1、第十章 數(shù) / 模 、 模 / 數(shù) 變換器,10. 1 概述,10. 2 數(shù) / 模轉(zhuǎn)換器,10. 3 模 / 數(shù)轉(zhuǎn)換器,10.1 概述,A / D ：,Analog to Digital,D / A ：,Digital to Analog,10. 2 數(shù) / 模 轉(zhuǎn)換器 ( DAC ),10. 2. 3 T型電阻網(wǎng)絡(luò)型,10. 2. 1 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型,10. 2. 2 權(quán)電流型,10. 2. 4 D/A變換器的主要技術(shù)指標(biāo),10. 2. 5 集成 DAC 0832及其應(yīng)用,10. 2. 1 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型 D / A 轉(zhuǎn)換器 ：,所謂“權(quán)電阻”，,是指電阻值的大小，,與有關(guān)數(shù)字量的權(quán)重密切相關(guān)

2、。,電子開(kāi)關(guān) ：,Dn = 1 時(shí)，,Sn 接VREF ；,Dn = 0 時(shí)，,Sn 接地端 。,T2 管飽和導(dǎo)通，,模擬電子開(kāi)關(guān)的,簡(jiǎn)化原理電路,當(dāng) D = 1 時(shí)，,1,0,S 點(diǎn)與 a 點(diǎn)相通 ，,T1 管截止 ，,而 a 點(diǎn)在電路中和VREF連 。,T2 管截止，,模擬電子開(kāi)關(guān)的,簡(jiǎn)化原理電路,當(dāng) D = 0 時(shí)，,0,T1 管飽和導(dǎo)通，,1,S 點(diǎn)與地相通 。,VREF,I1 = 2I0,I2 = 4I0,I3 = 8I0,當(dāng) D3D2D1D0 = 1111時(shí) ：,(LSB),(MSB),I = I0 + I1 + I2 + I3,最低位,最高位,I0 =,VREF,23 R,參考電

3、壓,I = I0 + I1 + I2 + I3,uo = - IR / 2,10. 2. 2 權(quán)電流網(wǎng)絡(luò)型 D / A 轉(zhuǎn)換器 ：,每個(gè)支路電流的大小，與有關(guān)數(shù)字量的權(quán)重密切相關(guān)。,10. 2. 3 T形解碼網(wǎng)絡(luò)D / A轉(zhuǎn)換器( 以4位為例 ),通過(guò)詳細(xì)的推導(dǎo)分析，,即可獲得模擬輸出電壓 uo 與數(shù)字量以及電路中其它參數(shù)的關(guān)系。,I = I3 + I2 + I1 + I0,10. 2. 4 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo),一、分辨率,用輸入數(shù)字量的有效位數(shù)來(lái)表示分辨率。,此外，,也可以用D/A轉(zhuǎn)換器能夠分辨出來(lái)的最小輸出電壓,(此時(shí)輸入的數(shù)字代碼只有最低有效位為 1，其余各位都是 0 ),與最大

4、輸出電壓,(此時(shí)輸入的數(shù)字代碼所有各位全是 1 ),之比來(lái)給出分辨率 。,例如，,對(duì)一個(gè)十位D/A轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō) ，,二、轉(zhuǎn)換誤差,7. 2. 4 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo),轉(zhuǎn)換誤差通常用輸出電壓滿刻刻度FSR ( Full Scale Range ) 的百分?jǐn)?shù)表示 。,這就表示輸出模擬 電壓的絕對(duì)誤差等于輸入數(shù)字代碼為 0001 時(shí)輸出電壓的一半 。,造成轉(zhuǎn)換誤差的原因主要有 ：,參考電壓 VREF的波動(dòng) ；,運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移 ；,模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通內(nèi)阻和導(dǎo)通電壓 ；,電阻網(wǎng)絡(luò)中的電阻值偏差 ；.,10. 2. 4 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo),三、D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度,為了便于定量地描述D/

