1、第第 十一十一 章章數模和模數轉換 教學內容11.1 概述11.2 D/A轉換器11.3 A/D轉換器 教學要求教學要求 1、掌握DAC和ADC的定義及應用；2、了解DAC的組成、倒T型電阻網絡、集成D/A轉換器、轉換精度及轉換速度；3、了解ADC組成、逐次逼近型A/D轉換器、積分型A/D轉換器、轉換精度及轉換速度。 11.1 11.1 概述概述模數轉換（模數轉換（A/D轉換）：轉換）：將模擬信號轉換為數將模擬信號轉換為數字信號。實現字信號。實現A/D轉換的電路稱為轉換的電路稱為A/D轉換器，簡轉換器，簡寫為寫為ADC(Analog-Digital Converter)數模轉換（數模轉換（D/

2、A轉換）：轉換）：將數字信號轉換為模將數字信號轉換為模擬信號。實現擬信號。實現D/A轉換的電路稱為轉換的電路稱為D/A轉換器，簡轉換器，簡寫為寫為DAC(Digital-Analog Converter)用途用途Sensor放大器A/DMicrocomputer控制對象D/A溫度時間要求要求:！精度！速度電加熱爐熱電偶 D/A轉換器的任務是接收到一個數字量轉換器的任務是接收到一個數字量(D)后，輸出一個后，輸出一個相應的電壓相應的電壓(A)。11.2 11.2 D/A轉換器轉換器將數字信號轉換為模擬信號的電路將數字信號轉換為模擬信號的電路。D00111111 D/A轉換器轉換器A(電壓or電流

3、) ？電阻網絡電阻網絡求和放大求和放大器器參考電壓參考電壓一、權電阻網絡一、權電阻網絡D/A轉換器轉換器電子開關電子開關虛短虛短:V-V+=0電子開關由輸入數電子開關由輸入數字信號字信號D控制；控制；D=d3d2d1d0， ；當；當di=1時時Si接到接到VREF；當當di=0時時Si接到地。接到地。一、權電阻網絡一、權電阻網絡D/A轉換器轉換器虛短虛短:V-V+=033dRVIREF222dRVIREF1212dRVIREF0302dRVIREF)(0123IIIIRiRvFFo)2222(2001122334ddddVvREFo42REFVD )22.22(200112211ddddVvn

4、nnnnREFo n位權電阻網絡位權電阻網絡D/A轉換器，當反饋電阻取為轉換器，當反饋電阻取為R/2時，輸出電壓的計算公式：時，輸出電壓的計算公式：輸出電壓的變化范圍輸出電壓的變化范圍:REFnnV2120優點：優點：結構簡單，所用的電阻元件數很少。結構簡單，所用的電阻元件數很少。缺點：缺點：各電阻的阻值相差較大，不能保證有很各電阻的阻值相差較大，不能保證有很高的精度。高的精度。二、倒二、倒T形電阻網絡形電阻網絡D/A轉換器轉換器 由于由于V-V+=0,所以無論開關所以無論開關S合到哪一邊，都合到哪一邊，都相當于接到了相當于接到了“地地” ，流過各，流過各支路的電流始終支路的電流始終不變。不變

5、。012316842dIdIdIdIiRVIREF)2222(2001122334ddddVRivREFo42REFVD n 位輸入的倒位輸入的倒T形電阻網絡形電阻網絡D/A轉換器，當反轉換器，當反饋電阻取為饋電阻取為R時，輸出電壓的計算公式：時，輸出電壓的計算公式：)22.22(200112211ddddVvnnnnnREFo優點：優點：（1）只有）只有R和和2R兩種阻值的電阻，可達到較高的精度；兩種阻值的電阻，可達到較高的精度；（2）各支路電流恒定不變，在開關狀態變化時，不需電）各支路電流恒定不變，在開關狀態變化時，不需電流建立時間，所以電路轉換速度高，使用廣泛。流建立時間，所以電路轉換速

6、度高，使用廣泛。CB7520電路原理圖電路原理圖0102REFVvD 習題習題3、4、5三、權電流型三、權電流型D/A轉換器轉換器恒流源恒流源32100321032102344()(2222 )22222FFFR IIIIIvi RRdddddddd 42FR ID 為減少電阻阻值的種類，在實用的權電流型為減少電阻阻值的種類，在實用的權電流型D/A轉換器中，轉換器中，經常利用倒經常利用倒T形電阻網絡的分流作用產生一組所需的恒流源。形電阻網絡的分流作用產生一組所需的恒流源。按比例加大發射結的面積按比例加大發射結的面積042FREFR IvD DAC0808電路結構框圖電路結構框圖已知已知VREF

