1、數字邏輯與數字系統數字邏輯與數字系統湖南科技大學計算機科學與工程學院湖南科技大學計算機科學與工程學院主講：余慶春主講：余慶春Email：fishhead_數字邏輯與數字系統數字邏輯與數字系統湖南科技大學計算機科學與工程學院湖南科技大學計算機科學與工程學院本章內容本章內容第十章第十章 數模轉換器與模數轉換器數模轉換器與模數轉換器1 數模轉換器的功能和基本原理數模轉換器的功能和基本原理2 模數轉換器的功能和基本原理模數轉換器的功能和基本原理3 DAC和和ADC的應用的應用數字邏輯與數字系統數字邏輯與數字系統湖南科技大學計算機科學與工程學院湖南科技大學計算機科學與工程學院 概述概述v 在實際工程中大

2、量遇到的是連續變化的物理量。所謂在實際工程中大量遇到的是連續變化的物理量。所謂連續，包括兩方面的含義：一方面從時間上來說，它是隨連續，包括兩方面的含義：一方面從時間上來說，它是隨時間連續變化時間連續變化的；另一方面從數值上來說，它的的；另一方面從數值上來說，它的數值也是數值也是連續變化連續變化的。這種連續變化的物理量通常稱為的。這種連續變化的物理量通常稱為模擬量模擬量。v 在數字系統內部，只能對數字信號進行處理。在數字系統內部，只能對數字信號進行處理。l 必須先轉化成離散的數字信號，再輸入數字系統識別和處理；必須先轉化成離散的數字信號，再輸入數字系統識別和處理；l 又必須把數字系統發出的控制命

3、令等轉化為模擬信號，去驅動又必須把數字系統發出的控制命令等轉化為模擬信號，去驅動模擬調節執行機構。模擬調節執行機構。l 這兩個過程，都需要數這兩個過程，都需要數/模和模模和模/數轉換接口來完成。數轉換接口來完成。第十章第十章 數模轉換器與模數轉換器數模轉換器與模數轉換器數字邏輯與數字系統數字邏輯與數字系統湖南科技大學計算機科學與工程學院湖南科技大學計算機科學與工程學院 概述概述數模轉換數模轉換即將數字量轉換為模擬電量即將數字量轉換為模擬電量( (電壓或電電壓或電流流) )，使輸出的模擬電量與輸入的數字量成正比，使輸出的模擬電量與輸入的數字量成正比。 實現數模轉換的電路稱數模轉換器實現數模轉換的

4、電路稱數模轉換器 Digital - Analog Converter，簡稱簡稱 D/A 轉換器或轉換器或 DAC。 模數轉換模數轉換即將模擬電量轉換為數字量，使輸出即將模擬電量轉換為數字量，使輸出的數字量與輸入的模擬電量成正比。的數字量與輸入的模擬電量成正比。 實現模數轉換的電路稱模數轉換器實現模數轉換的電路稱模數轉換器 Analog - Digital Converter，簡稱簡稱 A/D 轉換器或轉換器或 ADC。 第十章第十章 數模轉換器與模數轉換器數模轉換器與模數轉換器數字邏輯與數字系統數字邏輯與數字系統湖南科技大學計算機科學與工程學院湖南科技大學計算機科學與工程學院A/DA/D 轉

5、換器轉換器 D/AD/A 轉換器轉換器 模擬模擬 控制器控制器 工業生產過程控制對象工業生產過程控制對象 模模 擬擬 傳感器傳感器 ADC和和DAC已成為計算機系統中不可缺少的接口電路。已成為計算機系統中不可缺少的接口電路。將溫度、壓力、流將溫度、壓力、流量、應力等物理量量、應力等物理量轉換為模擬電量。轉換為模擬電量。計算機進行數字處計算機進行數字處理（如計算、濾理（如計算、濾波）、保存等波）、保存等用模擬量作為用模擬量作為控制信號控制信號數字控制數字控制 計算機計算機 概述概述v A/D和和D/A轉換器是把微型計算機的應轉換器是把微型計算機的應用領域擴展到檢測和過程控制的必要裝置，用領域擴展

