數(shù)字電子技術(shù) 數(shù)摸和模數(shù)轉(zhuǎn)換

數(shù)—模和?！獢?shù)轉(zhuǎn)換

D/AandA/DConversion數(shù)字電子技術(shù)2024/10/212數(shù)-模和模-數(shù)轉(zhuǎn)換11.1、概述11.2、D/A轉(zhuǎn)換器Digital-to-Analog(D/A)Converter

11.3、A/D轉(zhuǎn)換器Analog-to-Digital(A/D)Converter

本章要求作業(yè)1作業(yè)22024/10/21311.3、A/D轉(zhuǎn)換器（A/DConverter）一、A/D轉(zhuǎn)換的基本原理二、直接A/D轉(zhuǎn)換器三、間接A/D轉(zhuǎn)換器四、A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度返回2024/10/214一、A/D轉(zhuǎn)換的基本原理A/D轉(zhuǎn)換器的功能:將模擬電壓成正比地轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。模擬量vI取樣－保持電路量化編碼電路…n位數(shù)字量

Dndn-1d0…A/D轉(zhuǎn)換器ADC相當(dāng)于一個(gè)編碼器1、電路組成2024/10/215A/D轉(zhuǎn)換的過程:首先對(duì)輸入的模擬電壓信號(hào)取樣，取樣結(jié)束后進(jìn)入保持時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)將取樣的電壓量化為數(shù)字量，并按一定的編碼形式給出轉(zhuǎn)換結(jié)果。然后，再開始下一次取樣。2024/10/216fs：取樣頻率

fi(max)：輸入模擬信號(hào)vI的最高頻率分量的頻率取樣a.

取樣定理2、基本原理取樣器2024/10/217還原

低通濾波器的電壓傳輸系數(shù)在低于fi(max)的范圍內(nèi)應(yīng)保持不變，而在fs－fi(max)以前應(yīng)迅速下降為02024/10/218目的：展寬樣值脈沖寬度以便量化。b.

取樣–保持電路采樣器S緩沖器A1A2存儲(chǔ)電容CH采樣控制信號(hào)失調(diào)調(diào)整輸入端保護(hù)電路D1D2控制邏輯單元L32024/10/219工作原理:vL=1時(shí)，S閉合，vO=

v’O=vI=vCHvL=0時(shí),S斷開，CH上電壓保持。-集成取樣-保持電路LF398332024/10/2110性能指標(biāo)取樣過程中電容CH上的電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)值所需要的時(shí)間，稱為獲取時(shí)間。保持階段輸出電壓的下降率△vo／△T

。選擇外接電容CH電容量大小時(shí)應(yīng)兼顧上述兩指標(biāo)。2024/10/2111把取樣電壓表示為最小數(shù)量單位的整數(shù)倍，叫做量化。該最小數(shù)量單位稱為量化單位，用△表示。把量化的結(jié)果用代碼表示出來，叫做編碼。量化后的量化電平與量化前的取樣電壓之間產(chǎn)生偏移，該偏差叫做量化誤差。c.

量化和編碼2024/10/2112輸入信號(hào)

1V7/8V6/8V5/8V4/8V3/8V2/8V1/8V0二進(jìn)制代碼111110101100011010001000代表的模擬電量7Δ＝7/8(V)6Δ＝6/8(V)5Δ＝5/8(V)4Δ＝4/8(V)3Δ＝3/8(V)2Δ＝2/8(V)1Δ＝1/8(V)0Δ＝0(V)量化單位量化單位量化電平量化電平最大量化誤差為△=1/8V最大量化誤差為1/2△=1/15V只舍不入法四舍五入法輸入信號(hào)

1V13/15V11/15V9/15V7/15V5/15V3/15V1/15V0二進(jìn)制代碼111110101100011010001000代表的模擬電量7Δ＝14/15(V)6Δ＝12/15(V)5Δ＝10/15(V)4Δ＝8/15(V)3Δ＝6/15(V)2Δ＝4/15(V)1Δ＝2/15(V)0Δ＝0(V)返回2024/10/2113二、直接A/D轉(zhuǎn)換器

DirectA/DConverter

1、并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器Flash(Simultaneous)A/DConverter2、反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器總結(jié)返回2024/10/2114量化1、并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器代碼轉(zhuǎn)換器寄存器電壓比較器2024/10/2115輸入→量化→編碼1111101011000110100010002024/10/2116特點(diǎn)*快，CLK觸發(fā)信號(hào)到達(dá)到輸出穩(wěn)定建立只需幾十納秒（目前該種A/D的轉(zhuǎn)換速度最快）*精度，受參考電壓、分壓網(wǎng)絡(luò)等因素影響*有存儲(chǔ)器，不需要S/H電路*電路規(guī)模，n位需要2n-1個(gè)比較器，觸發(fā)器