7、=10V kRR5 kRF5nnRREFFnFoDDRVRDIRv88821022?當輸入數字量有當輸入數字量有極性時，希望輸出的模擬電壓也對應為極性時，希望輸出的模擬電壓也對應為。例：輸入為三位二進制補碼。最高位為符號位：正數為例：輸入為三位二進制補碼。最高位為符號位：正數為0，負數負數為為1補碼輸入補碼輸入對應的對應的十進制十進制要求的要求的輸出輸出D2 D1 D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V四、具有雙極性輸出的四、具有雙極性輸出的D/A轉換器轉換器原碼輸入原碼輸入對應的對應的輸出輸出偏移后偏移

8、后的輸出的輸出D2 D1 D0111+7V+3V110+6V+2V101+5V+1V100+4V0V011+3V-1V010+2V-2V001+1V-3V0000V-4V補碼輸入補碼輸入對應的對應的十進制十進制要求的要求的輸出輸出D2 D1 D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V* *將符號位反相后接至高位輸入將符號位反相后接至高位輸入* *將輸出偏移將輸出偏移, ,使輸入為使輸入為100100時，輸出為時，輸出為0 01雙極性輸出雙極性輸出單極性輸出單極性輸出如何將單極性的如何將單極性的D/A轉換器改造

9、成雙極性轉換器改造成雙極性D/A轉換器？轉換器？接偏置電流接偏置電流符號位求反符號位求反* *將符號位反相后接至高位輸入將符號位反相后接至高位輸入* *將輸出偏移將輸出偏移, ,使輸入為使輸入為100100時，輸出為時，輸出為0 0電路實現：電路實現：* *將符號位反相后接至高位輸入將符號位反相后接至高位輸入* *將輸出偏移將輸出偏移, ,使輸入為使輸入為100100時，輸出為時，輸出為0 0電路實現：電路實現：偏移偏移-4V,使輸入使輸入D=100時時,v0=0V032REFBVvDI R 32BBREFVDVRR 02BREFBVRRV 2RBBEFVVRR 選擇合適的選擇合適的VB和和R

10、B可實現雙極性輸出可實現雙極性輸出習題習題6、7五、五、D/A轉換器的主要參數轉換器的主要參數（1 1）分辨率：）分辨率：D/A轉換器理論上可達到的精度。轉換器理論上可達到的精度。 1. D/A轉換器的轉換精度轉換器的轉換精度 分辨率也可用分辨率也可用D/A轉換器能夠分辨出來的最小輸出電壓轉換器能夠分辨出來的最小輸出電壓與最大輸出電壓的比值來表示。例如：與最大輸出電壓的比值來表示。例如：10位位D/A轉換器的分轉換器的分辨率為：辨率為： 分辨率可以用輸入二進制數碼的位數表示。分辨率可以用輸入二進制數碼的位數表示。 分辨率也可以用分辨率也可以用D/A轉換器能夠分辨出來的最小輸出電轉換器能夠分辨出

11、來的最小輸出電壓表示（壓表示（1LSB）。）。（2）轉換誤差：）轉換誤差： D/A轉換器實際上能達到的轉換精度（誤差）轉換器實際上能達到的轉換精度（誤差）。 可以用輸出電壓滿刻度值的百分數表示，也可用可以用輸出電壓滿刻度值的百分數表示，也可用最低位有最低位有效值的倍數（效值的倍數（ m LSB ）表示。）表示。nnREFOnnREFOOREFDVVDVVVV22. 111 引引起起的的誤誤差差移移零零點點漂漂移移導導致致的的曲曲線線漂漂由由漂漂移移誤誤差差OpAV02. 2 電電阻阻網網絡絡的的偏偏差差引引起起，為為模模擬擬開開關關的的壓壓降降內內阻阻不不非非線線性性誤誤差差0. 303V （

12、1）建立時間）建立時間tset：指指輸入數字量各位由全輸入數字量各位由全0變為全變為全1或由全或由全1變為全變為全0時時,輸出電壓達到某一規定值所需輸出電壓達到某一規定值所需要的時間。要的時間。通常建立時間在通常建立時間在100 ns 幾十幾十 s之間。之間。2. D/A轉換器的轉換速度轉換器的轉換速度（2）轉換速率）轉換速率SR：習題習題13、1111.3 11.3 AD轉換器轉換器A/D轉換器轉換器 UI輸入模擬電壓輸入模擬電壓D7D0輸出數字量輸出數字量0 V 5 V0000000011111111一、一、A/D轉換的基本原理轉換的基本原理 dn-1 d1 d0 數 字 量 輸 出 (n

