1、第七章第七章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路7.0 概述概述7.1 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器7.2 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器一、數(shù)一、數(shù)/模和模模和模/數(shù)器是模擬、數(shù)字系統(tǒng)間的橋梁數(shù)器是模擬、數(shù)字系統(tǒng)間的橋梁模模 / 數(shù)數(shù)（A / D）轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換:Analog to Digital Converter （ADC）數(shù)數(shù) / 模（模（）轉(zhuǎn)換）轉(zhuǎn)換:Digital to Analog Converter （DAC）數(shù)字計(jì)算機(jī)數(shù)字計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)模擬系統(tǒng)A/DD/A二進(jìn)制二進(jìn)制線性線性存儲存儲分析分析控制控制物理物理 生物生物 化學(xué)化學(xué)二、二、 常見常見數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用系統(tǒng)舉例數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用系統(tǒng)舉例壓

2、力傳感器壓力傳感器溫度傳感器溫度傳感器流量傳感器流量傳感器四四路路模模擬擬開開關(guān)關(guān)數(shù)數(shù)字字控控制制計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)DAC模擬控制器模擬控制器模擬控制器模擬控制器液位傳感器液位傳感器DACDAC模擬控制器模擬控制器模擬控制器模擬控制器生生 產(chǎn)產(chǎn) 控控 制制 對對 象象DACADC三、三、A / D、D / A 轉(zhuǎn)換器的精度和速度轉(zhuǎn)換器的精度和速度精度精度保證轉(zhuǎn)換的保證轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性速度速度保證保證適時控制適時控制7.1.1 D / A轉(zhuǎn)換的基本要求轉(zhuǎn)換的基本要求1. D / A轉(zhuǎn)換思路轉(zhuǎn)換思路d0d1dn-1uO或或iOn 位位二進(jìn)制二進(jìn)制如如 ( (1101) )213148212121023

3、 10210niiidN可利用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)運(yùn)算可利用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)運(yùn)算2. 轉(zhuǎn)換特性轉(zhuǎn)換特性DuO/V7654321001 010 011 100 101 110 111一、輸入、輸出關(guān)系框圖一、輸入、輸出關(guān)系框圖二、二、D/A 轉(zhuǎn)換的電路組成轉(zhuǎn)換的電路組成RRR2R2R2R2RUREFS0S1S2d0d0d1d2d1d2電子電子開關(guān)開關(guān)電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò)求和運(yùn)放求和運(yùn)放當(dāng)當(dāng) d2d1d0 = 100,II / 2I / 4I / 8I/2I = UREF / RRIu2O RRU2REF 23REF212 UuO三、工作原理三、工作原理當(dāng)當(dāng) d2d1d0 = 110,IRRR2R2R2R2R

4、UREFuOI / 2I / 4I / 8RIIu)42(O )2121(2123REF URRURU)42(REFREF 當(dāng)當(dāng) d2d1d0 = 111,IRRR2R2R2R2RUREFuOI / 2I / 4I / 8RIIIu)842(O )212121(20123REF URRURURU)842(REFREFREF 表達(dá)的一般形式表達(dá)的一般形式)222(20011223REFO dddUu四、輸入為四、輸入為 n 位二進(jìn)制數(shù)時的表達(dá)式位二進(jìn)制數(shù)時的表達(dá)式當(dāng)當(dāng) D = dn-1 dn-2 d1 d0 )22.2(2001111REFO dddUunnnDKDUun uREFO2Ku 轉(zhuǎn)換

5、比例系數(shù)轉(zhuǎn)換比例系數(shù)nUK2REFu 7.1.2 DAC 的轉(zhuǎn)換精度、速度和主要參數(shù)的轉(zhuǎn)換精度、速度和主要參數(shù)一、轉(zhuǎn)換精度一、轉(zhuǎn)換精度指指 D/A 轉(zhuǎn)換器模擬輸出產(chǎn)生的最小電壓變化量與滿轉(zhuǎn)換器模擬輸出產(chǎn)生的最小電壓變化量與滿刻度輸出電壓之比，也可用輸入的位數(shù)表示。刻度輸出電壓之比，也可用輸入的位數(shù)表示。為實(shí)際輸出與理想輸出模擬電壓間的最大誤差。為實(shí)際輸出與理想輸出模擬電壓間的最大誤差。 ULSBUFSR=12n1分辨率分辨率=LSB Least Significant Bit2.轉(zhuǎn)換誤差轉(zhuǎn)換誤差可用占輸出電壓滿刻度值的百分?jǐn)?shù)表示或可用最可用占輸出電壓滿刻度值的百分?jǐn)?shù)表示或可用最低有效位（低有效

