1、第 8 章 模擬量與數(shù)字量 轉(zhuǎn)換,概 述,能將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的電路稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC；能將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC。ADC和DAC是溝通模擬電路和數(shù)字電路的橋梁，也可稱之為兩者之間的接口。,一、 D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理,將輸入的每一位二進(jìn)制代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將代表各位的模擬量相加，所得的總模擬量就與數(shù)字量成正比，這樣便實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。,基本原理,第1節(jié) D/A轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換特性,D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性，是指其輸出模擬量和輸入數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。圖示是輸入為3位二進(jìn)制數(shù)時(shí)的D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性

2、。理想的D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性，應(yīng)是輸出模擬量與輸入數(shù)字量成正比。即：輸出模擬電壓 uo=KuD或輸出模擬電流io=KiD。其中Ku或Ki為電壓或電流轉(zhuǎn)換比例系數(shù)，D為輸入二進(jìn)制數(shù)所代表的十進(jìn)制數(shù)。如果輸入為n位二進(jìn)制數(shù)dn-1dn-2d1d0，則輸出模擬電壓為：,（1）分辨率指分辨最小電壓的能力。有時(shí)也用輸入數(shù)字量的有效位數(shù)來表示分辨率。,（2）輸出電壓( 電流 )的建立時(shí)間輸入數(shù)字量為全0到全1，輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定值所需要的時(shí)間。超高速（100nS);較高速(100nS1 S)；高速(1 10 S)；中速(10100S）；低速（100S）。,（3）轉(zhuǎn)換誤差 一般用最低有效位為1時(shí)輸出電壓的1

3、/2來表示。,失調(diào)誤差 增益誤差 非線性誤差,二、 D/A轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成,不論模擬開關(guān)接到運(yùn)算放大器的反相輸入端（虛地）還是接到地，也就是不論輸入數(shù)字信號(hào)是1還是0，各支路的電流不變的。,設(shè)RF=R/2,輸出模擬電壓的大小直接與輸入 二進(jìn)制數(shù)的大小成正比，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字量 到模擬量的轉(zhuǎn)換 。,對(duì)于權(quán)電阻DAC而言，n位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為模擬量：,分別從虛線A、B、C、D處向右看的二端網(wǎng)絡(luò)等效電阻都是R。 不論模擬開關(guān)接到運(yùn)算放大器的反相輸入端（虛地）還是接到地，也就是不論輸入數(shù)字信號(hào)是1還是0，各支路的電流不變。,三、集成D/A轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用,DAC 0832 管腳分布圖,DAC 0832 簡(jiǎn)化電路框圖

4、,本節(jié)小結(jié),D/A轉(zhuǎn)換器的功能是將輸入的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)輸出。D/A轉(zhuǎn)換器根據(jù)工作原理基本上可分為二進(jìn)制權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器和倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器兩大類。由于倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器只要求兩種阻值的電阻，因此最適合于集成工藝，集成D/A轉(zhuǎn)換器普遍采用這種電路結(jié)構(gòu)。,如果輸入的是n位二進(jìn)制數(shù)，則D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為：,第2節(jié) A / D 轉(zhuǎn)換器,A/D轉(zhuǎn)換器的任務(wù)是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,它是模擬信號(hào)和數(shù)字儀器的接口。,一、 A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理,模數(shù)轉(zhuǎn)換一般分為取樣、保持和量化、編碼兩步進(jìn)行。,（）取樣、保持,取樣就是對(duì)模擬信號(hào)周期性地抽取樣值，使模擬信號(hào)變成

5、時(shí)間上離散的脈沖串，取樣值取決于取樣時(shí)間內(nèi)輸入模擬信號(hào)的大小。 根據(jù)取樣定理，取樣頻率的選取一般為：,vI,S(t),vO,A,7,取樣保持電路,C,(a),S,A1,L,vI,S(t),A2,vO,C,30,300,RP,VB,6,5,4,1,2,3,8,（外接）,調(diào)零,（外接）,(b),V,V,要對(duì)模擬信號(hào)的取樣值進(jìn)行量化和編碼，必須使取樣值保持一定的時(shí)間。 取樣和保持是由取樣保持電路完成的。,模擬電壓,vI/V,量化值,二進(jìn)制數(shù)輸出,7,6,5,4,3,2,1,0,7.5,6.5,5.5,4.5,3.5,2.5,1.5,0.5,7,=7 V,111,6,=6 V,110,5,=5 V,1

