數(shù)電第七章數(shù)模和模數(shù)轉換

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1、第 九 章 D/A和 A/D轉 換 器 D/A轉 換 器 和 A/D轉 換 器 是 連 接 數(shù) 字 世 界 和 模 擬 世 界的 橋 梁 ， 在 現(xiàn) 代 信 息 技 術 中 具 有 舉 足 輕 重 的 作 用 。9.1 概 論 從 數(shù) 字 信 號 到 模 擬 信 號 的 轉 換 稱 為 D/A（ Digital to Analog） 轉 換把 實 現(xiàn) D/A轉 換 的 電 路 稱 為 D/A轉 換 器 （ Digital Analog Converter DAC） 模 擬 信 號 到 數(shù) 字 信 號 的 轉 換 稱 為 模數(shù) 轉 換 ， 或 稱 為 A/D（ Analog to Digital

2、）把 實 現(xiàn) A/D轉 換 的 電 路 稱 為 A/D轉 換 器 （ Analog Digital Converter ADC） 典 型 應 用 系 統(tǒng) 之 一 多 路 數(shù) 據(jù) 采 集 系 統(tǒng) 概 論 模 擬 量 、 數(shù) 字 量 以 及 二 者 的 相 互 轉 換 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 象 傳感器

3、 A/D轉換數(shù) 字 信 號 處 理 后 的 數(shù)字 信 息 數(shù) 字 系 統(tǒng)電 的 模 擬 量D/A轉換執(zhí)行機構 數(shù) 字 控 制系 統(tǒng) 框 圖 一 、 D/A轉 換 器 的 基 本 概 念 DACDn vO 10O 2ni iin DKKDv 9.2 D/A轉 換 器數(shù) 字 信 號 模 擬 信 號將 數(shù) 字 信 號 轉 化 成 與 其 成 正 比 的 模 擬 信 號 。 以 三 位 DAC為 例 ， 設 K=1， 可 得 出 vO和 Dn的 關 系D/A轉 換 器D/A轉 換 器 的 傳 輸 特 性vO /V D n01234567 010001 011100 110101 111D2D1D0 v

4、O0 0 0 0 V0 0 1 1 V0 1 0 2 V0 1 1 3 V1 0 0 4 V1 0 1 5 V1 1 0 6 V1 1 1 7 V 1.電 路 結 構 及 工 作 原 理9.2.1 權 電 阻 型 D/A轉 換 器 3REF3 DRVI 模 擬 開 關電 阻 網(wǎng) 絡 I/V變 換電 路輸 入 數(shù)字 量 輸 出電 壓參 考電 壓 2REF2 2 DRVI 1REF1 4 DRVI 0REF0 8 DRVI 流 過 各 電 阻 的 電 流 為 多 少 ？ 權 電 阻 型 D/A轉 換 器 01230123 842 DRVDRVDRVDRVIIIIi REFREFREFREF 303

5、REF001122333REF 2222222 i iiDRVDDDDRV 304REF 222o i iiDVRiv 權 電 阻 型 D/A轉 換 器iiiREF DVv 22o 304 （ 1） 輸 出 電 壓 與 輸 入 的 數(shù) 字 量 成 正 比 ；（ 2） 輸 出 電 壓 與 參 考 電 壓 極 性 相 反 ；（ 3） 如 果 數(shù) 字 量 為 n位 的 二 進 制 數(shù) ， 輸 出 電 壓 的 變 化 范 圍 ： REF2 120 Vnn 結 論 ： 權 電 阻 型 D/A轉 換 器 i iiREF DVv 22o 304 由 于 電 阻 網(wǎng) 絡 中 阻 值 范 圍 太 寬 ， 很 難

6、 保 證 每 個 電 阻 均有 很 高 精 度 ， 在 集 成 DAC中 很 少 采 用 。思 考 ： DAC的 精 度 與 電 路 中 的 哪 些 參 數(shù) 有 關 ？權 電 阻 精 度外 加 參 考 電 源 精 度 9.2.2 R-2R 網(wǎng) 絡 型 D/A轉 換 器1.電 路 結 構 R-2R電 阻 網(wǎng)絡參 考電 壓 由 于 R-2R電 阻 網(wǎng) 絡 只 有 兩 種 阻 值 的 電 阻 ，因 此 最 適 合 于 集 成 工 藝 ， 集 成 D/A轉 換 器 普 遍采 用 這 種 電 路 結 構 。 R-2R 網(wǎng) 絡 型 D/A轉 換 器2.工 作 原 理 RVI REFREF 2REF3 II