6、到檢測和過程控制的必要裝置，是把計算機和生產過程、科學實驗過程聯是把計算機和生產過程、科學實驗過程聯系起來的重要橋梁。系起來的重要橋梁。第十章第十章 數模轉換器與模數轉換器數模轉換器與模數轉換器數字邏輯與數字系統數字邏輯與數字系統湖南科技大學計算機科學與工程學院湖南科技大學計算機科學與工程學院壓力, 溫度,流量,液位等通過傳感器轉變成相應的電壓或電流的模擬信號由DAC轉換成模擬量信號的電壓和或電流數字計算機工業控制系統示意圖數字計算機工業控制系統示意圖由計算機依次選通，進入ADC轉換成數字量信號經過計算機數據處理，輸出為數字量計算機選擇某一執行機構，去調節控制對象。數字邏輯與數字系統數字邏輯與

7、數字系統湖南科技大學計算機科學與工程學院湖南科技大學計算機科學與工程學院 10.1 數模轉換器數模轉換器(DAC) D/AD/A轉換器實質上是一個轉換器實質上是一個譯碼器譯碼器（解碼器）。一般常（解碼器）。一般常用的線性用的線性D/AD/A轉換器，其輸出模擬電壓轉換器，其輸出模擬電壓uO O和輸入數字量和輸入數字量D Dn n之間成之間成正比關系正比關系。U UREFREF為參考電壓。為參考電壓。 D/AD/A轉換器是將輸入的轉換器是將輸入的二進制數字量轉換成模擬量二進制數字量轉換成模擬量，以電壓或電流的形式輸出。以電壓或電流的形式輸出。 uo或或 io 輸出輸出 D/A d0 d1 dn1

8、輸入輸入 Dn (LSB) (MSB) uODnUREF第十章第十章 數模轉換器與模數轉換器數模轉換器與模數轉換器數字邏輯與數字系統數字邏輯與數字系統湖南科技大學計算機科學與工程學院湖南科技大學計算機科學與工程學院 數字量是用代碼按數位組合而成的，數字量是用代碼按數位組合而成的， 對于有權碼，每位代對于有權碼，每位代碼都有一定的權值，如能將每一位代碼按其權的大小轉換成碼都有一定的權值，如能將每一位代碼按其權的大小轉換成相應的模擬量，相應的模擬量， 然后，將這些模擬量相加，即可得到與數字然后，將這些模擬量相加，即可得到與數字量成正比的模擬量，量成正比的模擬量， 從而實現數字量從而實現數字量-模擬

9、量的轉換。模擬量的轉換。 實現實現D/A轉換的基本思想轉換的基本思想 NDb424b323b222b121b020 124123022021120將二進制數將二進制數ND(11001)B轉換為十進制數。轉換為十進制數。D/A轉換的基本原理轉換的基本原理第十章第十章 數模轉換器與模數轉換器數模轉換器與模數轉換器數字邏輯與數字系統數字邏輯與數字系統湖南科技大學計算機科學與工程學院湖南科技大學計算機科學與工程學院 1-n0iREFiiREF00REF11REF2n2nREF1n1nREFnoU2d U2dU2dU2dU2d UDu 1-n0iii00112n2n1n1nn2d2d2d2d2dD即：即

10、：D/AD/A轉換器的輸出電壓轉換器的輸出電壓u uO O，等于代碼為，等于代碼為1 1的各位所對應的各位所對應的各分模擬電壓之和。的各分模擬電壓之和。 實現實現D/A轉換的基本思想轉換的基本思想D/A轉換的基本原理轉換的基本原理數字邏輯與數字系統數字邏輯與數字系統湖南科技大學計算機科學與工程學院湖南科技大學計算機科學與工程學院 數數碼碼 寄寄存存器器 n n位位模模擬擬開開關關 解解碼碼 網網絡絡 求求和和 電電路路 基基準準電電壓壓 n n位位數數字字量量輸輸入入 模模擬擬量量 輸輸出出 DAC的數字數據可以并行輸入也可串行輸入的數字數據可以并行輸入也可串行輸入用存放在數用存放在數字寄存器

11、中的字寄存器中的數字量的各位數字量的各位數碼數碼由輸入數字由輸入數字量控制量控制產生權電流產生權電流將權電流相將權電流相加產生與輸入加產生與輸入成正比的模擬成正比的模擬電壓電壓 D/A轉換器的組成轉換器的組成D/A轉換的基本原理轉換的基本原理數字邏輯與數字系統數字邏輯與數字系統湖南科技大學計算機科學與工程學院湖南科技大學計算機科學與工程學院 D/A轉換器的分類轉換器的分類:按解碼網絡按解碼網絡結構分類結構分類 T型電阻網絡型電阻網絡DAC倒倒T形電阻網絡形電阻網絡DAC權電流權電流DAC 權電阻網絡權電阻網絡DAC 按模擬電子開按模擬電子開關電路分類關電路分類 CMOS開關型開關型DAC雙極型

