第七章---數(shù)字電子技術(shù)

1、第七章 D/A轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器,第一節(jié)D/A和A/D轉(zhuǎn)換的基本原理,第二節(jié)D/A轉(zhuǎn)換器,第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換器,,一、模擬量、數(shù)字量以及二者的相互轉(zhuǎn)換,第一節(jié) D/A和A/D轉(zhuǎn)換的基本原理,,連續(xù)變化的物理量稱為模擬量，模擬量是可以連續(xù)取值的。有規(guī)律但不連續(xù)的變化量稱為數(shù)字量，也叫離散量。數(shù)字量是不能連續(xù)取值的。,,,連續(xù)變化的模擬量,電壓、電流或頻率等電量,被控對(duì)象,,,傳感器,,A/D轉(zhuǎn)換,,數(shù)字信號(hào),處理后的數(shù)字

2、信息,數(shù)字系統(tǒng),,電的模擬量,,D/A轉(zhuǎn)換,,執(zhí)行機(jī)構(gòu),,二、D/A轉(zhuǎn)換的基本原理,第一節(jié) D/A和A/D轉(zhuǎn)換的基本原理,,要將數(shù)字量D轉(zhuǎn)換為模擬量A，需要一個(gè)模擬參考量R ，使得A = DR 若 max{A}=R 則 0≤D≤1

3、 即數(shù)字量D是一個(gè)不大于1的n進(jìn)制數(shù)。自然，這里的D是二進(jìn)制數(shù)： D = a12－1 + a22－2 + … + an2－n , ai∈(0, 1),,,實(shí)際中通常用一個(gè)參考電壓UREF作模擬參考量。,,第一節(jié) D/A和A/D轉(zhuǎn)換的基本原理,注意，A雖是模擬量，但并不能取任意值，而只能根據(jù)輸入量D得到某些特定值。,LSB,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,D/A轉(zhuǎn)換特性,,,,三、 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技

4、術(shù)參數(shù),分辨力：D/A轉(zhuǎn)換器分辨最小模擬量的能力。,分辨率：通常指D/A轉(zhuǎn)換器的二進(jìn)制位數(shù)。,滿量程：D/A轉(zhuǎn)換器可輸出模擬量的最大值。,非線性誤差 ：在滿量程范圍內(nèi)偏離理想轉(zhuǎn)換特性的最大值稱為非線性誤差。,第一節(jié) D/A和A/D轉(zhuǎn)換的基本原理,也就是最低有效位LSB所對(duì)應(yīng)的模擬量 ，記作RLSB 。,顯然位數(shù)越多，D/A轉(zhuǎn)換器所能輸出的最小模擬量值也越小，因而分辨力與分辨率是統(tǒng)一的。有時(shí)對(duì)二者不加區(qū)分。,轉(zhuǎn)換精度：通常以滿量程相對(duì)誤

5、差來(lái)說(shuō)明D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度。,建立時(shí)間：從輸入數(shù)字信號(hào)穩(wěn)定到輸出模擬信號(hào)穩(wěn)定所需要的時(shí)間。,(Δu)max為最大絕對(duì)誤差。,溫度系數(shù)：在規(guī)定范圍內(nèi)，溫度變化1℃時(shí)，增益、線性度、零點(diǎn)及偏移等參數(shù)的變化量分別稱為增益溫度系數(shù)、線性度溫度系數(shù)、零點(diǎn)溫度系數(shù)、偏移溫度系數(shù)。,建立時(shí)間決定了D/A轉(zhuǎn)換器輸出信號(hào)所能達(dá)到的最小重復(fù)周期。,三、 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù),第一節(jié) D/A和A/D轉(zhuǎn)換的基本原理,四、 A/D轉(zhuǎn)換的基本原理,A/

6、D轉(zhuǎn)換的過(guò)程，是一個(gè)將模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)的編碼過(guò)程。,若模擬參考量為R，則輸出數(shù)字量D和輸入模擬量A之間的關(guān)系為 D≈ A/R,第一節(jié) D/A和A/D轉(zhuǎn)換的基本原理,A/D轉(zhuǎn)換器,A/D轉(zhuǎn)換,mmin,數(shù)字D永遠(yuǎn)不能精確地表示被測(cè)物體質(zhì)量mx，而只能以一個(gè)最小砝碼mmin的精度去逼近。,,,,mmin稱為量化單位。無(wú)論mmin多小，總不能是無(wú)窮小，由mmin不能是無(wú)窮小而帶來(lái)的誤差稱為量化誤差。,量化誤差是不能消除的。但A/D轉(zhuǎn)換