例：n=10,1023

返回只用在超高速的ADC中2024/10/21172、反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器原理取一個(gè)“D”加到DAC上，得到模擬輸出電壓，將該值與輸入電壓比較，如兩者不等，則調(diào)整D的大小，到相等為止，則D為所求值。分類計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器（Stairstep-ramporCounterDAC）逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器（Successive-ApproximationDAC

）返回2024/10/2118計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器電路組成根據(jù)不同的輸入數(shù)碼產(chǎn)生一組數(shù)值不同的模擬電壓反饋到電壓比較器C將采樣保持的電壓vI與模擬電壓vO加以比較記憶計(jì)數(shù)器輸出的數(shù)字！簡(jiǎn)單！慢返回2024/10/2119逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器可用天平秤重作比喻。若有四個(gè)砝碼共重15克，每個(gè)重量分別為8,4,2,1，設(shè)待秤重量Wx＝13克，可以用下表步驟來秤量：砝碼重結(jié)論暫時(shí)結(jié)果第一次8克砝碼總重<Wx，故保留8克第二次加4克砝碼總重<Wx，故保留12克第三次加2克砝碼總重>Wx，故撤除12克第四次加1克砝碼總重=Wx，故保留13克2024/10/2120寄存器的狀態(tài)變換：00…0010…00dn－11…00……dn－1dn－2…10dn－1dn－2…d11dn－1dn－2…d1d0逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)框圖2024/10/21213位逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器的電路原理圖返回000轉(zhuǎn)換前：清0000001cp1到來后：100000010cp2到來后：110010000cp3到來后：111101000cp4到來后：110000100cp5到來后：110000001若vREF=-8mV，則DAC的輸出電壓為vo=4QA+2QB+QC設(shè)vI=6.1mV！電路不太復(fù)雜！較快2024/10/2122逐次漸近型計(jì)數(shù)型并聯(lián)比較型n位輸出的ADC完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間

n＋

22n-1

一級(jí)觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)時(shí)間和三級(jí)門電路的傳輸延遲時(shí)間

電路規(guī)模小小2n-1個(gè)電壓比較器和2n-1個(gè)觸發(fā)器返回目前集成ADC產(chǎn)品中用得最多的一種2024/10/2123三、間接A/D轉(zhuǎn)換器

IndirectA/DConverter

1、電壓－時(shí)間變換型（簡(jiǎn)稱V－T變換型）

2、電壓－頻率變換型（簡(jiǎn)稱V－F變換型）返回2024/10/21241、V－T變換型A/D轉(zhuǎn)換器原理首先把輸入的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成正比的時(shí)間寬度信號(hào)，然后在這個(gè)時(shí)間寬度里用固定頻率的時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)的結(jié)果就是正比于輸入模擬電壓的數(shù)字信號(hào)。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器（Dual-SlopeADC）2024/10/2125復(fù)習(xí)：積分運(yùn)算電路—

A＋RCR’uIuOiRiCOtuIOtuO2024/10/2126雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器控制邏輯計(jì)數(shù)器時(shí)鐘脈沖源vOS1S0vG(MSB)(LSB)數(shù)字量輸出—A+—C+vL轉(zhuǎn)換控制S1v1模擬輸入-VREFRS0C積分器比較器分析:轉(zhuǎn)換前，vL＝0，計(jì)數(shù)器清零，閉合開關(guān)S0，讓電容C完全放電。

2024/10/2127雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器控制邏輯計(jì)數(shù)器時(shí)鐘脈沖源vOS1S0vG(MSB)(LSB)數(shù)字量輸出—A+—

C+vL轉(zhuǎn)換控制S1v1模擬輸入-VREFRS0C積分器比較器OtvOT1vL＝1（轉(zhuǎn)換開始，S0斷開）：(1)Sl接vI，積分器在固定時(shí)間T1內(nèi)對(duì)vI進(jìn)行積分。積分結(jié)束時(shí)2024/10/2128雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器控制邏輯計(jì)數(shù)器時(shí)鐘脈沖源vOS1S0vG(MSB)(LSB)數(shù)字量輸出—A+—

C+vL轉(zhuǎn)換控制S1v1模擬輸入-VREFRS0C積分器比較器(2)S1接-VREF，積分器向相反方向積分。如果積分器的輸出電壓上升到零時(shí)所經(jīng)過的積分時(shí)間為T2，則可得2024/10/2129讓計(jì)數(shù)器在T2這段時(shí)間里對(duì)固定頻率為fc（fc=1/Tc）的時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，則計(jì)數(shù)結(jié)果一定與vI成正比，即

雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器OtvOT1T2OtCLKOtvG若取Tl為Tc的整數(shù)倍，即T1＝NTc=2nTc，則2024/10/2130