7、 4REF2 II 8REF1 II 16REF0 II 同 樣 分 析 可 得 ： Riv O R-2R 網(wǎng) 絡 型 D/A轉 換 器2.工 作 原 理 （ 續(xù) ） 0123REF 16842 DIDIDIDI REFREFREF 001122334REF 22222 DDDDRV 001122334 22222 DDDDVREF 00112233 DIDIDIDIi 通 過 放 大 器 A把 電 流 i轉 換 成 輸 出 電 壓 vO： 304 22 i iiREF DV 2.滿 量 程 （ Full Scale Range） 輸 出 電 壓 VFSR1.最 小 輸 出 電 壓 增 量 V

8、LSB 12 1FSRLSB nVV分 辨 率 9.2.4 D/A轉 換 器 的 主 要 參 數(shù) 分 辨 率 常 用 輸 入 二 進 制 數(shù) 的 有 效 位 數(shù) 表 示 。 3.分 辨 率 ： 最 小 輸 出 電 壓 增 量 與 最 大 輸 出 電 壓 的 比 值 來 表示 。例 ： 求 滿 量 程 輸 出 電 壓 VFSR=10V， 輸 入 數(shù) 字 位 數(shù) n=10的DAC的 最 小 輸 出 電 壓 增 量 VLSB。 mV1012 11012 1 10FSRLSB nVV 數(shù) 字 量 為 111時 的 輸 出 電 壓 值 。數(shù) 字 量 變 化 一 個 單 位 時 ， 輸 出 電 壓 的 變

9、 化 量 。 5.輸 出 建 立 時 間4.轉 換 精 度 D/A轉 換 器 的 主 要 參 數(shù)普 通 DAC的 建 立 時 間 為 幾 到 幾 百 微 秒 ；高 速 DAC的 建 立 時 間 小 于 幾 微 秒 ；如 MAXIM公 司 的 MAX555為 12位 DAC， 轉 換 速 度 為300MHz。 輸 出 模 擬 電 壓 的 實 際 值 與 理 想 值 之 差 。 輸 入 數(shù) 據(jù) 改 變 到 輸 出 進 入 規(guī) 定 的 誤 差 范 圍 內(nèi) 所 需 要的 最 大 時 間 。 2.數(shù) 字 信 號 接 口 特 性1.轉 換 器 的 位 數(shù)9.2.5 集 成 D/A轉 換 器 的 選 擇 轉

10、 換 器 的 位 數(shù) 取 決 于 對 信 號 分 辨 能 力 的 要 求 。3.模 擬 信 號 接 口 特 性4.參 考 電 壓5.動 態(tài) 特 性 是 并 行 接 口 還 是 串 行 接 口 。 是 電 壓 輸 出 還 是 電 流 輸 出 ？ 是 單 極 性 還 是 雙 極 性 ？ 是 外 置 參 考 電 壓 還 是 內(nèi) 置 參 考 電 壓 ？ 主 要 指 轉 換 速 度 。 一 、 A/D轉 換 的 過 程 要 把 模 擬 量 轉 化 為 數(shù) 字 量 一 般 要 經(jīng) 過 四 個 步 驟 ， 分 別稱 為 采 樣 、 保 持 、 量 化 、 編 碼 。9.3 A / D轉 換 器模 擬 信 號

11、 的 特 點 ： 時 間 連 續(xù) ， 幅 值 連 續(xù) 。數(shù) 字 信 號 的 特 點 ： 時 間 離 散 ， 幅 值 離 散 。 1.采 樣 保 持 t0vI(t)A / D轉 換 器 t0vS T SCHSvI(t) vI( t ) t0vI (t) 連 續(xù) 時 間 信 號離 散 時 間 信 號 1.采 樣 t0vI(t)A / D轉 換 器 t0vS TSCHSvI(t) vI( t ) t0vI (t)2. 保 持 采 樣 定 理 ： 為 了 不 失 真 地 恢 復 原 始 信 號 ， 采 樣 頻 率 至少 應 是 原 始 信 號 最 高 有 效 頻 率 的 兩 倍 。 3.量 化量 化

