電子技術數字電路部分第九章數/模與模/數變換器1第九章數/模與模/數變換器§9.1概述§9.2D/A變換器§9.3A/D變換器2一、數/模和模/數器是模擬、數字系統間的橋梁模

/

數（A

/

D）轉換:AnalogtoDigitalConverter（ADC）數

/

模（D

/

A）轉換:DigitaltoAnalogConverterDAC）數字計算機模擬系統A/DD/A二進制二進制線性線性存儲分析控制物理生物化學§9.1概述3四、分類4由于構成數字代碼的每一位都有一定的“權重”，因此為了將數字量轉換成模擬量，就必須將每一位代碼按其“權重”轉換成相應的模擬量，然后再將代表各位的模擬量相加，即可得到與該數字量成正比的模擬量，這就是構成D/A變換器的基本思想。D/A變換器的電路形式很多，這里只介紹兩種。§9.2D/A變換器59.2.1權電阻D/A變換器這種變換器由“電子模擬開關”、“權電阻求和網絡”、“運算放大器”和“基準電源”等部分組成。

UR++-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RFD3D2D1D000115kR=80

k00116電子模擬開關(S0-S3)由電子器件構成，其動作受二進制數D0-D3控制。當DK＝1

時，則相應的開關SK接到位置1上，將基準電源UR經電阻Rk引起的電流接到運算放大器的虛地點（如圖中S0、S1）；當Dk＝0時，開關Sk接到位置0，將相應電流直接接地而不進運放（如圖中S2、S3）。++-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RFD3D2D1D00011

UR5

kR=80

k7T1T2SDa電子模擬開關的簡化原理電路當D=1時，T2管飽和導通，T1管截止，則S與a點通；當D=0時，T1管飽和導通，T2管截止，則S被接地。前者相當于開關S接到“1”端，后者則相當于開關S接到“0

”端。8Uo

=-URRFR（）D3D0D1D223202122＋＋＋根據反相比例運算公式可得：顯然，輸出模擬電壓的大小直接與輸入二進制數的大小成正比，從而實現了數字量到模擬量的轉換。++-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RFD3D2D1D00011

UR5

kR=80

k99.2.3DAC的轉換精度、速度和主要參數一、轉換精度指D/A轉換器模擬輸出產生的最小電壓變化量與滿刻度輸出電壓之比，也可用輸入的位數表示。為實際輸出與理想輸出模擬電壓間的最大誤差。

ULSBUFSR=12n–1分辨率=LSB

—LeastSignificantBit2.轉換誤差

可用占輸出電壓滿刻度值的百分數表示或可用最低有效位（LSB）的倍數表示。如:?（LSB）=輸入為0…01時輸出模擬電壓的一半。1.分辨率（Resolution）FSR

—FullScaleRange10二、轉換速度1.建立時間tsts為在大信號工作下（輸入由全0變為全1，或由全1變為全0）,輸出電壓達到某一規定值所需時間

。不包含UREF和運放的單片DAC最短ts<0.1s；包含UREF和運放的單片DAC最短t

s<1.5s。2.轉換速率SR用大信號工作狀態下模擬電壓的變化率表示TTR=ts+

tr（tf）上升時間下降時間完成一次轉換所需時間TTR（max）=ts+UO（max）/SR11概述ADCDn~D0輸出數字量輸入模擬電壓能將模擬電壓成正比地轉換成對應的數字量。1.A/D功能:9.3A/D轉換器122.A/D轉換器分類①并聯比較型

特點:轉換速度快,轉換時間10ns~1s,但電路復雜。②逐次逼近型

特點:轉換速度適中,轉換時間為幾s~100s,轉換精度高，在轉換速度和硬件復雜度之間達到一個很好的平衡。③雙積分型

特點:轉換速度慢,轉換時間幾百s~幾ms,但抗干擾能力最強。13取樣時間上離散的信號保持、量化量值上也離散的信號編碼模擬信號時間上和量值上都連續數字信號時間上和量值上都離散9.3.1A/D轉換的一般工作過程

