第七章---數字電子技術

1、第七章 D/A轉換器和A/D轉換器,第一節D/A和A/D轉換的基本原理,第二節D/A轉換器,第三節A/D轉換器,,一、模擬量、數字量以及二者的相互轉換,第一節 D/A和A/D轉換的基本原理,,連續變化的物理量稱為模擬量，模擬量是可以連續取值的。有規律但不連續的變化量稱為數字量，也叫離散量。數字量是不能連續取值的。,,,連續變化的模擬量,電壓、電流或頻率等電量,被控對象,,,傳感器,,A/D轉換,,數字信號,處理后的數字

2、信息,數字系統,,電的模擬量,,D/A轉換,,執行機構,,二、D/A轉換的基本原理,第一節 D/A和A/D轉換的基本原理,,要將數字量D轉換為模擬量A，需要一個模擬參考量R ，使得A = DR 若 max{A}=R 則 0≤D≤1

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

4、術參數,分辨力：D/A轉換器分辨最小模擬量的能力。,分辨率：通常指D/A轉換器的二進制位數。,滿量程：D/A轉換器可輸出模擬量的最大值。,非線性誤差 ：在滿量程范圍內偏離理想轉換特性的最大值稱為非線性誤差。,第一節 D/A和A/D轉換的基本原理,也就是最低有效位LSB所對應的模擬量 ，記作RLSB 。,顯然位數越多，D/A轉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一的。有時對二者不加區分。,轉換精度：通常以滿量程相對誤

5、差來說明D/A轉換器的轉換精度。,建立時間：從輸入數字信號穩定到輸出模擬信號穩定所需要的時間。,(Δu)max為最大絕對誤差。,溫度系數：在規定范圍內，溫度變化1℃時，增益、線性度、零點及偏移等參數的變化量分別稱為增益溫度系數、線性度溫度系數、零點溫度系數、偏移溫度系數。,建立時間決定了D/A轉換器輸出信號所能達到的最小重復周期。,三、 D/A轉換器的主要技術參數,第一節 D/A和A/D轉換的基本原理,四、 A/D轉換的基本原理,A/

6、D轉換的過程，是一個將模擬信號變換為數字信號的編碼過程。,若模擬參考量為R，則輸出數字量D和輸入模擬量A之間的關系為 D≈ A/R,第一節 D/A和A/D轉換的基本原理,A/D轉換器,A/D轉換,mmin,數字D永遠不能精確地表示被測物體質量mx，而只能以一個最小砝碼mmin的精度去逼近。,,,,mmin稱為量化單位。無論mmin多小，總不能是無窮小，由mmin不能是無窮小而帶來的誤差稱為量化誤差。,量化誤差是不能消除的。但A/D轉換

7、得出的數字量可以提供盡可能多的有效數字，使得數據處理的總體精度大大提高。,第一節 D/A和A/D轉換的基本原理,LSB,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,五、 A/D轉換器的主要技術參數,分辨力：A/D轉換器分辨最小模擬量的能力。,分辨率：A/D轉換器的二進制位數。,量化誤差：量化誤差通常是指1個LSB的輸出變化所對應模擬量的范圍。,轉換精度：A/D轉換器的轉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、轉換器的轉換精度一般表示為γ±nLSB。,轉換時間：完成一次轉換所用的時間。,第一節 D/A和A/D轉換的基本原理,,,,五、 A/D轉換器的主要技術參數,轉換速率：每秒轉換的次數。,轉換速率與轉換時間不一定是倒數關系。,第一節 D/A和A/D轉換的基本原理,兩次轉換過程允許有部分時間的重疊，因而轉速率大于轉換時間的倒數，這稱作管線（pipelining）工作方式。,,,,例如：,一、權電阻型D/A轉換器,第二節 D/A

9、轉換器,,,,,,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 D/A轉換器,,,,右圖所示的電路中，設n=4, UREF =－10V, R=100kΩ, Rf=8kΩ, 輸入二進制數碼S3S2S1S0為1011。試問運算放大器輸出電壓是多少？,解：,權電阻型D/A轉換器中的解碼網絡所用的阻值范圍很大, 特別是當分辨率較高時, 電阻值的范圍會大得難以實現。,

11、二、R-2R 網絡型D/A轉換器,第二節 D/A轉換器,,,,虛地,對地電阻為2R,,,,,,,,,,,與權電阻網絡相比，R-2R電阻網絡中只有R、2R兩種阻值，從而克服了權電阻網絡阻值多、阻值差別大的缺點。,,,,三、集成D/A轉換器DAC0832,第二節 D/A轉換器,,,,內部結構,三、集成D/A轉換器DAC0832,第二節 D/A轉換器,,,,典型應用,第三節 A/D轉換器,,,,一、A/D轉換器的關鍵部件——比較器,

12、A/D轉換的過程就是用模擬量A與參考量R比較的過程，因此，電壓比較器就成了A/D轉換器中重要部件。,比較器的輸出為,,0,1,,模擬信號,第三節 A/D轉換器,,,,二、取樣—保持電路,所謂取樣就是將一個時間上連續變化的模擬量轉換為時間上離散的模擬量。,根據取樣定理，每經過一定時間間隔TS取出信號的一個值，只要TS≤ （fm為信號頻帶中的最高頻率），這些取樣值就可以無損失地表達原模擬信號。,7654321,,