6、位（LSB）的倍數(shù)表示。）的倍數(shù)表示。如如: （LSB）= 輸入為輸入為 001 時輸出模擬電壓的一半。時輸出模擬電壓的一半。1.1.分辨率分辨率（Resolution）FSR Full Scale Range二、轉(zhuǎn)換速度二、轉(zhuǎn)換速度1. 建立時間建立時間 ts ts 為在大信號工作下（輸入由為在大信號工作下（輸入由全全 0 變?yōu)槿優(yōu)槿?1，或由或由全全 1 變?yōu)槿優(yōu)槿?0）, 輸出輸出 電壓達(dá)到某一規(guī)定值所需時間電壓達(dá)到某一規(guī)定值所需時間 。不包含不包含 UREF 和運(yùn)放的單片和運(yùn)放的單片 DAC 最短最短 ts 0.1 s；包含包含UREF 和運(yùn)放的單片和運(yùn)放的單片 DAC 最短最短

7、t s 0，uO 0 3. 分辨率分辨率單極性輸出單極性輸出： 分辨率分辨率121 n分辨率分辨率 = =1211 n5G7520 為為 10 位位 D / A 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器，分辨率分辨率 = =000978. 01023112110 當(dāng)當(dāng) UREF = 10 V時，時，最小輸出電壓最小輸出電壓 uO = 9.76 mV雙極性輸出雙極性輸出：對于對于 5G7520分辨率分辨率=00196. 051111219 當(dāng)當(dāng) UREF = 10 V 時，時，最小輸出電壓最小輸出電壓 uO = 19.6 mVuI(t)C CADC的的量化編碼量化編碼電路電路dn-1d1d0u I(t)S S模擬量模擬量

8、數(shù)字量數(shù)字量量化編碼量化編碼取樣：取樣：把時間連續(xù)變化的信號變換為時間離散的信號。把時間連續(xù)變化的信號變換為時間離散的信號。保持：保持：保持取樣信號保持取樣信號,使有充分時間將其變?yōu)閿?shù)字信號。使有充分時間將其變?yōu)閿?shù)字信號。取樣保持取樣保持（S / H Sample / Hold）當(dāng)滿足當(dāng)滿足 fs 2 fimax 時時, 取樣信號可恢復(fù)原信號。取樣信號可恢復(fù)原信號。fs 取樣頻率。取樣頻率。 fimax 信號的最高頻率分量。信號的最高頻率分量。 tO OuIfO O)( fAfs fimax fimaxuI tO O三、量化和編碼三、量化和編碼量化單位量化單位數(shù)字信號最低位數(shù)字信號最低位LSB

9、所對應(yīng)的模擬信號大小，所對應(yīng)的模擬信號大小，用用 表示（即表示（即 1 ）。）。量化量化把取樣后的保持信號化為量化單位的整數(shù)倍。把取樣后的保持信號化為量化單位的整數(shù)倍。量化誤差量化誤差因模擬電壓不一定能被因模擬電壓不一定能被 整除而引起的誤差。整除而引起的誤差。編碼編碼把量化的數(shù)值用二進(jìn)制代碼表示。把量化的數(shù)值用二進(jìn)制代碼表示。劃分量化電平的兩種方法劃分量化電平的兩種方法01V1/82/83/84/85/86/87/8000001010011100101110111模擬模擬電平電平二進(jìn)制二進(jìn)制代碼代碼代表的代表的模擬電平模擬電平0 = 01 = 1/82 = 2/83 = 3/84 = 4/8

10、5 = 5/86 = 6/87 =(7/ 8)V1V1/153/155/157/159/15 11/15 13/150000010100111001011101110模擬模擬電平電平二進(jìn)制二進(jìn)制代碼代碼代表的代表的模擬電平模擬電平0 = 01 = 2/152 = 4/153 = 6/154 =8/155 = 10/156 = 12/157 =(14/15)V最大量化誤差最大量化誤差 = = (1 / 8) V = / 2 = (1/15)V7.2.2 取樣取樣 - 保持電路保持電路一、電路組成及工作原理一、電路組成及工作原理當(dāng)當(dāng) uL 為為高高電平：電平：RfChRiuIuOuLTRf = R