A/D轉換器一般要包括取樣，保持，量化及編碼4個過程。141.取樣與保持

采樣是將隨時間連續變化的模擬量轉換為在時間離散的模擬量。

采樣信號S(t)的頻率愈高，所采得信號經低通濾波器后愈能真實地復現輸入信號。合理的采樣頻率由采樣定理確定。

采樣定理：設采樣信號S(t)的頻率為fs，輸入模擬信號I(t)的最高頻率分量的頻率為fimax，則fs≥2fimax S(t)=1:開關閉合S(t)=0:開關斷開15采得模擬信號轉換為數字信號都需要一定時間，為了給后續的量化編碼過程提供一個穩定的值，在取樣電路后要求將所采樣的模擬信號保持一段時間。采樣保持取樣與保持電路及工作原理162.量化與編碼數字信號在數值上是離散的。采樣–保持電路的輸出電壓還需按某種近似方式歸化到與之相應的離散電平上，任何數字量只能是某個最小數量單位的整數倍。量化后的數值最后還需通過編碼過程用一個代碼表示出來。經編碼后得到的代碼就是A/D轉換器輸出的數字量。量化3.編碼17在量化過程中由于所采樣電壓不一定能被整除，所以量化前后一定存在誤差，此誤差我們稱之為量化誤差，用表示。量化誤差屬原理誤差，它是無法消除的。A/D轉換器的位數越多，各離散電平之間的差值越小，量化誤差越小。兩種近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。4.量化誤差：量化前的電壓與量化后的電壓差5.量化方式18011111101011000110100010000Δ=0v7Δ=7/8v6Δ=6/8v5Δ=5/8v4Δ=4/8v3Δ=3/8v2Δ=2/8v1Δ=1/8v輸入信號編碼量化后電壓a)只舍不入量化方式:量化中把不足一個量化單位的部分舍棄；對于等于或大于一個量化單位部分按一個量化單位處理。最大量化誤差為：最小量化單位＝1/8VΔ=1LSB=1/8V例：將0~1V電壓轉換為3位二進制代碼19b)四舍五入量化方式:量化過程將不足半個量化單位部分舍棄，對于等于或大于半個量化單位部分按一個量化單位處理。最大量化誤差為：最小量化單位：011111101011000110100010000Δ=0v7Δ=14/15v6Δ=12/15v5Δ=10/15v4Δ=8/15v3Δ=6/15v2Δ=4/15v1Δ=2/15v輸入信號編碼模擬電平Δ=1LSB=

2/15V＝1/15V例：將0~1V電壓轉換為3位二進制代碼209.3.2并行比較型A/D轉換器電壓比較器輸入模擬電壓精密電阻網絡精密參考電壓VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15輸出數字量1、電路組成21VI=8VREF/15111100000122

vI

CO1CO2CO3CO4CO5CO6CO7

D2D1D0

7VREF/15

vI9VREF/15

0001111100

9VREF/15

vI11VREF/15

0011111101

5VREF/15

vI7VREF/15

0000111011

3VREF/15

vI

5VREF/15000001101011VREF/15

vI13VR/15

011111111013VREF/15

vIVREF/15

1111111111

VREF/15

vI

3VREF/15

0000001001

0vIVREF/15

0000000000

根據各比較器的參考電壓值，可以確定輸入模擬電壓值與各比較器輸出狀態的關系。比較器的輸出狀態由D觸發器存儲，經優先編碼器編碼，得到數字量輸出。233、電路特點：在并行A/D轉換器中，輸入電壓I同時加到所有比較器的輸入端。如不考慮各器件的延遲，可認為三位數字量是與I輸入時刻同時獲得的。所以它的轉換時間最短。缺點是電路復雜，如三位ADC需7個比較器、7個觸發器、8個電阻。位數越多，電路越復雜。為了解決提高分辨率和增加元件數的矛盾，可以采取分級并行轉換的方法。單片集成并行比較型A/D轉換器的產品很多，如AD公司的AD9012(TTL工藝8位)、AD9002(ECL工藝，8位)、AD9020(TTL工藝，10位)等。249.3.5A/D轉換器的轉換精度和轉換速度一、轉換精度分辨率1.用二進制或十進制位數表示(設計參數)LSB變化一個數碼時，對應輸入模擬量的變化量(測量參數)如最大輸出電壓為5

V的8位A/D的分辨率為：轉換誤差：表示實際輸出