13、1TS,,2TS,取樣信號,,3TS,,,4TS,,5TS,,6TS,,7TS,,8TS,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,第三節 A/D轉換器,二、取樣—保持電路,由于對模擬量進行量化的過程需要一定的時間，所以為保證轉換精度，在轉換（即量化）時間內應使取樣點的函數值保持不變。,這種暫時保持由瞬時取樣得到的模擬信號的電路，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）持續時間tw內 ，T導通。輸入信號uI經開關T對電容C進行充電。只要充電時間常數遠小于取樣信號S（t）的持續時間tw，則輸出信號uO就能跟蹤輸入信號uI的變化。,當取樣脈沖結束，即在TS-tw時間內，場效應管T關斷，因而電容器上電壓uC無泄放回路，保持不變，則uO=-uC也保持不變。,,,LSB,第三節 A/D轉換器,三、并行比較型A/D轉換器,假定被轉換的模擬輸入電壓uI在0～UR

15、EF范圍內變化。取3位二進制數代表模擬輸入uI的數字輸出。,采用有舍有入的量化方式，利用電阻分壓把標準電壓UREF分成8段（量化階梯），位數越多，精度越高。,二進制數輸出,,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整個范圍內，它的最大量化誤差都是一樣的，即永遠不會超過(1/14) UREF。,001是在(1/7)UREF時的值。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，最大量化誤差不會超過(1/14) UREF。,R8,R1,參考電壓,模擬輸入電壓uI,UREF,例：當 ， 求輸出的數字量。,0000011,0010100,,,,,1,0,1,,,1,0,由于各個比較器的工作過程幾乎是同時的，所以并

17、行比較型A/D轉換器的轉換速率在所有A/D轉換方案中是最高的。 但需要使用大量的比較器。,,第三節 A/D轉換器,,,,四、串行比較型A/D轉換器,串行比較型A/D轉換器讓模擬信號依時間順序通過一連串比較器，后面比較器的輸入信號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果，所以這種方案的轉換速率不可能做得很高。但相同分辨率的A/D轉換器，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構簡單之優點，構成了折中方案——并-串比較型A/D轉換器。,第三節 A/D轉換器,,,,五、并-串比較型A/D轉換器,高位比較器列,首先在高位比較器列上實現高a位A/D轉換，轉換結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轉換器上將已轉換的高位數字還原為模擬電壓，再與輸入模擬電壓作減運算，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由低位比較器列轉換出低b位數字，并與高位數字一同輸出。,a+b,第三節 A/D轉換器,,,,六、逐次比較型A/D轉換器,0,4V,,3.5V,,,4.9V,0,,,,,,逐次比較型ADC工作原理也可用天平測量質量來比照。,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 A/D轉換器,六、逐次比較型A/D轉換器,,,,,第二個時鐘脈沖到來時。,1,,,,,000,1,,,,,第三個時鐘脈沖到來時。,0,第五個時鐘脈沖到來時。,101,5V,4.5V,,,,G4、G5、G6門開，Q3、Q2、Q1數據傳出。,第三節 A/D轉換器,七、雙積分型A/D轉換器,雙積分型A/D轉換器就是

21、先把電壓轉換成中間量——時間，再將時間轉換為數字，這種轉換方法屬于間接轉換。,,,,,,,,,,,0,1,,,,,,,,- +,,,,,,1,有效,,,,,,,1,第三節 A/D轉換器,,,,,,,,,,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為負值。,非門輸出維持不變，還是高電平，使得CP信號繼續有效， 計數器繼續計數。,,,,,,當輸出D為10

22、0時，uo1小于零，使得uo2信號翻轉為高電平。,,此時非門輸出為0，關斷CP信號，寄存器輸出可以作為數字量輸出。,0,無效,(式7.3.2),第三節 A/D轉換器,,,,七、雙積分型A/D轉換器,雙積分型A/D轉換器在開始一定時間內，積分器A1以輸入電壓uI為被積函數進行積分，然后以與輸入電壓uI極性相反的參考電壓為被積函數進行積分，再對積分輸出電壓進行過零比較。,,,,,,,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 A/D轉換器,,,,=,七、雙積分型A/D轉換器,將式（7.3.2）代入式（7.3.4）得,ADC0809是8位CMOS逐次比較型A/D轉換器，具有8個輸入通道，可直接選通8路模擬量進行轉換。 輸出設有三態TTL鎖存緩沖器，便于和各種微處理機接口。 ADC0809的主要組

24、成部分有8路模擬開關、地址譯碼、256個電阻組成的電阻網絡和開關樹、8位逐次比較寄存器、8位三態輸出鎖存緩沖器、比較器和時序控制電路。,,第三節 A/D轉換器,,,,八、集成A/D轉換器及其應用,,地址譯碼與鎖存,8路模擬開關器,8路模擬輸入信號選擇哪一路進行轉換，要靠多路選擇器來完成。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。,樹狀開關,開關樹輸出UREF也有256個參考電壓，將UREF送入比較器與輸入模擬電壓uI進行比較 。,另外，A/D轉換器的新產品也時有出現，如用于高精度音頻信號處理的Σ-Δ型A/D轉換器等。,1. 常用的D/A轉換器有權電阻型和R-2R網絡型兩種電路。 由于R-2R 網絡型電阻取值較少，易于集成，便于提高精度，多為集成D/A轉換器所采用。,2. 常用的A/