第8章數模與模數轉換器

8.1概述

8.2數模轉換器

8.3模數轉換器8.1概述能將模擬量轉換為數字量的電路稱為模數轉換器，簡稱A/D轉換器或ADC；能將數字量轉換為模擬量的電路稱為數模轉換器，簡稱D/A轉換器或DAC。ADC和DAC是溝通模擬電路和數字電路的橋梁，也可稱之為兩者之間的接口。1、D/A轉換器的基本原理和轉換特性將輸入的每一位二進制代碼按其權的大小轉換成相應的模擬量，然后將代表各位的模擬量相加，所得的總模擬量就與數字量成正比，這樣便實現了從數字量到模擬量的轉換?；驹?.2數模轉換器轉換特性D/A轉換器的轉換特性，是指其輸出模擬量和輸入數字量之間的轉換關系。圖示是輸入為3位二進制數時的D/A轉換器的轉換特性。理想的D/A轉換器的轉換特性，應是輸出模擬量與輸入數字量成正比。即：輸出模擬電壓

uo=Ku×D或輸出模擬電流io=Ki×D。其中Ku或Ki為電壓或電流轉換比例系數，D為輸入二進制數所代表的十進制數。如果輸入為n位二進制數dn-1dn-2…d1d0，則輸出模擬電壓為：2、D/A轉換器的構成不論模擬開關接到運算放大器的反相輸入端（虛地）還是接到地，也就是不論輸入數字信號是1還是0，各支路的電流不變的。1、二進制權電阻網絡D/A轉換器設RF=R/2①分別從虛線A、B、C、D處向右看的二端網絡等效電阻都是R。②不論模擬開關接到運算放大器的反相輸入端（虛地）還是接到地，也就是不論輸入數字信號是1還是0，各支路的電流不變。2、倒T型電阻網絡D/A轉換器（1）分辨率分辨率用輸入二進制數的有效位數表示。在分辨率為n位的D/A轉換器中，輸出電壓能區分2n個不同的輸入二進制代碼狀態，能給出2n個不同等級的輸出模擬電壓。分辨率也可以用D/A轉換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓的比值來表示。10位D/A轉換器的分辨率為：（2）轉換精度

D/A轉換器的轉換精度是指輸出模擬電壓的實際值與理想值之差，即最大靜態轉換誤差。（3）輸出建立時間從輸入數字信號起，到輸出電壓或電流到達穩定值時所需要的時間，稱為輸出建立時間。3、D/A轉換器的性能指標4、集成D/A轉換器及其應用小結