12、開關型雙極型開關型DAC 電流開關型電流開關型DAC ECL電流開關型電流開關型DAC D/A 轉換器D/A轉換的基本原理轉換的基本原理數字邏輯與數字系統數字邏輯與數字系統湖南科技大學計算機科學與工程學院湖南科技大學計算機科學與工程學院(1)T型電阻網絡型電阻網絡DAC R-2R T型電阻網絡型電阻網絡DAC是由模擬開關、是由模擬開關、R-2R電阻網絡、電阻網絡、運算放大器、基準電壓幾部分組成。運算放大器、基準電壓幾部分組成。 10.1 數模轉換器數模轉換器(DAC) a0 a1 an3 Sn3 an1 Sn2 2R Sn1 2R 2R 2R 2R S1 S0 2R R R R R R RF

13、vO 0 1 A 2R an2 VR n n3 n2 n1 T型電阻網絡型電阻網絡模擬開關模擬開關運算放大器運算放大器（求和運算）（求和運算）基準基準電壓電壓數字邏輯與數字系統數字邏輯與數字系統湖南科技大學計算機科學與工程學院湖南科技大學計算機科學與工程學院 10.1 數模轉換器數模轉換器(DAC)v 由由R和和2R兩種規格電阻組成電阻網絡，常稱為兩種規格電阻組成電阻網絡，常稱為R-2R T型型D/A轉換器轉換器，S0、 S1 、 S2 、 S3四個模擬開關，表示四個模擬開關，表示數字信號數字信號d0、d1 、d2 、d3的取值情況。的取值情況。2Rl 4位位T型電阻網絡型電阻網絡DAC電路電

14、路數字邏輯與數字系統數字邏輯與數字系統湖南科技大學計算機科學與工程學院湖南科技大學計算機科學與工程學院 10.1 數模轉換器數模轉換器(DAC)總電流總電流I2R3l 4位位T型電阻網絡型電阻網絡DAC電路電路數字邏輯與數字系統數字邏輯與數字系統湖南科技大學計算機科學與工程學院湖南科技大學計算機科學與工程學院 10.1 數模轉換器數模轉換器(DAC)l 4位位T型型DAC電路電路)2222(23)16842(30011223340123ddddRRVRddddRVRIUfREFfREFfo輸出電壓為：輸出電壓為：2R)2222(2)2222(233001122334001122334ddddV

15、ddddRRVURRREFfREFof，則若數字邏輯與數字系統數字邏輯與數字系統湖南科技大學計算機科學與工程學院湖南科技大學計算機科學與工程學院 10.1 數模轉換器數模轉換器(DAC)l 4位位T型電阻網絡型電阻網絡DAC電路電路)2222(23)16842(30011223340123ddddRRVRddddRVRIUfREFfREFfo輸出電壓為：輸出電壓為：2R數字邏輯與數字系統數字邏輯與數字系統湖南科技大學計算機科學與工程學院湖南科技大學計算機科學與工程學院例：設例：設8位位T型電阻網絡型電阻網絡DAC如圖所示，已知如圖所示，已知UREF10V，輸，輸入量數字入量數字D1101011

16、0。試求：試求：(1) RF3R時，輸出模擬電壓時，輸出模擬電壓U0？ (2) RF，2R時，輸出模擬電壓時，輸出模擬電壓U0，？，？ 10.1 數模轉換器數模轉換器(DAC)數字邏輯與數字系統數字邏輯與數字系統湖南科技大學計算機科學與工程學院湖南科技大學計算機科學與工程學院例：設例：設8位位T型電阻網絡型電阻網絡DAC如圖所示，已知如圖所示，已知UREF10V，輸，輸入量數字入量數字D11010110。試求：試求：(1) RF3R時，輸出模擬電壓時，輸出模擬電壓U0？ (2) RF，2R時，輸出模擬電壓時，輸出模擬電壓U0，？，？ 10.1 數模轉換器數模轉換器(DAC)DURRUnREFF

