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1、數(shù)字電子技術基礎第 10章 數(shù) 模 轉 換 和 模 數(shù) 轉 換 2 10.1 概述l 自 然 界 中 廣 泛 存 在 的 物 理 量 都 是 模 擬 量 ， 但 隨 著 數(shù) 字 電 子 技術 的 發(fā) 展 ， 很 多 領 域 都 使 用 數(shù) 字 技 術 來 處 理 模 擬 信 號 。l 典 型 數(shù) 字 系 統(tǒng) 結 構 ： 如 數(shù) 字 調 焦 系 統(tǒng) ： 光 學 鏡 頭 攝 像 頭 算 法 處 理 焦 距 調 整電 路 3 10.2 D/A轉換器（DAC）l D/A轉 換 器 是 將 輸 入 的 二 進 制 數(shù) 字 信 號 轉 換 成 模 擬 信 號 ， 以 電 壓 或 電 流 的 形 式 輸出
2、。l 輸 出 模 擬 電 壓 U和 輸 入 數(shù) 字 量 D之 間 存 在 正 比 關 系 ：U=KD)( 0121 BBBBB nn 00112211 2222 BBBBB nnnn 10 2ni iiBMSB LSB 10 2)( ni iioo BKBKiu 或 4 10.2.2 D/A轉換器主要電路形式l D/A轉 換 器 一 般 結 構 ： 5 權電阻網(wǎng)絡D/A轉換器 l 數(shù) 據(jù) 鎖 存 器 ： 暫 時 存 放 數(shù) 字 輸 入 信 號 ；l 集 成 運 算 放 大 器 ： 將 電 流 轉 換 為 電 壓 輸 出 。l 開 關 Si受 Di控 制 ： Di=1時 Si與 UR接 通 ，
3、Di=0時 Si接 地 ；l 權 電 阻 Ri阻 值 選 擇 標 準 ： Ri=2n-1-iR， 使 各 支 路 電 流 Ii與 Di權 值 成 正 比 。 6 權電阻網(wǎng)絡D/A轉換器（續(xù)）1 11 2 12 2 iR Ri i R i n i nU UD R U I R R 時 ， 與 接 通 ， 運 放 反 相 輸 入 端 虛 地 ， 支 路 電 流10 0 2 02 iRi i i nUD R I R 時 ， 接 地 ， 支 路 電 流 1 1 11 10 0 02 22 2n n ni iR Ri i in ni i iU UI I D DR R 運 放 總 輸 入 電 流 ：1 2
4、( 0 1)2 iRi i i inUD I D DR 對 應 支 路 電 流 或 11 0 22 nf R if in iR UU R I DR 運 放 輸 出 電 壓 ： 1 01 2 22f n iRf in iR R UU R I D 若 = 輸 出 電 壓 為 ： 7 R2R倒T型電阻網(wǎng)絡D/A轉換器l 倒 T型 電 阻 網(wǎng) 絡 D/A轉 換 器 l 集 成 運 算 放 大 器 ： 將 電 流 轉 換 為 電 壓 輸 出 ， 反 相 輸 入 端 虛 地 。l 開 關 Si無 論 在 任 何 位 置 ， 電 阻 2R總 是 接 地 。l 從 UR方 向 向 左 看 過 去 AA、 BB
5、、 CC、 DD每 個 端 口 的 等 效 電 阻 都 是 R。l 流 過 2R電 阻 上 的 電 流 不 隨 開 關 Si位 置 變 化 而 變 化 ， 是 恒 流 。l 開 關 Si控 制 2R上 電 流 是 否 流 入 運 算 放 大 器 。 8 R2R倒T型電阻網(wǎng)絡D/A轉換器（續(xù)）2 2R RU I U R R流 出 的 總 電 流 為 ， 每 個 支 路 電 流 按 的 倍 數(shù) 遞 減2iS R控 制 支 路 電 流 是 否 流 入 運 算 放 大 器 ， 因 此 流 入 運 放 的 電 流 為 ：1 2 1 01 2 12 2 2 2n n n nI I I II D D D D
6、 1 2 1 0 1 2 1 0( 2 2 2 2 )2 n nn nnI D D D D 10 22 n iin iI D 10 22 nf if in iIRU I R D 運 放 輸 出 電 壓 為 10 22f Rn iR in iR R I U RUU D 若 ， 且 ， 則 9 10.2.3 D/A轉換器的主要性能指標l 分 辨 率l 轉 換 精 度 l 建 立 時 間 10 10.3 A/D轉換器（ADC）l A/D轉 換 是 將 模 擬 信 號 轉 換 為 數(shù) 字 信 號 。l A/D轉 換 過 程 一 般 包 括 采 樣 、 保 持 、 量 化 和 編 碼 四 個 過 程 1