12、： 將 采 樣 保 持 后 的 信 號 幅 值 轉 化 成 某 個 最 小 數(shù) 量 單位 （ 量 化 間 隔 ， 用 表 示 ） 的 整 數(shù) 倍 。A / D轉 換 器（ 1） 確 定 量 化 間 隔 ： NV2FSR 分 割 數(shù)模 擬 輸 入 電 壓 范 圍 設 輸 入 模 擬 信 號 的 幅 值 范 圍 為 01V， 要 轉 化 為 3位 二 進制 代 碼 ， 則 其 量 化 間 隔 =1/8V 。量 化 過 程 分 為 以 下 兩 個 步 驟 ： 經(jīng) 量 化 后 的 信 號 幅 值 均 為 的 整 數(shù) 倍 。A / D轉 換 器方 式 一 ： 只 舍 不 入 量 化 方 式0VvI 1/

13、8V 則 量 化 為 0=0V； （ 2） 將 連 續(xù) 的 模 擬 電 壓 近 似 成 離 散 的 量 化 電 平1/8VvI 2/8V 則 量 化 為 1=1/8V；7/8VvI 1V 則 量 化 為 7=7/8V。 1/82/83/84/85/86/87/80vI/V t1在 量 化 過 程 中 會 產(chǎn) 生 誤 差 ， 稱 為 量 化 誤 差 。 0VvI 1/16V 則 量 化 為 0=0V； A / D轉 換 器取 兩 個 離 散 電 平 中 的 相 近 值 作 為 量 化 電 平 。量 化 誤 差 為 1/2=1/16V方 式 二 ： 四 舍 五 入 量 化 方 式在 實 際 的 A

14、DC中 ， 大 多 采 用 舍 入 量 化 方 式 。 1/16VvI 3/16V 則 量 化 為 1=1/8V；13/16VvI 15/16V 則 量 化 為 7=7/8V。 1/82/83/84/85/86/87/80vI/V t1 1/163/165/167/169/1611/1613/1615/16 A / D轉 換 器 量 化 后 的 幅 值 用 一 個 數(shù) 值 代 碼 與 之 對 應 ， 稱 為 編 碼 ， 這個 數(shù) 制 代 碼 就 是 A/D轉 換 器 輸 出 的 數(shù) 字 量 。 4.編 碼 A / D轉 換 器二 、 幾 種 常 見 的 A/D轉 換 器 1.并 行 比 較 型

15、 A/D轉 換 器 （ 閃 爍 ADC） 2.逐 次 比 較 型 A/D轉 換 器3.雙 積 分 型 A/D轉 換 器 9.3.1.并 行 比 較 型 A / D轉 換 器 12345678 5 L 4量 化 為 4尺 子 物 體同 時 與 各 個 刻 度比 較 并 行 比 較 型 A / D轉 換 器用 電 阻 分 壓 的 辦 法刻 度 是 什 么 ？是 一 系 列 的 標 準 電 壓如 何 實 現(xiàn) ？ 并 行 比 較 型 A / D轉 換 器用 電 阻 分 壓 形 成 7個 標 準 電 壓 。 并 行 比 較 型 A / D轉 換 器模 擬 信 號 比 較 器被 量 物 體 ？模 擬 輸

16、入 電 壓 vi如 何 比 較 ？ 當 V+大 于 V-時 ， V O輸出 高 電 平 ； 當 V+小 于 V-時 ，VO輸 出 低 電 平 并 行 比 較 型 A / D轉 換 器如 何 同 時 比 較 ？ 每 個 電 壓 刻 度 使 用 一 個 比 較 器 。Vi=4.32VVi=3.68V1 1 1 1 1 1 1 7 1 1 10 1 1 1 1 1 1 6 1 1 00 0 1 1 1 1 1 5 1 0 10 0 0 1 1 1 1 4 1 0 00 0 0 0 1 1 1 3 0 1 10 0 0 0 0 1 1 2 0 1 00 0 0 0 0 0 1 1 0 0 10 0 0