5、A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換 速度 ，,定義了建立時(shí)間 tS 和轉(zhuǎn)換速率 SR兩 個(gè)參數(shù) 。,1. 建立時(shí)間 tS,通常以大信號(hào)工作情況下,( 輸入由全 0 變?yōu)槿?1 或者由全 1 變?yōu)?全 0 ),輸出電壓到達(dá)某一規(guī)定值所需要的時(shí) 間定為建立時(shí)間 tS 。,建立時(shí)間最短的可達(dá) 0. 1s 。,這個(gè)參數(shù)的值越小越好 。,2. 轉(zhuǎn)換速率 SR,轉(zhuǎn)換速率 SR 以大信號(hào)工作狀態(tài)下 輸出模擬電壓的變化率表示 。,D/A轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需要的 時(shí)間應(yīng)包括建立時(shí)間和上升(或下降)時(shí) 間兩部分 ，,它的最大值為,TTR(max) = tS + VO(max) / SR,其中 VO(max) 為輸出電壓的最大值 。

6、,10. 2. 5 集成 DAC 0832及其應(yīng)用,D/A轉(zhuǎn)換器集成電路有多種型號(hào)。下面僅以DAC0832為例來(lái)介紹集成電路 D/A 變換器。,它是八位的 D/A 轉(zhuǎn)換器，即在對(duì)其輸入八位數(shù)字量后，通過(guò)外接的運(yùn)算放大器，可以獲得相應(yīng)的模擬電壓值。,下圖是它的封裝管腳圖和內(nèi)部電路圖：,DAC 0832 管腳分布圖,ADC 0832 簡(jiǎn)化電路框圖,AGND,DGND,UR,VCC,uo,運(yùn)放需 要外接,輸入數(shù)據(jù)先存放在寄存器(1) 中，,而輸出的模擬值由存 放在寄存器(2)內(nèi)的數(shù)據(jù)決定。,當(dāng)把數(shù)據(jù)由輸入寄存器(1)轉(zhuǎn)存到DAC寄存器 (2)以后，,輸入寄存器(1)就可以接受新數(shù)據(jù)而不影 響模擬輸出

7、值。,該結(jié)構(gòu)便于多路DAC同時(shí)工作。,ILE,當(dāng)這三個(gè)控制端均有效時(shí)，,LE1,LE1端才有效 ，,否則 就不隨數(shù)據(jù)總線而變化 。,變高時(shí) ，,八位輸入寄存器便將輸入數(shù)據(jù)鎖存 。,寄存器(1)的輸出隨其輸入變化，,當(dāng)這兩個(gè)控制端均有效時(shí)，,LE2端才有效 ，,變高時(shí) ，,八位DAC寄存器便將輸入數(shù)據(jù)鎖存 。,LE2,寄存器(2)的輸出隨其輸入變化，,例. 單步輸入操作 - 適用于單個(gè)DAC工作,10. 3 模 / 數(shù) 轉(zhuǎn)換器 ( ADC ),10. 3. 2 并聯(lián)比較型,10. 3. 3 逐次逼近型,10. 3. 4 A / D 轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo),10. 3. 5 集成 ADC0804 及

8、其應(yīng)用,10. 3. 1 采樣定理,因?yàn)檩斎氲哪M量在時(shí)間上是連續(xù)的，,10. 3. 1 采樣定理,在A / D轉(zhuǎn)換中，,而輸出的數(shù)字信號(hào)是離 散量，,所以進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)只能在一系列選定的瞬間 (亦即瞬間坐標(biāo)軸上的一些規(guī)定點(diǎn)) 對(duì)輸入的模擬信號(hào)采樣，,然后再把這些采樣值轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字量 。,A / D 轉(zhuǎn)換過(guò)程應(yīng)包括 ：,采樣、,保持、,量化、,編碼 這四個(gè)步驟 。,1. 采樣定理,為了保證能從采樣信號(hào)將原來(lái)的被采樣信號(hào)恢復(fù)，,必須滿足,fS ： 采樣頻率 。,f i max ：,ui 的最高頻分 量的頻率 。,2. 量化和編碼,數(shù)字信號(hào)不僅在時(shí)間上是離散的，,而且，,數(shù)值大小的變化也是不連續(xù)的