7、1 采樣l 采 樣 是 將 時 間 上 連 續(xù) 變 化 的 信 號 轉 化 為 時 間 上 離 散 的 信 號 。將 時 間 上 連 續(xù) 變 化 的 模 擬 量 轉 換 為一 系 列 等 間 隔 的 脈 沖 ， 脈 沖 幅 度 取決 于 物 理 量 。根 據(jù) 采 樣 定 理 ， 如 果 采 樣 頻 率 f s和模 擬 信 號 的 最 高 頻 率 fmax滿 足 如 下關 系 ： fs2fmax則 模 擬 信 號 經(jīng) 處 理 后 可 以 不 失 真 的恢 復 。 12 保持l 模 擬 信 號 經(jīng) 采 樣 后 ， 在 下 一 個 采 樣 脈 沖 到 來 前 ， 要 保 持 現(xiàn) 有的 樣 值 幅 度
8、 ， 以 方 便 轉 換 。V管 實 現(xiàn) 采 樣 ， 電 容 C完 成 保 持 功 能 。運 放 為 跟 隨 器 ， 起 緩 沖 隔 離 作 用 。 13 量化和編碼l 輸 入 模 擬 電 壓 在 采 樣 和 保 持 后 變 為 階 梯 波 。 階 梯 波 幅 度 仍 是 一 個 連 續(xù) 取 值 的 模 擬量 。l 將 采 樣 后 的 樣 值 映 射 到 與 之 接 近 的 離 散 電 平 上 ， 即 為 量 化 。l 用 二 進 制 數(shù) 碼 來 表 示 各 量 化 電 平 的 過 程 稱 為 編 碼 。l 量 化 電 平 之 間 的 差 值 （ 量 化 間 隔 ） 和 量 化 的 取 舍 方
9、 法 決 定 了 量 化 值 。 14 10.3.2 A/D轉換器的主要電路形式ADC t f 計 數(shù) 式直 接 法 ： 采 樣 后 通 過 與 基 準 電 壓 比 較 ， 從 而 轉 換 成 模 擬 量 逐 次 逼 近 比 較 式速 度 高 、 精 度 易 保 證 、 調 準 方 便 并 聯(lián) 比 較 式 單 次 積 分 形間 接 法 ： 采 樣 后 通 過 時 間 或 頻 率 轉 換 成 數(shù) 字 量 速 度 低 、 轉 換 精 度 較 高 、 抗 干 擾 能 力 強 多 次 積 分 型 15 計數(shù)斜波式A/D轉換器l 二 進 制 計 數(shù) 器 計 數(shù) ， 數(shù) 值 通 過 D/A轉 換 器 轉
10、換 對 應 的 電 壓 UR，與 輸 入 電 壓 Ui進 行 比 較 ， 當 UR=Ui時 停 止 計 數(shù) ， 輸 出 對 應 數(shù) 值 。 16 逐次逼近式A/D轉換器8(1000) 11(1011)12(1100)10(1010)11(1011) SAR數(shù) 碼 十 進 制 數(shù) 電 壓 比 較 結 果1 0 0 0 8 UiUo 留1 1 0 0 12 Ui Uo 去1 0 1 0 10 UiUo 留1 0 1 1 11 Ui=Uo 留l 逐 位 逼 近 寄 存 器 （ SAR） 從 最 高 位 開 始 ， 逐 位 確 定 各 位 數(shù) 碼是 1還 是 0， 并 將 對 應 數(shù) 制 通 過 D/
11、A轉 換 器 轉 換 后 與 輸 入 電 壓 比較 ， 直 到 Uo Ui。 17 并聯(lián)比較型A/D轉換器l 將 參 考 電 壓 通 過 電 阻 分 壓 器 分 為 多 個 等 級 （ 如 ： 1/16UR, 3/16UR, 13/16UR） ， 分別 與 輸 入 電 壓 值 進 行 比 較 ， 得 出 大 小 關 系 （ 1或 0） ， 再 經(jīng) 譯 碼 器 譯 碼 后 即 可 得 到對 應 數(shù) 值 。 U IN C6 C5 C4 C3 C2 C1 C0 D2 D1 D00UIN1/16UR 0 0 0 0 0 0 0 0 0 01/16URUIN3/16UR 0 0 0 0 0 0 1 0 0 13/16URUIN5/16UR 0 0 0 0 0 1 1 0 1 05/16URUIN7/16UR 0 0 0 0 1 1 1 0 1 17/16URUIN9/16UR 0 0 0 1 1 1 1 1 0 09/16U RUIN11/16UR 0 0 1 1 1 1 1 1 0 111/16URUIN13/16UR 0 1 1 1 1 1 1 1 1 013/16URUINUR 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 18 10.3.3 A/D轉換器的主要技術指標l 分 辨 率l 轉 換 速 度 l 相 對 精 度 19 END
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