17、 0 0 0 0 0 0 0 0 并 行 比 較 型 A / D轉 換 器需 要 幾 個 比 較 器 ？2N-1個 比 較 器 。轉 換 一 次 需 要 多 少 時 間 ？1個 時 鐘 周 期 （ T CP） 。 LSB 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 UREF范 圍 內(nèi)變 化 。 取 3位 二 進 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 準 電 壓 U REF分 成 8段（ 量 化 階 梯 ） ， 位 數(shù) 越多 ， 精 度 越

18、高 。UR1= UREF141 R2R 2RRRRRRUR2= UREF143UR3= UREF145UR4= UREF147 UR6= UREF1411UR5= UREF149UR7= UREF1413 UREF LSB/2 二 進 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 個范 圍 內(nèi) ， 它 的 最 大 量 化 誤差 都 是 一 樣 的 ， 即 永 遠 不會 超 過 (1/14) UREF。010011100101 110111 001是

19、 在 (1/7)UREF時 的 值 。在 (1/14)UREF， (3/14)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。 000001 R8R1 參 考 電 壓模 擬 輸 入 電 壓 u I U REF141 UREF143 UREF145 UREF147 REF1411 UREF149 REF1413 2RRRR 分 壓 器 組REF C1 C7C6C5C 4C3C2 uI 比 較 器 組Q6 Q4 FF7 Q7FF6FF 5 Q5FF4FF 3 Q3FF2 Q2FF 1 Q1

20、CP 由 7個 D觸 發(fā) 器 組 成的 同 步 寄 存器 組 。D2D1D 0 編 碼 器例 ： 當 ， 求 輸 出 的 數(shù) 字 量 。REFIREF 14 5143 UuU 0000011 REFI 143 Uu REFI 141 Uu REFI 145 Uu 0010100 01 0 10 000 1 0 0D 1DIu 2DIu IuIuIuIuIuIu 0 1 0 1 1 0 0 0 0 03/14UREF uI 5/14UREF 由 于 各 個 比 較 器 的 工 作 過 程 幾乎 是 同 時 的 ， 所 以 并 行 比 較 型 A/D轉 換 器 的 轉 換 速 率 在 所 有 A/

21、D轉 換方 案 中 是 最 高 的 。 但 需 要 使 用 大 量 的 比 較 器 。 1.工 作 原 理 9.3.2.逐 次 逼 近 型 A / D轉 換 器逐 次 逼 近 型 ADC的 工 作 原 理 很 像 用 天 平 稱 重 的 過 程 。 1.電 路 原 理 框 圖逐 次 逼 近 型 A / D轉 換 器由 倒 T形 電 阻 網(wǎng) 絡 DAC、 比 較 器 、 SAR三 部 分 組 成 。 2.工 作 原 理 逐 次 逼 近 型 A / D轉 換 器5V 3.4V CP D 3D2D1D0 vO 比 較 結 果 處 理1234 1 0 0 01 1 0 01 0 1 01 0 1 1

22、2.5V3.75V3.125V3.4375V vIvOvIvOvI vOvI vO （ D3） 1保 留（ D2） 1不 保 留（ D1） 1保 留（ D0） 1不 保 留1010 43210 vO t3.4V轉 換 時 間 逐 次 逼 近 型 A / D轉 換 器 逐 次 逼 近 型 A/D轉 換 器 的 原 理 基 于 二 進 制 搜 索 算 法 ， N位的 逐 次 逼 近 型 A/D轉 換 器 需 要 N個 比 較 周 期 。 一 般 對 14位 和 16位 的 A/D轉 換 器 來 說 ， 速 率 達 到 幾 MSPS已 不 容 易 。 速 率 主 要 受 內(nèi) 部 D/A轉 換 器 和

