第 10 章 数-模转换和模-数转换

第10章数-模转换和模-数转换第10章数-模转换和模-数转换10.1概述10.2D/A转换器(DAC)10.3A/D转换器(ADC)PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建概述为了能用数字技术来处理模拟信号，必须把模拟信号转换成数字信号，才能送入数字系统进行处理。同时，往往还需把处理后的数字信号转换成模拟信号，作为最后的输出。我们把前一种从模拟信号到数字信号的转换称为模—数转换，或称为A/D（AnalogtoDigital）转换，把后一种从数字信号到模拟信号的转换称为D/A（DigitaltoAnalog）转换。同时，把实现A/D转换的电路称为A/D转换器（AnalogDigitalConverter）；把实现D/A转换的电路称为D/A转换器（DigitalAnalogConverter）。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建转换器中，有权电阻网络D/A转换器，倒梯形电阻网络D/A转换器等。A/D转换器的类型也有多种，可以分为直接A/D转换器和间接A/D转换器两大类。在直接A/D转换器中，输入的模拟信号直接被转换成相应的数字信号；而在间接A/D转换器中，输入的模拟信号先被转换成某种中间变量（如时间、频率等），然后再将中间变量转换为最后的数字量。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建转换器（DAC）10.2.1D/A转换器的基本工作原理D/A转换器是将输入的二进制数字信号转换成模拟信号，以电压或电流的形式输出。因此，D/A转换器可以看作是一个译码器。一般常用的线性D/A转换器，其输出模拟电压U和输入数字量D之间成正比关系，即U=KD，式中K为常数。D/A转换器的一般结构如图10-1所示，图中数据锁存器用来暂时存放输入的数字信号。n位寄存器的并行输出分别控制n个模拟开关的工作状态。通过模拟开关，将参考电压按权关系加到电阻解码网络。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建转换器的主要电路形式1.权电阻网络D/A转换器图10-2权电阻DACPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建控制，当Di=1时，Si将电阻网络中相应的电阻Ri和基准电压UR接通；当Di=0时，Si将电阻Ri接地。权电阻网络由n个电阻（20R~2n-1R）组成，电阻值的选择应使流过各电阻支路的电流Ii和对应Di位的权值成正比。例如，数码最高位Dn-1，其权值为2n-1，驱动开关Sn-1，连接的电阻Rn-1=2n-1-(n-1)=20R；最低位D0，驱动开关S0，连接的权电阻为R0=2n-1-(0)R=2n-1R。因此，对于任意位Di，其权值为2i，驱动开关Si，连接的权电阻值为Ri=2n-1-iR，即位权（i）越大,对应的权电阻值就越小。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建章数-模转换和模-数转换集成运算放大器，作为求和权电阻网络的缓冲，主要是减少输出模拟信号负载变化的影响，并将电流转换为电压输出。当Di=1时，Si将相应的权电阻Ri=2n-1-iR与基准电压UR接通，此时，由于运算放大器负输入端为虚地，该支路产生的电流为inRinRiRURUI22211---==当Di=0时，由于Si接地，Ii=0。因此，对于Di位所产生的电流应表示为iinRinRiDRURUI22211---==PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建章数-模转换和模-数转换运算放大器总的输入电流为∑∑∑-=--=--====101101102222niiinRniiinRniiDRUDRUII运算放大器的输出电压为∑-=--=-=10122niiinRffDRURIRU若Rf=1/2R，代入上式后则得∑∑-=-=--=-=101012222niiinRniiinRfDUDRURUPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建章数-模转换和模-数转换从上式可见，输出模拟电压U的大小与输入二进制数的大小成正比，实现了数字量到模拟量的转换。当D=Dn-1…D0=0时，U=0。当D=Dn-1…D0=11…1时，最大输出电压RnnmUV212--=因而U的变化范围是RnnU212~0-PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建转换器图10-3R-2R倒T型DACPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建中可以看出，由UR向里看的等效电阻为R，数码无论是0还是1，开关Si都相当于接地。