分辨率 分辨率是指A/D輸出數(shù)字量變化一個數(shù)碼所對應輸入模擬量的變化范圍。輸出數(shù)字量的位數(shù)越多，能分辨出的最小模擬電壓越小。如8位A/D輸入最大模擬電壓為5 V時，其分辨率為,A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率通

8、常用輸出數(shù)字量的位數(shù)來表示，這與D/A轉(zhuǎn)換器相同。,2) 絕對精度 絕對精度是指經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字量所代表的輸入模擬值與實際輸入模擬值之差。 通常以數(shù)字量最低位所代表的模擬輸入值ULSB作衡量單位， 如 、ULSB等。 3) 轉(zhuǎn)換時間 轉(zhuǎn)換時間是A/D轉(zhuǎn)換器完成一次從模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換所需的時間，它反映了A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。,7.2.2 典型的A/D轉(zhuǎn)換器原理 1. 逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器,圖7-11 逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器原理框圖,逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換原理類似用天平稱重量，一邊是采樣保持電路輸出的模擬電壓ui，另一邊是預先加上的反饋電壓uf（uf是數(shù)碼寄存器中的數(shù)字量經(jīng)D

9、/A轉(zhuǎn)換得來的），用比較器將ui與uf做比較，輸出去控制數(shù)碼寄存器中的數(shù)作加減。經(jīng)反復比較，使反饋電壓uf逐次逼近輸入模擬量ui。具體過程是，首先把數(shù)碼寄存器最高位置1，其余各位置0(即1000)。該數(shù)碼經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后的輸出電壓為uf ，它等于滿量程電壓的一半。將ui與 uf作比較，若ui uf ，比較器輸出C=0， 則通過邏輯控制保留數(shù)碼寄存器最高位的1；若ui uf ，比較器輸出C=1，則將數(shù)碼寄存器最高位的1變?yōu)?。然后，控制器再將數(shù)碼寄存器的次高位置1，低位還是0，此數(shù)碼再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換得出電壓uf ，再與ui進行比較以確定數(shù)碼寄存器的數(shù)值是1還是0。如此反復比較n次，直至數(shù)碼寄存器最低

10、位的值確定。此時數(shù)碼寄存器中產(chǎn)生的數(shù)碼即為A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量。,2. 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器,圖7-12 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器 (a) 原理框圖; (b) 工作波形,下面結(jié)合波形討論工作原理。 t=t0時，控制器將轉(zhuǎn)換開關(guān)打到上面，積分器對模擬電壓ui進行積分。此時，積分器輸出uo小于零，過零比較器輸出ub為1， 計數(shù)器開始對CP脈沖計數(shù)。 t=t1時，計數(shù)器輸入N1個脈沖后，滿容量溢出，計數(shù)器回零。同時，控制器將轉(zhuǎn)換開關(guān)打到下面，積分器對基準電壓-VREF進行反方向積分，計數(shù)器重新計數(shù)。 t=t2時，積分器輸出uo等于零， 過零比較器輸出ub為0，計數(shù)器停止計數(shù)。此時將計數(shù)器中的數(shù)N2輸

11、出到寄存器，完成一次轉(zhuǎn)換。,雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器在一次轉(zhuǎn)換過程中要進行兩次積分。 第一次積分為采樣階段。控制器使開關(guān)S1接至模擬電壓ui，是在固定時間T1內(nèi)進行積分，積分器輸出為,（7-1）,式中，Ui是輸入模擬電壓Ui在0T1時刻的平均值。,第二次積分為比較階段。積分器對基準電壓-VREF進行反向積分。 積分器輸出為,（7-2）,在第二次積分結(jié)束時， 有,（7-3）,設CP脈沖的周期為TC，則式（7-3）可變?yōu)?（7-4）,即,（7-5）,7.2.3 集成A/D轉(zhuǎn)換器及其應用,1. ADC0804 A/D轉(zhuǎn)換器,圖7-13 ADC0804外引線圖,圖7-14 ADC0804的典型應用電路,圖

12、7-14是其典型應用電路。圖中4腳和19腳外接RC電路與內(nèi)部時鐘電路共同形成電路時鐘，其時鐘頻率,對應轉(zhuǎn)換時間約為100 s。,2. ICL7106 A/D轉(zhuǎn)換器 ICL7106是雙積分型CMOS工藝4位BCD碼輸出A/D轉(zhuǎn)換器， 它包含雙積分A/D轉(zhuǎn)換電路、基準電壓發(fā)生器、時鐘脈沖產(chǎn)生電路、自動極性變換、調(diào)零電路、七段譯碼器、LCD驅(qū)動器及控制電路等。電路采用9 V單電源供電，CMOS差動輸入， 可直接驅(qū)動 位液晶顯示器(LCD)。,圖7-15 ICL7106組成直流電壓測量電路,電路中V+對V-之間接9 V直流電壓，通過內(nèi)部基準電壓發(fā)生器在V+到COM之間產(chǎn)生2.8 V基準電壓，經(jīng)分壓電阻

13、加在REF+、 REF-基準電壓輸入端。當輸入量程為200 mV時，基準電壓調(diào)至100 mV; 當輸入量程為2 V時，基準電壓為1 V。OSC1OSC3是時鐘振蕩電路引出端，外接定時電阻、電容產(chǎn)生內(nèi)部時鐘。IN+、 IN-是差動輸入端，將IN-與模擬地COM相連，IN+對COM之間為模擬電壓輸入。U接個位驅(qū)動、T接十位驅(qū)動、H接百位驅(qū)動、 abK是千位驅(qū)動、P0為“-”號驅(qū)動、BP接液晶背板。AZ、BUFF和INT分別接調(diào)零電容、積分電阻和積分電容，通過調(diào)整它們及基準電壓， 可將輸入量程調(diào)至2 V(本電路為200 mV)。,本 章 小 結(jié),A/D和D/A轉(zhuǎn)換器集成芯片又可稱為ADC、DAC，它們都是大規(guī)模集成芯片，在電子系統(tǒng)中被廣泛應用。 D/A轉(zhuǎn)換器可將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，其電路形式按其解碼網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)分為權(quán)電阻網(wǎng)絡、權(quán)電流網(wǎng)絡、T形電阻網(wǎng)絡、倒T形電阻網(wǎng)絡等多種。其中以倒