17、230) 0212120212021212(21020123456780DUUnREF)(36. 821425610V解：在電路中解：在電路中n8，D11010110 （1）當當RF3R時，由時，由可得：可得：數字邏輯與數字系統數字邏輯與數字系統湖南科技大學計算機科學與工程學院湖南科技大學計算機科學與工程學院例：設例：設8位位T型電阻網絡型電阻網絡DAC如圖所示，已知如圖所示，已知UREF10V，輸入量數字輸入量數字D11010110。試求：試求：(1) RF3R時，輸出模擬電壓時，輸出模擬電壓U0？ (2) RF，2R時，輸出模擬電壓時，輸出模擬電壓U0，？，？ 10.1 數模轉換器數模轉換

18、器(DAC)解：在電路中解：在電路中n8，D11010110DURRUnREFF230)(57. 5214210328VRR（2）當）當RF2R時，時，數字邏輯與數字系統數字邏輯與數字系統湖南科技大學計算機科學與工程學院湖南科技大學計算機科學與工程學院模擬開關S3-S0表示 四位二進制數四位的二進制數當Di=1表示Si接1,電阻 上通過電流流向I01當Di=0即表示開頭接0,流過相應電阻的電流流向I02到地端各節點向右看的二端網絡的等阻值為R 等效電路為l 4位倒位倒T型電阻網絡型電阻網絡DAC電路電路 10.1 數模轉換器數模轉換器(DAC)數字邏輯與數字系統數字邏輯與數字系統湖南科技大學計

19、算機科學與工程學院湖南科技大學計算機科學與工程學院由基準電源由基準電源V VREFREF供供出電流出電流為為: :I IR R= =V VREFREF/ /R R因此由節點因此由節點D D分出去的兩路支路電流必相等分出去的兩路支路電流必相等, ,則有則有3 333334 41 12 2RR2I= I=I=I2等效電路為等效電路為l 4位倒位倒T型電阻網絡型電阻網絡DAC電路電路數字邏輯與數字系統數字邏輯與數字系統湖南科技大學計算機科學與工程學院湖南科技大學計算機科學與工程學院同理可以得出：同理可以得出：當當DI=1時，表示相應的時，表示相應的Ii流向流向IO1, 0 00 00 01 1R41

20、2=22IIII1 11 11 12 2R412=22IIIIIIII2223R412=223210REFO132104VI=D2 + D2 + D2 + D22Rl 4位倒位倒T型電阻網絡型電阻網絡DAC電路電路 10.1 數模轉換器數模轉換器(DAC)數字邏輯與數字系統數字邏輯與數字系統湖南科技大學計算機科學與工程學院湖南科技大學計算機科學與工程學院運算放大器和運算放大器和T T形網絡中各支路電阻、反饋電阻組成反形網絡中各支路電阻、反饋電阻組成反相求和運算電路。可得輸出電壓為：相求和運算電路。可得輸出電壓為：若取若取Rf=R,則則D/A轉換后的輸出電壓表示為轉換后的輸出電壓表示為:同理同理

21、,當當Di為為n位的二進制數位的二進制數,則相應則相應 R-2R 倒倒T 形電阻形電阻網絡也有網絡也有n個節點個節點,則則D/A轉換后的輸出電壓為轉換后的輸出電壓為:l 4位倒位倒T型電阻網絡型電阻網絡DAC電路電路 10.1 數模轉換器數模轉換器(DAC)10(412DRRVRIUfREFfoo)10(412DVRIUREFfoo)10(12DVRIUnREFfoo數字邏輯與數字系統數字邏輯與數字系統湖南科技大學計算機科學與工程學院湖南科技大學計算機科學與工程學院l DAC的主要參數的主要參數 10.1 數模轉換器數模轉換器(DAC)v 分辨率分辨率 這是這是DA轉換器中最重要的指標，它表示

22、轉換器中最重要的指標，它表示D/A轉換轉換器對模擬量的分辨能力器對模擬量的分辨能力。理論定義為最小輸出電壓。理論定義為最小輸出電壓(對應對應的輸入數字量僅最低位為的輸入數字量僅最低位為“1”)與最大輸出電壓與最大輸出電壓(對應的數對應的數字輸入量為全字輸入量為全“1”)之比。對于前述之比。對于前述4位位D/A轉換器，其分轉換器，其分辨率為辨率為1/15。分辨率越高，轉換時對應最小數字輸入的。分辨率越高，轉換時對應最小數字輸入的模擬信號電壓數值越小，也就越靈敏。模擬信號電壓數值越小，也就越靈敏。通常，使用數字通常，使用數字輸入量的位數來給出分辨率。輸入量的位數來給出分辨率。 例如，單片集成例如，