D/A轉換器的功能是將輸入的二進制數字信號轉換成相對應的模擬信號輸出。D/A轉換器根據工作原理基本上可分為二進制權電阻網絡D/A轉換器和T型電阻網絡D/A轉換器兩大類。由于T型電阻網絡D/A轉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轉換器普遍采用這種電路結構。如果輸入的是n位二進制數，則D/A轉換器的輸出電壓為：1、A/D轉換器的基本知識模擬電子開關S在采樣脈沖CPS的控制下重復接通、斷開的過程。S接通時，ui(t)對C充電，為采樣過程；S斷開時，C上的電壓保持不變，為保持過程。在保持過程中，采樣的模擬電壓經數字化編碼電路轉換成一組n位的二進制數輸出。8.3數模轉換器基本原理t0時刻S閉合，CH被迅速充電，電路處于采樣階段。由于兩個放大器的增益都為1，因此這一階段uo跟隨ui變化，即uo＝ui。t1時刻采樣階段結束，S斷開，電路處于保持階段。若A2的輸入阻抗為無窮大，S為理想開關，則CH沒有放電回路，兩端保持充電時的最終電壓值不變，從而保證電路輸出端的電壓uo維持不變。采樣保持電路0≤ui＜VREF/14時，7個比較器輸出全為0，CP到來后，7個觸發器都置0。經編碼器編碼后輸出的二進制代碼為d2d1d0＝000。VREF/14≤ui＜3VREF/14時，7個比較器中只有C1輸出為1，CP到來后，只有觸發器FF1置1，其余觸發器仍為0。經編碼器編碼后輸出的二進制代碼為d2d1d0=001。2、A/D轉換器的構成1、并行比較型A/D轉換器3VREF/14≤ui＜5VREF/14時，比較器C1、C2輸出為1，CP到來后，觸發器FF1、FF2置1。經編碼器編碼后輸出的二進制代碼為d2d1d0＝010。5VREF/14≤ui＜7VREF/14時，比較器C1、C2、C3輸出為1，CP到來后，觸發器FF1、FF2、FF3置1。經編碼器編碼后輸出的二進制代碼為d2d1d0=011。依此類推，可以列出ui為不同等級時寄存器的狀態及相應的輸出二進制數。轉換開始前先將所有寄存器清零。開始轉換以后，時鐘脈沖首先將寄存器最高位置成1，使輸出數字為100…0。這個數碼被D/A轉換器轉換成相應的模擬電壓uo，送到比較器中與ui進行比較。若ui＞uo，說明數字過大了，故將最高位的1清除；若ui＜uo，說明數字還不夠大，應將這一位保留。然后，再按同樣的方式將次高位置成1，并且經過比較以后確定這個1是否應該保留。這樣逐位比較下去，一直到最低位為止。比較完畢后，寄存器中的狀態就是所要求的數字量輸出。原理框圖基本原理2、逐次逼近型A/D轉換器3位逐次逼近型A/D轉換器轉換開始前，先使Q1=Q2=Q3=Q4=0，Q5=1，第一個CP到來后，Q1=1，Q2=Q3=Q4=Q5=0，于是FFA被置1，FFB和FFC被置0。這時加到D/A轉換器輸入端的代碼為100，并在D/A轉換器的輸出端得到相應的模擬電壓輸出uo。uo和ui在比較器中比較，當若ui＜uo時，比較器輸出uc=1；當ui≥uo時，uc=0。第二個CP到來后，環形計數器右移一位，變成Q2=1，Q1=Q3=Q4=Q5=0，這時門G1打開，若原來uc=1，則FFA被置0，若原來uc=0，則FFA的1狀態保留。與此同時，Q2的高電平將FFB置1。第三個CP到來后，環形計數器又右移一位，一方面將FFC置1，同時將門G2打開，并根據比較器的輸出決定FFB的1狀態是否應該保留。第四個CP到來后，環形計數器Q4=1，Q1=Q2=Q3=Q5=0，門G3打開，根據比較器的輸出決定FFC的1狀態是否應該保留。第五個CP到來后，環形計數器Q5=1，Q1=Q2=Q3=Q4=0，FFA、FFB、FFC的狀態作為轉換結果，通過門G6、G7、G8送出。工作原理基本原理：對輸入模擬電壓和基準電壓進行兩次積分，先對輸入模擬電壓進行積分，將其變換成與輸入模擬電壓成正比的時間間隔T1，再利用計數器測出此時間間隔，則計數器所計的數字量就正比于輸入的模擬電壓；接著對基準電壓進行同樣的處理。原理電路3、雙積分型A/D轉換器（1）分辨率A/D轉換器的分辨率用輸出二進制數的位數表示，位數越多，誤差越小，轉換精度越高。例如，輸入模擬電壓的變化范圍為0～5V，輸出8位二進制數可以分辨的最小模擬電壓為5V×2－8＝20mV；而輸出12位二進制數可以分辨的最小模擬電壓為5V×2－12≈1.22mV。（2）相對精度在理想情況下，所有的轉換點應當在一條直線上。相對精度是指實際的各個轉換點偏離理想特性的誤差。（3）轉換速度轉換速度是指完成一次轉換所需的時間。轉換時間是指從接到轉換控制信號開始，到輸出端得到穩定的數字輸出信號所經過的這段時間。3、A/D轉換器的性能指標4、集成A/D轉換器及其應用

A/D轉換器的功能是將輸入的模擬信號轉換成一組多位的二進制數字輸出。不同的A/D轉換方式具有各自的特點。并聯比較型A/D轉換器轉換速度快，主要缺點是要使用的比較器和觸發器很多，隨著分辨率的提高，所需元件數目按幾何級數增加。雙積分型A/D轉換器的性能比較穩定，轉換精度高，具有很高的抗干擾能力，電路結構簡單，其缺點是工作速度較低，在對轉換精度要求較高，而對轉換速度要求較低的場合，如數字萬用表等檢測儀器中，得到了廣泛的應用逐次逼近型A/D轉換器的分辨率較高、誤差較低、轉換速度較快，在一定程度上兼顧了以上兩種轉換器的優點，因此得到普遍應用。小結本章小結

D/A轉換器的功能是將輸入的二進制數字信號轉換成相對應的模擬信號輸出。D/A轉換器根據工作原理基本上可分為二進制權電阻網絡D/A轉換器和T型電阻網絡D/A轉換器兩大類。權電阻D/A轉換器由權電阻電路、模擬電子開關和求和運算放大器組成，它的最大特點是轉換速度快。T型電阻網絡D/A轉換器由T型電阻網絡、模擬電子開關、和求和運算放大器組成。由于T型電阻網絡D/A轉換器只要求兩種阻值的電阻，克服了權電阻電路阻值分布廣帶來的缺點，因此最適合于集成工藝，集成D/A轉換器普遍采用這種電路結構。

A/D轉換器的功能是將輸入的模擬信號轉