13、位 ) A D C的 數 字化 編 碼 電 路 CPS S C 采 樣 -保 持 電 路 輸 入 模 擬 電 壓 ui(t) us(t) A/D轉換的三個過程：轉換的三個過程：采樣量化編碼采樣量化編碼 采樣采樣 采樣是對模擬信號進行周期性地抽取樣采樣是對模擬信號進行周期性地抽取樣值的過程。值的過程。 把模擬信號把模擬信號 vI 轉換成時間上斷續、幅度等于采樣時模擬轉換成時間上斷續、幅度等于采樣時模擬信號值的離散信號信號值的離散信號 vS 。采樣定理：采樣定理：fs2fi(max)輸入模擬信號輸入模擬信號中的最高頻率中的最高頻率采樣頻率采樣頻率由采樣由采樣-保持電路完成保持電路完成量化量化 將采

14、樣保持電路的輸出電壓，按某種近似方式歸化將采樣保持電路的輸出電壓，按某種近似方式歸化到與之相應的離散電平上，這一轉化過程稱為到與之相應的離散電平上，這一轉化過程稱為數值量化數值量化，簡稱簡稱量化量化。 量化后的數值用一個二進制代碼表示出來，這一過程稱量化后的數值用一個二進制代碼表示出來，這一過程稱為為編碼編碼。 將采樣輸出電壓表示為一個最小單位的整數倍，所取將采樣輸出電壓表示為一個最小單位的整數倍，所取的最小數量單位稱為量化單位的最小數量單位稱為量化單位(1LSB），用），用 表示。表示。編碼編碼 量化編碼過程量化編碼過程 采采樣值樣值 1.2 3.1 3.6 3.1 2.1 1.0 1.2

15、1.5 1.2 0.1 -1.2 -2.6 -3.4 -3.8 量化值量化值 1.0 3.0 3.5 3.0 2.0 1.0 1.0 1.5 1.0 0.0 -1.0 -2.5 -3.5 -4.0 碼碼編編輸出輸出 0010,0110, 0111,0110,0100,0010,0010,0011,0010, 0000, 1110,1011, 1001,1000 電平電平x(t)/V 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 -0.5 -1 -1.5 -2 -3 -2.5 -3.5 -4 t 取量化間隔取量化間隔: =0.5V雙極性信號量化編碼過程雙極性信號量化編碼過程量化誤差：量化誤差：

16、111110101100011010001000111110101100011010001000輸入信號1V7/8V6/8V5/8V4/8V3/8V2/8V1/8V0二進制代碼輸入信號二進制代碼1V13/15V11/15V9/15V7/15V5/15V3/15V1/15V0代表的模擬電壓7=7/8（V）6=6/8（V）5=5/8（V）4=4/8（V）3=3/8（V）2=2/8（V）1=1/8（V）0 =0 （V）代表的模擬電壓7=14/15（V）6=12/15（V）5=10/15（V）4= 8/15（V）3= 6/15（V）2= 4/15（V）1= 2/15（V）0 = 0 (V）0V二、直接

17、二、直接A/D轉換器轉換器 并聯比較型并聯比較型0viVREF/15時，時，7個比較個比較器輸出全為器輸出全為0 0，CP 到來后，到來后，7個觸發器都置個觸發器都置0 0。經編碼器。經編碼器編碼后輸出的編碼后輸出的二進制代碼為二進制代碼為d2d1d0000。時，時，7個比較器個比較器中只有中只有C1輸出輸出為為1，CP到來到來后，只有觸發后，只有觸發器器FF1置置1，其，其余觸發器仍為余觸發器仍為0。經編碼器編碼經編碼器編碼后輸出的二進后輸出的二進制代碼為制代碼為d2d1d0=001。15315REFiREFVuV時，比較器中時，比較器中C1、C2輸出為輸出為1，CP到來后，觸到來后，觸發器

18、發器FF1、FF2置置1，其余觸發，其余觸發器仍為器仍為0。經編。經編碼器編碼后輸碼器編碼后輸出的二進制代出的二進制代碼為碼為d2d1d0=011。155153REFiREFVuV* *快快: CP: CP觸發信號到達到輸出穩定建立只需幾十觸發信號到達到輸出穩定建立只需幾十nsns* *精度精度: : 受參考電壓、分壓網絡等因素影響受參考電壓、分壓網絡等因素影響* *電路規模電路規模: n: n位需要位需要2n-12n-1比較器，觸發器。比較器，觸發器。并聯比較型并聯比較型特點特點逐次比較型逐次比較型AD轉換器轉換器 其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四個砝碼共其工作原理可用天平秤重作比喻。若