7、得出的數(shù)字量可以提供盡可能多的有效數(shù)字，使得數(shù)據(jù)處理的總體精度大大提高。,第一節(jié) D/A和A/D轉(zhuǎn)換的基本原理,LSB,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,五、 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù),分辨力：A/D轉(zhuǎn)換器分辨最小模擬量的能力。,分辨率：A/D轉(zhuǎn)換器的二進(jìn)制位數(shù)。,量化誤差：量化誤差通常是指1個(gè)LSB的輸出變化所對(duì)應(yīng)模擬量的范圍。,轉(zhuǎn)換精度：A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度不僅僅取決于量化誤差，而是由多種因素決定的。 A/D

8、轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度一般表示為γ±nLSB。,轉(zhuǎn)換時(shí)間：完成一次轉(zhuǎn)換所用的時(shí)間。,第一節(jié) D/A和A/D轉(zhuǎn)換的基本原理,,,,五、 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù),轉(zhuǎn)換速率：每秒轉(zhuǎn)換的次數(shù)。,轉(zhuǎn)換速率與轉(zhuǎn)換時(shí)間不一定是倒數(shù)關(guān)系。,第一節(jié) D/A和A/D轉(zhuǎn)換的基本原理,兩次轉(zhuǎn)換過(guò)程允許有部分時(shí)間的重疊，因而轉(zhuǎn)速率大于轉(zhuǎn)換時(shí)間的倒數(shù)，這稱作管線（pipelining）工作方式。,,,,例如：,一、權(quán)電阻型D/A轉(zhuǎn)換器,第二節(jié) D/A

9、轉(zhuǎn)換器,,,,,,Sn-1 Sn-2 Si S1 S0,1 0 1 0 1 0 1 0 1 0,Dn-1 Dn-2

10、 Di D1 D0,,,,,,第二節(jié) D/A轉(zhuǎn)換器,,,,右圖所示的電路中，設(shè)n=4, UREF =－10V, R=100kΩ, Rf=8kΩ, 輸入二進(jìn)制數(shù)碼S3S2S1S0為1011。試問(wèn)運(yùn)算放大器輸出電壓是多少？,解：,權(quán)電阻型D/A轉(zhuǎn)換器中的解碼網(wǎng)絡(luò)所用的阻值范圍很大, 特別是當(dāng)分辨率較高時(shí), 電阻值的范圍會(huì)大得難以實(shí)現(xiàn)。,

11、二、R-2R 網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器,第二節(jié) D/A轉(zhuǎn)換器,,,,虛地,對(duì)地電阻為2R,,,,,,,,,,,與權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)相比，R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)中只有R、2R兩種阻值，從而克服了權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)阻值多、阻值差別大的缺點(diǎn)。,,,,三、集成D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832,第二節(jié) D/A轉(zhuǎn)換器,,,,內(nèi)部結(jié)構(gòu),三、集成D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832,第二節(jié) D/A轉(zhuǎn)換器,,,,典型應(yīng)用,第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器,,,,一、A/D轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵部件——比較器,

12、A/D轉(zhuǎn)換的過(guò)程就是用模擬量A與參考量R比較的過(guò)程，因此，電壓比較器就成了A/D轉(zhuǎn)換器中重要部件。,比較器的輸出為,,0,1,,模擬信號(hào),第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器,,,,二、取樣—保持電路,所謂取樣就是將一個(gè)時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為時(shí)間上離散的模擬量。,根據(jù)取樣定理，每經(jīng)過(guò)一定時(shí)間間隔TS取出信號(hào)的一個(gè)值，只要TS≤ （fm為信號(hào)頻帶中的最高頻率），這些取樣值就可以無(wú)損失地表達(dá)原模擬信號(hào)。,7654321,,