23、單片集成D/A轉換器轉換器AD7522的分辨率為的分辨率為10位，位，單片集成單片集成D/A轉換器轉換器ADll47的分辨率為的分辨率為16位等。位等。數字邏輯與數字系統數字邏輯與數字系統湖南科技大學計算機科學與工程學院湖南科技大學計算機科學與工程學院l DAC的主要參數的主要參數 10.1 數模轉換器數模轉換器(DAC)v 線性度線性度 通常用非線性誤差的大小表示通常用非線性誤差的大小表示D/A轉換器的線性轉換器的線性度度。而非線性誤差為理想的輸入。而非線性誤差為理想的輸入/輸出特性曲線與實際輸出特性曲線與實際轉換曲線的偏差，轉換曲線的偏差，一般取偏差的最大值表示一般取偏差的最大值表示。v

24、轉換精度轉換精度 轉換精度以最大的靜態轉換誤差（綜合誤差）的轉換精度以最大的靜態轉換誤差（綜合誤差）的形式給出形式給出。這個轉換誤差應該是包含非線性誤差、比。這個轉換誤差應該是包含非線性誤差、比例系數誤差以及漂移誤差等綜合誤差。但是有的產品例系數誤差以及漂移誤差等綜合誤差。但是有的產品說明書中說明書中,只是分別給出各項誤差只是分別給出各項誤差,而未給出綜合誤差。而未給出綜合誤差。v 應該注意應該注意,轉換精度轉換精度和和分辨率分辨率是是2個不同個不同的概念。精度是指轉換后所得的實際值對于的概念。精度是指轉換后所得的實際值對于理想值的接近程度，而分辨率是指能夠對轉理想值的接近程度，而分辨率是指能

25、夠對轉換結果發生影響的最小輸入量換結果發生影響的最小輸入量,對于分辨率很對于分辨率很高的高的DA轉換器并不一定具有很高的精度。轉換器并不一定具有很高的精度。數字邏輯與數字系統數字邏輯與數字系統湖南科技大學計算機科學與工程學院湖南科技大學計算機科學與工程學院l DAC的主要參數的主要參數 10.1 數模轉換器數模轉換器(DAC)v 建立時間建立時間 所謂建立時間，系指數模轉換器中的輸入代碼有滿所謂建立時間，系指數模轉換器中的輸入代碼有滿度值的變化時度值的變化時,其輸出模擬信號電壓其輸出模擬信號電壓(或模擬信號電流或模擬信號電流)達達到滿刻度值到滿刻度值1/2LSB精度時所需要的時間精度時所需要的

26、時間。 對于一個理想的對于一個理想的D/A轉換器轉換器,其數字輸入信號從一個二其數字輸入信號從一個二進制數變到另一個二進制數時進制數變到另一個二進制數時,其輸出模擬信號電壓其輸出模擬信號電壓,應立應立即從原來的輸出電壓跳變到與新的數字信號相對應的新的即從原來的輸出電壓跳變到與新的數字信號相對應的新的輸出電壓。但是在實際的輸出電壓。但是在實際的D/A轉換器中轉換器中,電路中的電容、電電路中的電容、電感和開關電路會引起電路時間延遲感和開關電路會引起電路時間延遲。不同型號的。不同型號的D/A轉換轉換器，其建立時間不同器，其建立時間不同,一般從幾個納秒到幾個微秒。輸出形一般從幾個納秒到幾個微秒。輸出形

27、式是電流的式是電流的,其其D/A轉換器的建立時間是很短的；輸出形式轉換器的建立時間是很短的；輸出形式是電壓的是電壓的,D/A轉換器的主要建立時間是其輸出運算放大器轉換器的主要建立時間是其輸出運算放大器所需的響應時間。所需的響應時間。數字邏輯與數字系統數字邏輯與數字系統湖南科技大學計算機科學與工程學院湖南科技大學計算機科學與工程學院T型型/倒倒T型電阻網絡型電阻網絡D/A轉換器的特點：轉換器的特點： 優點：電阻種類少，只有優點：電阻種類少，只有R和和2R，提高了制造，提高了制造精度；而且支路電流流入求和點不存在時間差，精度；而且支路電流流入求和點不存在時間差，提高了轉換速度。提高了轉換速度。 應