19、有四個砝碼共重重15克，每個重量分別為克，每個重量分別為8、4、2、1克。設待秤重量克。設待秤重量Wx = 13克，可以用下表步驟來秤量克，可以用下表步驟來秤量：砝碼重砝碼重第一次第一次第二次第二次第三次第三次第四次第四次加加4克克加加2克克加加1克克8 克克砝碼總重砝碼總重 待測重量待測重量Wx ，故保留，故保留砝碼總重仍砝碼總重仍 待測重量待測重量Wx ，故撤除，故撤除砝碼總重砝碼總重 待測重量待測重量Wx ，故保留，故保留暫時結果暫時結果8 克克12 克克12 克克13 克克 結結 論論反饋比較型反饋比較型 ！電路不太復雜！較快反饋比較型反饋比較型 1 0 0 0 0逐次比較型逐次比較型

20、A/D轉換器轉換器電路原理圖電路原理圖0 0 000 0 01 11 0 0 0 03位：5個CPN位: ( n+2)個CP逐次比較型逐次比較型A/D轉換器轉換器電路原理圖電路原理圖0 0 000 0 01 110 1 0 0 00 0110三、間接三、間接A/D轉換器轉換器雙積分型雙積分型A/D轉換器轉換器又稱為電壓時間變換型（又稱為電壓時間變換型（VT變換型）變換型）IOTIIOIILVVVRCTdtVRCVVTTVSSV 10111101.)(, 1. 2. 1不不變變期期間間的的積積分分固固定定時時間間，積積分分器器作作第第一一步步，斷斷開開轉轉換換開開始始起起始始狀狀態態：計計數數器

21、器清清零零雙積分型雙積分型A/D轉換器轉換器0，t =T1時時IREFCCCCCVVTTfTD)fT(fT1221 則則脈脈沖沖計計數數，期期間間用用固固定定的的頻頻率率令令計計數數器器在在IREFIREFITREFOOREFIVVTTTRCVTRCVTRCVdtVRCVVVS1212100102 積分器作反相積分，至積分器作反相積分，至第二步：第二步：雙積分型雙積分型A/D轉換器轉換器IREFCIREFCCVVNDNTTVVTTfTD 112若若IREFnnVVDN22 ，則則取取 先將先將Vi轉換成與之轉換成與之成正比的時間信號，成正比的時間信號，然后在這個時間內用然后在這個時間內用固定頻

22、率脈沖計數固定頻率脈沖計數. .雙積分型雙積分型A/D轉換器原理轉換器原理:（VT變換型）變換型） A/D轉換器轉換器控制電路的實現控制電路的實現V-F 變換型變換型fout=k1vI ; 計數器在計數器在TG時間里對時間里對fout計數，計數，則則 D= TG fout = TGk1vID適合遠距離傳輸適合遠距離傳輸不同的不同的A/D轉換器的比較轉換器的比較四、四、A/D轉換器的主要參數轉換器的主要參數 A/DA/D轉換器的分辨率用輸出二進制數的位數表示，位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。數越多，誤差越小，轉換精度越高。分辨率也可以用分辨率也可以用1

23、LSB的電壓表示，是的電壓表示，是 A/D轉換器能夠分辨轉換器能夠分辨出來的最小輸出電壓。出來的最小輸出電壓。例如：輸入模擬電壓的變化范圍為例如：輸入模擬電壓的變化范圍為0 05V5V，輸出，輸出1010位二進制位二進制數可以分辨的最小模擬電壓為數可以分辨的最小模擬電壓為5V2104.88mV。(1)分辨率：分辨率：1.A/D轉換器的轉換精度轉換器的轉換精度（2）轉換誤差）轉換誤差 通常以輸出誤差最大值的形式給出，通常以輸出誤差最大值的形式給出，2. A/D轉換器的轉換速度轉換器的轉換速度 A/DA/D轉換速度是指完成一次轉換所需的時間。轉換時轉換速度是指完成一次轉換所需的時間。轉換時間是指從

24、接到模擬輸入信號開始，到輸出端得到穩定的數間是指從接到模擬輸入信號開始，到輸出端得到穩定的數字輸出信號所經過的這段時間。字輸出信號所經過的這段時間。 A/D轉換速度轉換速度AD7767是高速、低功耗、單電源供電、高精度的是高速、低功耗、單電源供電、高精度的24位位AD轉換轉換器，它采用逐次逼近結構。芯片內部還集成了跟蹤保持電路，器，它采用逐次逼近結構。芯片內部還集成了跟蹤保持電路，此器件廣泛的應用于多通道系統中。其特點如下：此器件廣泛的應用于多通道系統中。其特點如下： (1) 功耗為功耗為15mw，109.5dB動態范圍，轉換速率動態范圍，轉換速率128kbs。 (2) 高精度：高精度：24位內無誤編碼位內無