當(dāng)vI分別為兩個(gè)不同的數(shù)值VIl和VI2時(shí)，反向積分的時(shí)間T2和T2’不會(huì)相同（與vI的大小成正比）。

CLK的頻率固定，計(jì)數(shù)器在T2和T2’期間的計(jì)數(shù)脈沖數(shù)目必然與vI成正比。

2024/10/2131雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器優(yōu)點(diǎn)工作性能比較穩(wěn)定；

抗干擾能力比較強(qiáng)。缺點(diǎn)

工作速度低，轉(zhuǎn)換速度一般都在每秒幾十次以內(nèi)。轉(zhuǎn)換精度受計(jì)數(shù)器的位數(shù)、比較器的靈敏度、運(yùn)算放大器和比較器的零點(diǎn)漂移、積分電容的漏電、時(shí)鐘頻率的瞬時(shí)波動(dòng)等多種因素的影響。返回2024/10/21322、V－F變換型A/D轉(zhuǎn)換器原理

首先把輸入的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成正比的頻率信號(hào)，然后在一個(gè)固定的時(shí)間間隔里對(duì)得到的頻率信號(hào)計(jì)數(shù)，所得到的計(jì)數(shù)結(jié)果就是正比于輸入模擬電壓的數(shù)字量。2024/10/2133壓控振蕩器輸出脈沖的頻率fout隨輸入模擬電壓信號(hào)vI的變化而改變，而且在一定的變化范圍內(nèi)fout與vI之間保持較好的線性關(guān)系。

當(dāng)vG變成高電平以后，VCO(壓控振蕩器)的輸出脈沖通過閘門G給計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。在TG時(shí)間里通過閘門的脈沖數(shù)與fout成正比，因而也就與vI成正比。所以，每個(gè)vG周期結(jié)束時(shí)計(jì)數(shù)器里的數(shù)字就是所需要的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

2024/10/2134優(yōu)點(diǎn)抗干擾能力很強(qiáng)。（非常適于在遙測(cè)、遙控系統(tǒng)中應(yīng)用）缺點(diǎn)轉(zhuǎn)換速度比較低。轉(zhuǎn)換精度首先取決于V—F變換的精度，即取決于VCO的線性度和穩(wěn)定度；同時(shí)還受計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)容量的影響。返回2024/10/2135五、A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度1、A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度分辨率以輸出二進(jìn)制或十進(jìn)制的位數(shù)表示，說明A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的分辨能力。輸入模擬電壓的滿刻度值與A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)能區(qū)分輸入模擬電壓的等級(jí)之比，即分辨率＝FSR/2n2024/10/2136A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換誤差指ADC實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上應(yīng)有的輸出數(shù)字量之間的差別，多以最低有效位的倍數(shù)來表示。有時(shí)也用滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)給出。2024/10/21372、A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度用完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間來表示，即從送入模擬信號(hào)起，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字量為止所需的時(shí)間。

ADC的轉(zhuǎn)換速度主要取決于轉(zhuǎn)換電路的類型。返回并聯(lián)比較型：<1微秒逐次漸近型：10～100微秒/次雙積分型：幾十毫秒/次2024/10/2138本章要求1、了解ADC與DAC在數(shù)字系統(tǒng)中的作用及分類方法。2、理解A/D與D/A轉(zhuǎn)換器的基本工作原理。3、理解權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC，倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC的工作原理及性能指標(biāo)，以及雙極性DAC設(shè)計(jì)思路。4、理解逐次漸近型ADC與雙積分型ADC的工組原理及性能指標(biāo)。返回?cái)?shù)字電路實(shí)驗(yàn)六D/A轉(zhuǎn)換及其應(yīng)用實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簩W(xué)習(xí)使用大規(guī)模集成電路，了解數(shù)模轉(zhuǎn)換的原理。實(shí)驗(yàn)器材：萬用表，DAC0832，UA741實(shí)驗(yàn)原理DAC是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的器件，D/A輸出是電壓或電流信號(hào)，在許多重要的場(chǎng)合，都需要用到數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC。對(duì)于n位的D/A轉(zhuǎn)換器，輸出電壓的計(jì)算公式如下：(為參考電壓，為相應(yīng)位的輸入代碼)DAC0832DI0~DI7：數(shù)據(jù)輸入線，TLL電平。ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號(hào)輸入線，高電平有效。CS：片選信號(hào)輸入線，低電平有效。WR1：為輸入寄存器的寫選通信號(hào)。XFER：數(shù)據(jù)傳送控制信號(hào)輸入線，低電平有效。WR2：為DAC寄存器寫選通輸入線。Iout1：電流輸出線。當(dāng)輸入全為1時(shí)最大。Iout2：電流輸出線。其值與Iout1之和為一常數(shù)。