28、用：它是目前集成應用：它是目前集成D/A轉換器中轉換速度較轉換器中轉換速度較高且使用較多的一種，如高且使用較多的一種，如8位位D/A轉換器轉換器DAC0832，就是采用倒，就是采用倒T型電阻網絡。型電阻網絡。 10.1 數模轉換器數模轉換器(DAC)數字邏輯與數字系統數字邏輯與數字系統湖南科技大學計算機科學與工程學院湖南科技大學計算機科學與工程學院 A/DA/D轉換是將模擬信號轉換為數字信號，轉換過程通過轉換是將模擬信號轉換為數字信號，轉換過程通過取樣、保持、量化和編碼取樣、保持、量化和編碼四個步驟完成。四個步驟完成。 A/DA/D轉換器的基本工作原理轉換器的基本工作原理采樣保持量化編碼VID

29、O模擬量輸入模擬量輸入數字量輸出數字量輸出 10.2 模數轉換器模數轉換器(ADC)數字邏輯與數字系統數字邏輯與數字系統湖南科技大學計算機科學與工程學院湖南科技大學計算機科學與工程學院 取樣（也稱采樣）是將時間上連續變化的信號，取樣（也稱采樣）是將時間上連續變化的信號，轉換為時轉換為時間上離散的信號間上離散的信號，即將時間上連續變化的模擬量轉換為一系列，即將時間上連續變化的模擬量轉換為一系列等間隔的脈沖，脈沖的幅度取決于輸入模擬量。等間隔的脈沖，脈沖的幅度取決于輸入模擬量。1.1.取樣和保持取樣和保持 取樣過程取樣過程 采樣脈沖采樣脈沖 輸輸入入模模擬擬信信號號 采采樣樣輸輸出出信信號號 ma

30、xf2fs 10.2 模數轉換器模數轉換器(ADC)A/DA/D轉換器的基本工作原理轉換器的基本工作原理數字邏輯與數字系統數字邏輯與數字系統湖南科技大學計算機科學與工程學院湖南科技大學計算機科學與工程學院10.3 模數轉換器(ADC)1.1.取樣和保持取樣和保持 A/DA/D轉換器的基本工轉換器的基本工作原理作原理 模擬信號經采樣后，得到一系列模擬信號經采樣后，得到一系列樣值脈沖樣值脈沖。采樣脈沖寬度。采樣脈沖寬度一般是很短暫的，在下一個采樣脈沖到來之前，應暫時保持一般是很短暫的，在下一個采樣脈沖到來之前，應暫時保持所取得的樣值脈沖幅度，以便進行轉換。因此，在取樣電路之所取得的樣值脈沖幅度，以

31、便進行轉換。因此，在取樣電路之后須加后須加保持電路保持電路。在采樣脈沖在采樣脈沖S(tS(t) )到來的時間到來的時間內，內，VTVT導通，導通，U UI I( (t t) )向電容向電容C C充電，假充電，假定充電時間常數遠小于定充電時間常數遠小于，則有：則有：U UO O(t(t) )U US S(t(t) )U UI I(t(t) )。采樣采樣采樣結束，采樣結束，VTVT截止，而電容截止，而電容C C上電壓保持充電電壓上電壓保持充電電壓U UI I(t(t) )不變，直到不變，直到下一個采樣脈沖到來為止。下一個采樣脈沖到來為止。保持保持 場效應管場效應管VTVT為為采樣門采樣門，電容，電

32、容C C為為保持電容保持電容，運算放大器為，運算放大器為跟跟隨器隨器，起緩沖，起緩沖隔離隔離作用。作用。取樣保持電路及輸出波形取樣保持電路及輸出波形1.1.取樣和保持取樣和保持 A/DA/D轉換器的基本工作原理轉換器的基本工作原理數字邏輯與數字系統數字邏輯與數字系統湖南科技大學計算機科學與工程學院湖南科技大學計算機科學與工程學院 輸入的模擬電壓經過取樣保持后，得到的是輸入的模擬電壓經過取樣保持后，得到的是階梯波階梯波。而該階。而該階梯波仍是一個可以連續取值的模擬量，但梯波仍是一個可以連續取值的模擬量，但n n位數字量只能表示位數字量只能表示2 2n n個數值。因此，用數字量來表示連續變化的模擬