因此，由UR流出的总电流为I=UR/R，而流入2R支路的电流是依2的倍速递减，流入运算放大器的电流为∑-=-------=++⋅⋅⋅++=++⋅⋅⋅++=∑1000112211011211122)2222(22222niiinnnnnnnnnnDIDDDDIIDIDIDIDIPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建章数-模转换和模-数转换运算放大器的输出电压为∑-=-=∑-=1022niiinffDIRRIU若Rf=R，并将I=UR/R代入上式，则有∑-=-=1022niiinRDUU可见，输出模拟电压正比于数字量的输入。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建转换器的主要技术指标1.分辨率分辨率是指输入数字量最低有效位为1时，对应输出可分辨的电压变化量ΔU与最大输出电压Um之比，即121-=Δ=nmUU分辨率分辨率越高，转换时对输入量的微小变化的反应越灵敏。而分辨率与输入数字量的位数有关，n越大，分辨率越高。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建转换精度转换精度是实际输出值与理论计算值之差，这种差值，由转换过程各种误差引起,主要指静态误差，它包括：①非线性误差。它是电子开关导通的电压降和电阻网络电阻值偏差产生的，常用满刻度的百分数来表示。②比例系数误差。它是参考电压UR的偏离而引起的误差，因UR是比例系数，故称之为比例系数误差。当ΔUR一定时，比例系数误差如图10-4中的虚线所示。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建章数-模转换和模-数转换③漂移误差。它是由运算放大器零点漂移产生的误差。当输入数字量为0时，由于运算放大器的零点漂移，输出模拟电压并不为0。这使输出电压特性与理想电压特性产生一个相对位移，如图10-5中的虚线所示。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建起，到输出电流（或电压）达到稳态值所需的时间为建立时间。建立时间的大小决定了转换速度。目前10~12位单片集成D/A转换器（不包括运算放大器）的建立时间可以在1微秒以内。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建章数-模转换和模-数转换它由一个八位输入寄存器、一个八位DAC寄存器和一个八位D/A转换器三大部分组成，D/A转换器采用了倒T型R-2R电阻网络。由于DAC0832有两个可以分别控制的数据寄存器，所以，在使用时有较大的灵活性，可根据需要接成不同的工作方式。DAC0832中无运算放大器，且是电流输出，使用时须外接运算放大器。芯片中已设置了Rfb，只要将9脚接到运算放大器的输出端即可。若运算放大器增益不够，还须外加反馈电阻。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建章数-模转换和模-数转换器件上各引脚的名称和功能如下：ILE：输入锁存允许信号，输入高电平有效。CS：片选信号，输入低电平有效。WR1：输入数据选通信号，输入低电平有效。WR2：数据传送选通信号，输入低电平有效。XFER：数据传送选通信号，输入低电平有效。D7~D0：八位输入数据信号。UREF：参考电压输入。一般此端外接一个精确、稳定的电压基准源。UREF可在-10V至+10V范围内选择。Rfb：反馈电阻（内已含一个反馈电阻）接线端。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建：DAC输出电流1。此输出信号一般作为运算放大器的一个差分输入信号。当DAC寄存器中的各位为1时，电流最大；为全0时，电流为0。IOUT2：DAC输出电流2。它作为运算放大器的另一个差分输入信号（一般接地）。IOUT1和IOUT2满足如下关系：IOUT1+IOUT2=常数UCC：电源输入端（一般取+5V）。DGND：数字地。AGND：模拟地。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建的内部控制逻辑分析可知，当ILE、CS和WR1同时有效时，LE1为高电平。在此期间，输入数据D7~D0进入输入寄存器。当WR2和XFER同时有效时，LE2为高电平。在此期间，输入寄存器的数据进入DAC寄存器。八位D/A转换电路随时将DAC寄存器的数据转换为模拟信号（IOUT1+IOUT2）输出。DAC0832的使用有双缓冲器型、单缓冲器型和直通型等三种工作方式。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建转换器(ADC)10.3.1A/D转换器的基本工作原理A/D转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程通过取样、保持、量化和编码四个步骤完成。1.取样和保持取样（也称采样）是将时间上连续变化的信号转换为时间上离散的信号，即将时间上连续变化的模拟量转换为一系列等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。其过程如图10-8所示。图中Ui(t)为输入模拟信号，S(t)为采样脉冲，为取样后的输出信号。)('tUoPDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建章数-模转换和模-数转换在取样脉冲作用期τ内，取样开关接通，使，在其它时间（TS