23、 比 較 器 的 建 立 時 間 限 制 。 位 數(shù) 主 要 受 內(nèi) 部 D/A轉 換 器 的 元 件 匹 配 精 度 （ 高 于 12位的 要 進 行 微 調(diào) 和 校 準 ） ， 比 較 器 的 速 度 和 精 度 以 及 噪 聲 等 的限 制 。逐 次 逼 近 型 A/D轉 換 器 的 特 點 ： 9.3.3.雙 積 分 型 A / D轉 換 器 雙 積 分 型 A/D轉 換 器 屬 于 間 接 A/D轉 換 器 。 將 模 擬 量 轉 換為 數(shù) 字 量 分 兩 步 進 行 。 第 一 步 ： 將 電 壓 轉 化 為 時 間 T， 使 T與 輸 入 電 壓 成 正 比 ； 第 二 步 ：

24、將 時 間 T轉 化 為 數(shù) 字 量 ， 使 數(shù) 字 量 與 T成 正 比 1.基 本 原 理 雙 積 分 型 A / D轉 換 器S1 vOR C+-VREFvI -A開 關 S1合 到 vI一 側 I10 I1 )(1 vRCTdtRvCv TO 開 關 S1接 到 VREF一 側 01 2REFI10 REFI1 2 RCTVvRCTdtRVCvRCTv TO IREF12 vVTT T1為 常 數(shù) ， T2與 vI成 正 比 0vO tT1 T2T2固 定 時 間 積 分 ， 到 時 結 束固 定 斜 率 積 分 ， 過 零 結 束 第 一 步 ： 將 電 壓 轉 化 為 時 間 T，

25、 使 T與 輸 入 電 壓 成 正 比 CP2TTDn 雙 積 分 型 A / D轉 換 器第 二 步 ： 將 時 間 T2轉 化 為 數(shù) 字 量 ， 使 數(shù) 字 量 與 T2成 正 比 & 計數(shù)器CPT2 數(shù) 字 量 雙 積 分 型 A / D轉 換 器雙 積 分 型 A / D轉 換 器 原 理 圖S2 CP 1TC1 1TC1 1TC1 1TC1R R RR d0 d2 d n-11 1 1 1&vC n位 異 步 計 數(shù) 器 FFCS1 vOR C-VREF +AvIG1 G2 C+ t1 O tO O O T1 T22T t t tt22t uo uiui2 uiui1uo1u o2

26、 CP uG (uiui1) uG (uiui2) 雙 積 分 型 A/D轉 換 器 的 特 點 ：雙 積 分 型 A / D轉 換 器 雙 積 分 型 A/D轉 換 器 的 突 出 優(yōu) 點 是 對 噪 聲 和 某 些 特 定 頻率 （ 如 工 頻 ） 的 干 擾 ， 有 非 常 好 的 抑 制 能 力 ， 因 而 適 合 在 噪聲 和 工 頻 干 擾 嚴 重 的 環(huán) 境 中 應 用 雙 積 分 型 A/D轉 換 器 的 轉 換 速 度 較 慢 。 9.3.4A / D轉 換 器 的 主 要 參 數(shù)1.分 辨 率2.轉 換 速 度 A/D轉 換 器 的 分 辨 率 用 輸 出 二 進 制 數(shù)

27、的 位 數(shù) 表 示 ， 位 數(shù) 越多 ， 誤 差 越 小 ， 轉 換 精 度 越 高 。轉 換 速 度 是 指 完 成 一 次 轉 換 所 需 的 時 間 。 A / D轉 換 器例 一 個 8位 ADC， 滿 度 輸 入 電 壓 為 +5V， 采 用 舍 入 量 化 方式 ， 計 算 輸 出 二 進 制 數(shù) 據(jù) 為 10 000 000 時 所 對 應 的 輸 入 電壓 范 圍 。解 ： 1LSB所 對 應 的 電 壓 （ 量 化 間 隔 ） 為 5000mV/255=19.6mV 二 進 制 數(shù) 10 000 000對 應 的 輸 入 電 壓 為 ： mV8.2508mV6.19128 i v 即 2499.02518.6mV 2518.6mV2499.0mV6.19218.2508 考 慮 LSB21 的 量 化 誤 差 ， 輸 入 電 壓 的 范 圍 為 ：