33、量時就有一個類個數值。因此，用數字量來表示連續變化的模擬量時就有一個類似于似于四舍五入的近似問題四舍五入的近似問題。2.2.量化和編碼量化和編碼 將采樣后的樣值電平歸化到與之接近的離散電平上，這個過將采樣后的樣值電平歸化到與之接近的離散電平上，這個過程稱為程稱為量化量化。指定的離散電平稱為。指定的離散電平稱為量化電平量化電平U Uq q 。用二進制數碼。用二進制數碼來表示各個量化電平的過程稱為來表示各個量化電平的過程稱為編碼編碼。兩個量化電平之間的差值。兩個量化電平之間的差值稱為稱為量化單位量化單位，位數越多，量化等級越細，位數越多，量化等級越細，就越小。取樣保就越小。取樣保持后未量化的持后未

34、量化的U Uo o值與量化電平值與量化電平U Uq q值通常是不相等的，其差值稱為值通常是不相等的，其差值稱為量化誤差量化誤差，即，即= =U Uo o- -U Uq q。量化的方法一般有兩種：量化的方法一般有兩種：只舍不入法只舍不入法和和有舍有入法有舍有入法。A/DA/D轉換器的基本工作原理轉換器的基本工作原理 10.2 模數轉換器模數轉換器(ADC)數字邏輯與數字系統數字邏輯與數字系統湖南科技大學計算機科學與工程學院湖南科技大學計算機科學與工程學院1)1)只舍不入法只舍不入法 當當U Uo o的尾數的尾數時，時，舍尾取整。舍尾取整。這種方法這種方法總總為正值，為正值，maxmax 。 2)

35、2)有舍有入法有舍有入法 當當U Uo o的尾數的尾數/2/2時，舍時，舍尾取整；當尾取整；當U Uo o的尾數的尾數/2/2時，時，舍尾入整。舍尾入整。這種方法這種方法可正可可正可負，但是負，但是| | maxmax|= |= /2/2。可見，可見，它的誤差要小。它的誤差要小。 2.2.量化和編碼量化和編碼 A/DA/D轉換器的基本工作原理轉換器的基本工作原理數字邏輯與數字系統數字邏輯與數字系統湖南科技大學計算機科學與工程學院湖南科技大學計算機科學與工程學院A/DA/D轉換器有轉換器有直接轉換法直接轉換法和和間接轉換法間接轉換法兩大類。兩大類。 直接法是通過一套基準電壓與取樣保持電壓進行直接

36、法是通過一套基準電壓與取樣保持電壓進行比較比較，從，從而而直接直接將模擬量將模擬量轉換轉換成數字量。其特點是成數字量。其特點是工作速度高工作速度高，轉換精，轉換精度容易保證，調準也比較方便。度容易保證，調準也比較方便。直接直接A/DA/D轉換器有計數型、逐次轉換器有計數型、逐次比較型、并行比較型比較型、并行比較型等。等。 間接法是將取樣后的模擬信號先轉換成間接法是將取樣后的模擬信號先轉換成中間變量中間變量時間時間t t或或頻率頻率f f, , 然后再將然后再將t t或或f f轉換成數字量。其特點是轉換成數字量。其特點是工作速度較低工作速度較低，但但轉換精度可以做得較高轉換精度可以做得較高，且抗

37、干擾性強。，且抗干擾性強。間接間接A/DA/D轉換器有單轉換器有單次積分型、雙積分型次積分型、雙積分型等。等。l A/D A/D轉換器的主要電路形式轉換器的主要電路形式 10.2 模數轉換器模數轉換器(ADC)數字邏輯與數字系統數字邏輯與數字系統湖南科技大學計算機科學與工程學院湖南科技大學計算機科學與工程學院逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D轉換器轉換器 它是一種常用它是一種常用A/DA/D轉換方式轉換方式, ,轉換速率比雙積分型快轉換速率比雙積分型快, ,每秒每秒鐘采樣高達幾十萬次鐘采樣高達幾十萬次, ,逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D轉換的過程與用天平稱轉換的過程與用天平稱物體質量的過程相似

38、。物體質量的過程相似。 (1)(1)先在砝碼盤上加上先在砝碼盤上加上128g128g砝碼，經天平比較結果，重砝碼，經天平比較結果，重物物149g128g149g128g，則此砝碼保留，即相當于最高位數碼則此砝碼保留，即相當于最高位數碼D7記為記為1 1。 （2 2）再加再加64g64g砝碼，經天平比較，重物砝碼，經天平比較，重物149g(128+64)g149g(128+64)g，則舍下則舍下64g g砝碼，即相當于數碼記為砝碼，即相當于數碼記為0。 10.2 模數轉換器模數轉換器(ADC)數字邏輯與數字系統數字邏輯與數字系統湖南科技大學計算機科學與工程學院湖南科技大學計算機科學與工程學院 逐