6、01,4,=4 V,100,3,=3 V,011,2,=2 V,010,1,=1 V,001,0,=0 V,000,（）量化、編碼,用數(shù)字量表示取樣電壓值時(shí)，要將取樣電壓化為某個(gè)最小數(shù)量單位(1 LSB) 的整數(shù)倍，這一轉(zhuǎn)換過程稱為量化，所取的最小單位稱為量化單位，用表示，= 1 LSB。將量化的結(jié)果轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的代碼，稱為編碼。,實(shí)際輸入電壓值與量化值之間的偏差稱為量化誤差。,四舍五入量化法： 采用四舍五入的方法量化取整。最大量化誤差為/2。,模擬電壓,vI/V,量化值,二進(jìn)制數(shù)輸出,8,7,6,5,4,3,2,1,7,=7 V,111,6,=6 V,110,5,=5 V,101,4,=4 V

7、,100,3,=3 V,011,2,=2 V,010,1,=1 V,001,0,=0 V,000,量化方法之二 只舍不入法,0,舍去小數(shù)量化法： 舍去小數(shù)直接取整，最大量化誤差為。,完成量化編碼工作的電路是ADC。按工作原理不同，可分為直接ADC和間接ADC。,直接ADC 是將輸入模擬電壓直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，如并聯(lián)比較型ADC和逐次比較型ADC。 間接ADC 是先將輸入模擬電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間或頻率，然后再把這些中間量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，如雙積分型ADC。,（1）分辨率 A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率用輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示，位數(shù)越多，誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高。 例如，輸入模擬電壓的變化范圍為05V，輸出8位二進(jìn)制數(shù)可

8、以分辨的最小模擬電壓為5V2820mV；而輸出12位二進(jìn)制數(shù)可以分辨的最小模擬電壓為5V2121.22mV。,（2）轉(zhuǎn)換誤差 在零點(diǎn)和滿度都校準(zhǔn)以后，整個(gè)轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)實(shí)測(cè)值與理論值之間的最大偏差。通常以LSB為單位，以相對(duì)誤差的形式來表示。,（3）轉(zhuǎn)換速度 轉(zhuǎn)換速度是指完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間是指從接到轉(zhuǎn)換控制信號(hào)開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字輸出信號(hào)所經(jīng)過的這段時(shí)間。,二 、 A/D轉(zhuǎn)換器的類型,直接型A/D轉(zhuǎn)換器,間接型A/D轉(zhuǎn)換器,逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器,并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器,雙積分型ADC,1、并聯(lián)比較型,ui,Us,R,R,R,R,R,R,R,R,D2,D1,D0,數(shù)字輸出,A

9、,G,F,E,C,D,B,編,碼,器,7Us /8,6Us /8,5Us /8,4Us /8,3Us /8,2Us /8,Us /8,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。,三位并聯(lián)比較由以下3部分組成：,比較器：由個(gè)電壓比較器組成，“”輸入端接輸入電壓ui，“”輸入端接一定值的比較電壓uR，若 ui uR ，比較器輸出為1，反之輸出為0。 分壓電阻鏈：由個(gè)電阻組成，將基準(zhǔn)電壓進(jìn)行分壓，獲得個(gè)比較器的比較電壓uR。 線線優(yōu)先編碼器：輸入、輸出均為高電平有效（具有優(yōu)先級(jí)）。,2、逐次逼近式ADC,工作原理可用天平秤重過程作比喻來說明。若有四個(gè)砝碼共重15克，每個(gè)重量分別為8、4、2、1克。設(shè)待秤重量Wx = 13.4克，可以用下表步驟來秤量：,原理 框圖,四、 集成ADC,集成ADC：逐次比較型、雙積分型等； 8位、12位、20位等,集成ADC0809： 8位、前置8選1模擬開關(guān)、 后置三態(tài)輸出數(shù)據(jù)鎖存器， 另有相應(yīng)的控制端，便于程序控制，易于直接微機(jī)。,思考題 1、DAC和ADC有什么用途? 2、 R-2R T形電阻網(wǎng)絡(luò)有