13、1TS,,2TS,取樣信號(hào),,3TS,,,4TS,,5TS,,6TS,,7TS,,8TS,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器,二、取樣—保持電路,由于對(duì)模擬量進(jìn)行量化的過(guò)程需要一定的時(shí)間，所以為保證轉(zhuǎn)換精度，在轉(zhuǎn)換（即量化）時(shí)間內(nèi)應(yīng)使取樣點(diǎn)的函數(shù)值保持不變。,這種暫時(shí)保持由瞬時(shí)取樣得到的模擬信號(hào)的電路，就是取樣—保持電路。右圖是一種常用的取樣—保持電路。,,,,,

14、,+ -,1,0,,,,,,,,在取樣脈沖S（t）持續(xù)時(shí)間tw內(nèi) ，T導(dǎo)通。輸入信號(hào)uI經(jīng)開(kāi)關(guān)T對(duì)電容C進(jìn)行充電。只要充電時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于取樣信號(hào)S（t）的持續(xù)時(shí)間tw，則輸出信號(hào)uO就能跟蹤輸入信號(hào)uI的變化。,當(dāng)取樣脈沖結(jié)束，即在TS-tw時(shí)間內(nèi)，場(chǎng)效應(yīng)管T關(guān)斷，因而電容器上電壓uC無(wú)泄放回路，保持不變，則uO=-uC也保持不變。,,,LSB,第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器,三、并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器,假定被轉(zhuǎn)換的模擬輸入電壓uI在0～UR

15、EF范圍內(nèi)變化。取3位二進(jìn)制數(shù)代表模擬輸入uI的數(shù)字輸出。,采用有舍有入的量化方式，利用電阻分壓把標(biāo)準(zhǔn)電壓UREF分成8段（量化階梯），位數(shù)越多，精度越高。,二進(jìn)制數(shù)輸出,,其中6段間隔為(1/7)UREF，另外兩段間隔（最初和最末）為(1/14)UREF。因此，輸入模擬電壓從0到UREF整個(gè)范圍內(nèi)，它的最大量化誤差都是一樣的，即永遠(yuǎn)不會(huì)超過(guò)(1/14) UREF。,001是在(1/7)UREF時(shí)的值。在(1/14)UREF，(3/14

16、)UREF之間的值和(1/7)UREF最多相差(1/14)UREF ，因此，最大量化誤差不會(huì)超過(guò)(1/14) UREF。,R8,R1,參考電壓,模擬輸入電壓uI,UREF,例：當(dāng) ， 求輸出的數(shù)字量。,0000011,0010100,,,,,1,0,1,,,1,0,由于各個(gè)比較器的工作過(guò)程幾乎是同時(shí)的，所以并

17、行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率在所有A/D轉(zhuǎn)換方案中是最高的。 但需要使用大量的比較器。,,第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器,,,,四、串行比較型A/D轉(zhuǎn)換器,串行比較型A/D轉(zhuǎn)換器讓模擬信號(hào)依時(shí)間順序通過(guò)一連串比較器，后面比較器的輸入信號(hào)反映了前面比較器的剩余。,由于后一位的比較需要使用前一位的結(jié)果，所以這種方案的轉(zhuǎn)換速率不可能做得很高。但相同分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器，串行比較法較并行比較法少用了大量的比較器。,D3,uY3,取并行

18、比較型速度快與串行比較型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單之優(yōu)點(diǎn)，構(gòu)成了折中方案——并-串比較型A/D轉(zhuǎn)換器。,第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器,,,,五、并-串比較型A/D轉(zhuǎn)換器,高位比較器列,首先在高位比較器列上實(shí)現(xiàn)高a位A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果一方面作為高位輸出。,a,a位高位比較器,a,另一方面加到a位D/A轉(zhuǎn)換器上將已轉(zhuǎn)換的高位數(shù)字還原為模擬電壓，再與輸入模擬電壓作減運(yùn)算，并將其差值放大至2a倍。,,,,,UR1,2a放大,UII,b位低位比較器,b,輸出寄存

19、器,放大器的輸出UII由低位比較器列轉(zhuǎn)換出低b位數(shù)字，并與高位數(shù)字一同輸出。,a+b,第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器,,,,六、逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器,0,4V,,3.5V,,,4.9V,0,,,,,,逐次比較型ADC工作原理也可用天平測(cè)量質(zhì)量來(lái)比照。,例：uI(t)=4.9V,G3 G2 G1,Rd,Q3 Q2 Q1,G4