39、一添加比較，凡砝碼總質量小于物體質量的砝碼留下，逐一添加比較，凡砝碼總質量小于物體質量的砝碼留下，否則舍去。否則舍去。保留的砝碼為保留的砝碼為 128g + 16g + 4g + 1g = 149g128g + 16g + 4g + 1g = 149g相當于轉換的數碼為相當于轉換的數碼為D77D0 = 100101010 = 10010101逐次逼近型逐次逼近型A/D轉換器轉換器被保留的電壓被保留的電壓相當于相當于天平所稱的物體天平所稱的物體質量質量，而所轉換的，而所轉換的數字量數字量相當于在天平上逐次添加砝碼相當于在天平上逐次添加砝碼所保留下來的所保留下來的砝碼質量砝碼質量。 10.2 模數

40、轉換器模數轉換器(ADC)數字邏輯與數字系統數字邏輯與數字系統湖南科技大學計算機科學與工程學院湖南科技大學計算機科學與工程學院 取樣保持 n位DAC 控制邏輯 + - + C 時鐘源 Qn-1Qn-2Qn-3 Q2Q1Q0 逐位逼近寄存器 （SAR） 輸出寄存器 轉換控 制信號 模擬輸入 u1 u1 偏移電壓 u0 u0 /2 UREF 比較器 UC CP US dn-1(MSB) dn-2 n位并行 d2 數字輸出 d1 d0 (LSB) 逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D轉換器原理圖轉換器原理圖 逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D轉換器轉換器 10.2 模數轉換器模數轉換器(ADC)逐次逼近型

41、逐次逼近型A/DA/D轉換器的基本電路轉換器的基本電路比較器比較器C3位位D/A轉換器轉換器數碼寄存器數碼寄存器環形右移寄存器環形右移寄存器逐次逼近型逐次逼近型A/D轉換器轉換器數字邏輯與數字系統數字邏輯與數字系統湖南科技大學計算機科學與工程學院湖南科技大學計算機科學與工程學院 為了提高為了提高ADC轉換精度轉換精度,在輸出端加負的偏移電壓在輸出端加負的偏移電壓 = 0.5V, 作為量作為量化誤差修正化誤差修正,送入比較器的電壓為送入比較器的電壓為uO = uO - , 使精度提高一倍。使精度提高一倍。 3 3位位D/AD/A轉換器輸出的相當于砝碼值的電壓轉換器輸出的相當于砝碼值的電壓, ,根

42、據根據D/AD/A轉換器原理可知轉換器原理可知, ,若若 VREF = 8V, = 8V, 則則3 3位位DACDAC能分辨的最小電壓為能分辨的最小電壓為S = = = 8V = 1V 8V = 1VREF31V2812S 在在CP時鐘脈沖時鐘脈沖作用下，作用下，QAQE逐逐個循環產生脈寬與個循環產生脈寬與CP周期相同的節拍周期相同的節拍脈沖脈沖2S逐次逼近型逐次逼近型A/D轉換器轉換器數字邏輯與數字系統數字邏輯與數字系統湖南科技大學計算機科學與工程學院湖南科技大學計算機科學與工程學院工作原理工作原理設定：設定：5.9VI0uu時時0CuI0uu時時1Cu轉換開始前，先將轉換開始前，先將FF2 FF1、FF0清零。清零。設設 QAQBQCQDQE = 10000G變為高電平以后，轉換變為高電平以后，轉換開始。開始。逐次逼近型逐次逼近型A/D轉換器轉換器數字邏輯與數字系統數字邏輯與數字系統湖南科技大學計算機科學與工程學院湖南科技大學計算機科學與工程學院Q2 = 1 應保留應保留5.9V10000第一個節拍第一個節拍1003.5V001000工作原理工作原理逐次逼近型逐次逼近型A/D轉換器轉換器數字邏輯與數字系統數字邏輯與數字系統湖南科技大學計算機科學與工程學院湖南科技大學計算機科學與工程學院Q1 = 1 應保留應保留Q2 = Q1 =1 應保留應保留5.9V第二