11、iT 導(dǎo)通，導(dǎo)通，Ch 充電至：充電至：uO = uI = uC當(dāng)當(dāng) u uL L 為為低低電平：電平：T 截止，截止，Ch 基本不放電。基本不放電。uO 保持保持：為使為使 Ch 充電快充電快，Ri 越越小小越越好；好；為使電路輸入電阻高為使電路輸入電阻高，Ri 越越大大越越好。好。二、改進(jìn)電路二、改進(jìn)電路 (LF198) 及工作原理及工作原理R2ChR1uIuOuLu u O O300 30 k D1D2S當(dāng)當(dāng) uL = 1， S 閉合閉合 uO = u O = uI ，uC = uI 當(dāng)當(dāng) uL = 0， S 斷開斷開 uO 保持保持D1 、D2的作用的作用：限制：限制 u O 在在 u

12、I + uD以內(nèi)，起保護(hù)作用以內(nèi)，起保護(hù)作用。6 2145387uOuIuLChLF198一一 、基本工作原理電路、基本工作原理電路7.2.3 逐次漸近型逐次漸近型 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器D/Au uI I逐次漸近逐次漸近寄存器寄存器比較器比較器參考參考電源電源時鐘時鐘信號信號MSBLSBMSBLSB并行數(shù)字輸出并行數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換控制信號轉(zhuǎn)換控制信號3.2V10008V101004V00102V000113V00011讀出控制讀出控制控制邏輯控制邏輯電路電路逐次漸近逐次漸近寄存器寄存器比比較較器器 二、轉(zhuǎn)換過程舉例二、轉(zhuǎn)換過程舉例3 位位 D/AQ1S1Rd0 +CPd1d2 1Q1S1RFFBF

13、FC1 d0d1d2uIuOuCC C5位環(huán)行移位寄存器位環(huán)行移位寄存器Q1Q2 Q3Q4Q5QFFA1S1R /2輸出偏移輸出偏移Q n+1 1 1 1 0 0 1 0 0功能功能R SQ n10不用不用保持保持置置1置置0不許不許CP 12345Q1 Q2Q3 Q4 Q5QA QB QCuI/VuO/V u O/VuCd2 d1 d00 0 0 0 1 0 0 05.90 0.500 0 01 0 0 0 01 0 043.500 0 00 1 0 0 0 1 1 065.500 0 00 0 1 0 0 1 1 176.510 0 00 0 0 1 01 1 065.500 0 00 0

14、 0 0 1 1 1 065.501 1 07.2.4 雙積分型雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換思路：轉(zhuǎn)換思路：模擬輸入模擬輸入 uI t t 控制計(jì)數(shù)控制計(jì)數(shù) CP 個數(shù)個數(shù)輸出二進(jìn)制數(shù)輸出二進(jìn)制數(shù) 一、電路組成和工作原理一、電路組成和工作原理CO S2CS1uI邏輯邏輯控制門控制門C定時器定時器n 位二進(jìn)制位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器&dn1d0uCP基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓 0 正向積分：正向積分：對被測信號對被測信號uI進(jìn)行定時積分，完成一次進(jìn)行定時積分，完成一次 2n 進(jìn)制計(jì)數(shù)。進(jìn)制計(jì)數(shù)。 反向積分反向積分：對：對基準(zhǔn)電壓積分基準(zhǔn)電壓積分至至u= 0，計(jì)數(shù)結(jié)果與計(jì)數(shù)結(jié)果與uI成正比。成正比

15、。S2CS1uI邏輯邏輯控制門控制門C定時器定時器3 位二進(jìn)制位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器&d2d0u基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓 逐次比較型逐次比較型 雙積分型雙積分型7.2.7 幾種幾種A/D轉(zhuǎn)換器的性能比較轉(zhuǎn)換器的性能比較一、一、A/D類型：類型：直接直接 A/D反饋比較型：反饋比較型：逐次比較型逐次比較型，計(jì)數(shù)型。，計(jì)數(shù)型。間接間接 A/D電壓電壓-時間變換型（時間變換型（V -T）：）：雙積分型雙積分型電壓電壓-頻率變換型（頻率變換型（V- F）并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型二、性能比較：二、性能比較：優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn)并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型轉(zhuǎn)換速度高轉(zhuǎn)換速度高轉(zhuǎn)換精度差轉(zhuǎn)換精度差逐次比較型逐次比較型分辨率高、誤差低分辨率高、誤