9、。,這就是說(shuō)，,任何一個(gè)數(shù)字量的大小只能是某個(gè)規(guī)定的最 小數(shù)量單位的整數(shù)倍。,因此 ，,在進(jìn)行 A / D 轉(zhuǎn)換時(shí)也必須把采樣電壓化為這個(gè)最小單位 的整數(shù)倍。,這個(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)程就叫做 “量化”，,所取的最少數(shù)量單位叫做量化單位，,顯然，數(shù)字信號(hào)最低有效位的 1 代表的數(shù)量 大小就等于 。,把量化的結(jié)果用代碼 (二進(jìn)制或二 十 進(jìn)制 )表示出來(lái)，,稱為 “ 編碼 ” 。,3. 采樣 保持電路,當(dāng) UL為高電平時(shí)，,MOS管T導(dǎo)通，,ui 經(jīng)電阻 R1和管T向電容 CF充電 。,當(dāng) UL為低電平時(shí)，,MOS管T截止，,忽略各種漏電流，電容CF上的電壓得以保持 。,10. 3. 2 并聯(lián)比較型,電路如左

10、圖所示， 它由三部分組成：,這種A/D 變換器的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快，缺點(diǎn) 是所需比較器數(shù)目多，位數(shù)越多矛盾越突出。,分壓器、,比較器、,和編碼器。,邏輯狀態(tài)關(guān)系表,設(shè)待秤重量 Wx = 13克，,10. 3. 3 逐次逼近型,其工作原理可用天平秤重過(guò)程作比喻來(lái)說(shuō)明。,若有四個(gè)砝碼共重15克，,每個(gè)重量分別為 8、4、2、1克 。,可以用下表步驟來(lái)秤量 ：,第一次,8 克,砝碼總重 待測(cè)重量Wx ，,8 克,第二次,加4克,砝碼總重仍 待測(cè)重量Wx ，,12 克,第三次,加2克,砝碼總重 待測(cè)重量Wx ，,12 克,第四次,砝碼總重 待測(cè)重量Wx ，,加1克,13 克,故保留,故保留,故撤除,故保

11、留,逐次逼近型 ADC工作過(guò)程展示,10. 3. 4 A / D 轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo),一、分辨率：,以輸出二進(jìn)制代碼的位數(shù)表示分辨率。,位數(shù)越多，量化誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高。,二、轉(zhuǎn)換速度：,完成一次 A / D轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間，,即從它接到轉(zhuǎn)換命令起直到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字量輸出所需要的時(shí)間。,三、相對(duì)精度：,實(shí)際轉(zhuǎn)換值和理想特性之間的最大偏差。,四、其它：,功率、,電源電壓、,電壓范圍等。,10. 3. 5 集成 ADC0804 及其應(yīng)用,A / D轉(zhuǎn)換組件有多種型號(hào)可供選擇，,如：高速的，,高分辨率的，,高速且高精度的等等。,使用者可根據(jù)任務(wù)要求進(jìn)行選擇。,下面以 ADC0804 為例

12、 ，,介紹集成電路 A / D 變換器。,ADC 0804 是分辨率為八位的模數(shù)轉(zhuǎn)換組件，,采用逐次逼近型工作原理。,控制,邏輯,時(shí) 鐘,CP,電阻網(wǎng)絡(luò),及電子開(kāi)關(guān),數(shù)據(jù)寄存器,移位寄存器,八,位,三,態(tài),輸,出,鎖,存,器,Ucc,UR/2,AGND,ADC0804 內(nèi)部電路框圖,電壓跟隨器,電壓比較器,ADC 0804 管腳分布圖,ADC0804 工作時(shí)序圖,0,對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行A/D變換,0,讀出輸出數(shù)字信號(hào),中斷請(qǐng)求,AGND,D4,D5,D6,D7,D0,D1,D2,D3,UCC,UR/2,DGND,18,17,16,15,14,13,12,11,CLKR,CLKin,U in(+),U in(