20、G5G6,D2D1D0,3位碼D/AC電路,000,6V,,5.5V,,,0,第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器,六、逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器,,,,,第二個(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái)時(shí)。,1,,,,,000,1,,,,,第三個(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái)時(shí)。,0,第五個(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái)時(shí)。,101,5V,4.5V,,,,G4、G5、G6門(mén)開(kāi)，Q3、Q2、Q1數(shù)據(jù)傳出。,第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器,七、雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器,雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器就是

21、先把電壓轉(zhuǎn)換成中間量——時(shí)間，再將時(shí)間轉(zhuǎn)換為數(shù)字，這種轉(zhuǎn)換方法屬于間接轉(zhuǎn)換。,,,,,,,,,,,0,1,,,,,,,,- +,,,,,,1,有效,,,,,,,1,第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器,,,,,,,,,,0,,,,,,,,- +,正電壓UREF向電容C充電，電容兩端電壓不能突變，使得uo1電壓逐步下降，但還是正值， uo2為負(fù)值。,非門(mén)輸出維持不變，還是高電平，使得CP信號(hào)繼續(xù)有效， 計(jì)數(shù)器繼續(xù)計(jì)數(shù)。,,,,,,當(dāng)輸出D為10

22、0時(shí)，uo1小于零，使得uo2信號(hào)翻轉(zhuǎn)為高電平。,,此時(shí)非門(mén)輸出為0，關(guān)斷CP信號(hào)，寄存器輸出可以作為數(shù)字量輸出。,0,無(wú)效,(式7.3.2),第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器,,,,七、雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器,雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器在開(kāi)始一定時(shí)間內(nèi)，積分器A1以輸入電壓uI為被積函數(shù)進(jìn)行積分，然后以與輸入電壓uI極性相反的參考電壓為被積函數(shù)進(jìn)行積分，再對(duì)積分輸出電壓進(jìn)行過(guò)零比較。,,,,,,,斜率,,,,,t2,,,,D的正向電壓,,（ t0≤t≤

23、t1，uI＜0 ）,式中：T1= t1 - t0, t0 = 0, uI＜0。,（t = t2）,(式7.3.4),第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器,,,,=,七、雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器,將式（7.3.2）代入式（7.3.4）得,ADC0809是8位CMOS逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，具有8個(gè)輸入通道，可直接選通8路模擬量進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 輸出設(shè)有三態(tài)TTL鎖存緩沖器，便于和各種微處理機(jī)接口。 ADC0809的主要組

24、成部分有8路模擬開(kāi)關(guān)、地址譯碼、256個(gè)電阻組成的電阻網(wǎng)絡(luò)和開(kāi)關(guān)樹(shù)、8位逐次比較寄存器、8位三態(tài)輸出鎖存緩沖器、比較器和時(shí)序控制電路。,,第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器,,,,八、集成A/D轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用,,地址譯碼與鎖存,8路模擬開(kāi)關(guān)器,8路模擬輸入信號(hào)選擇哪一路進(jìn)行轉(zhuǎn)換，要靠多路選擇器來(lái)完成。例：ADDC=1 ADDB=1 ADDA=0 的情況,1101,IN6,逐次

25、比較寄存器,8位逐次比較寄存器共可記錄28 = 256 種可用狀態(tài)。,樹(shù)狀開(kāi)關(guān),開(kāi)關(guān)樹(shù)輸出UREF也有256個(gè)參考電壓，將UREF送入比較器與輸入模擬電壓uI進(jìn)行比較 。,另外，A/D轉(zhuǎn)換器的新產(chǎn)品也時(shí)有出現(xiàn)，如用于高精度音頻信號(hào)處理的Σ-Δ型A/D轉(zhuǎn)換器等。,1. 常用的D/A轉(zhuǎn)換器有權(quán)電阻型和R-2R網(wǎng)絡(luò)型兩種電路。 由于R-2R 網(wǎng)絡(luò)型電阻取值較少，易于集成，便于提高精度，多為集成D/A轉(zhuǎn)換器所采用。,2. 常用的A/