南京郵電學(xué)院《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》第八章-數(shù)電

1 （ 數(shù) 電 ） 第 8章 D/A和 A/D變 換第 八 章 A/D和 D/A變 換 一 、 概 念 及 其 應(yīng) 用 二 、 主 要 技 術(shù) 指 標(biāo) 1.精 度 ： 用 分 辨 率 、 轉(zhuǎn) 換 誤 差 表 示 2.速 度 ： 用 轉(zhuǎn) 換 時(shí) 間 、 轉(zhuǎn) 換 速 率 表 示 2 （ 數(shù) 電 ） 第 8章 D/A和 A/D變 換傳 感 器 A/D 計(jì) 算 機(jī) D/A 模 擬 控 制 被 測 被 控 對(duì) 象圖 8.0.1典 型 的 數(shù) 字 控 制 系 統(tǒng) 框 圖 3 （ 數(shù) 電 ） 第 8章 D/A和 A/D變 換第 一 節(jié) DAC 一 、 DAC的 基 本 原 理 數(shù) 碼寄 存 器 模 擬 開 關(guān) 譯 碼 網(wǎng) 絡(luò) 求 和放 大 器D uA參 考 電 源UREF圖 8.1.1 DAC方 框 圖 10 2ni iiREFREFA DKUKDUu 4 （ 數(shù) 電 ） 第 8章 D/A和 A/D變 換圖 8.1. 2 D和 u A的 關(guān) 系 圖1111111011011100101110101001 00010010001101000101 0111011024 6-6-4-2 DuA 5 （ 數(shù) 電 ） 第 8章 D/A和 A/D變 換1.構(gòu) 成 2.工 作 原 理 電 阻 網(wǎng) 絡(luò) 、 雙 向 電 子 模 擬 開 關(guān) 、 求 和 放 大 器 、數(shù) 碼 寄 存 器 、 參 考 電 源 通 常 取 R f=R， 則 ： 二 、 倒 T型 R-2R電 阻 網(wǎng) 絡(luò) DAC REFni iifnREFO KDUDRRUu 10 22 DUu nREFO 2 6 （ 數(shù) 電 ） 第 8章 D/A和 A/D變 換圖 8.1. 4 倒 T型 R-2R電 阻 網(wǎng) 絡(luò) D/A轉(zhuǎn) 換 電 路 1 2 3 4 5 6 A B C D 654321 D C B A Title Number RevisionSize B Date: 19-Apr-2002 Sheet of File: D:PROTEL99SELibrarySchProtel第八章 Drawn By: u RF R R R 2R 2R 2R 2R 2R 2R S S S S S0 1 2 n-2 n-1 D D DD Dn-1 n-2 n-3 1 0 P A B C M N RI 2 2n-1 n-1 O RI 4 RI 8 RI 2 RI RI 2n R U R I REF = RI 2 I UREF 7 （ 數(shù) 電 ） 第 8章 D/A和 A/D變 換 滿 量 程 電 壓 值 ： 例 已 知 4位 倒 T型 DAC， 輸 入 數(shù) 字 量 為 1101，uREF = - 8V， Rf=R， 則 輸 出 模 擬 量 uO=?REFnnOm Uu 2 12 解 ： VDUu nREFO 5.6)148(282 4 8 （ 數(shù) 電 ） 第 8章 D/A和 A/D變 換三 、 DAC的 主 要 參 數(shù) 1.分 辨 率 LSB： Least Significant Bit (1) 用 輸 出 的 電 壓 （ 電 流 ） 值 表 示 輸 入 變 化 1LSB時(shí) ， 輸 出 端 產(chǎn) 生 的 電 壓 變 化 。MSB： Most Significant Bit 122 nOmnREF uUR 9 （ 數(shù) 電 ） 第 8章 D/A和 A/D變 換例 1 已 知 uOm=5V， n=10， 則例 2 倒 T型 網(wǎng) 絡(luò) DAC的 uOm=10V， 試 問 需 多 少 位代 碼 ， 才 能 使 分 辨 率 R達(dá) 到 2mV。 ( Rf =R)解 由 題 意 知 ： mVuR nOm 512 512 10 3102 R 31021210 n 13n 10 （ 數(shù) 電 ） 第 8章 D/A和 A/D變 換(2) 用 百 分 比 表 示 12 1)12(2 2 nnnREF nREFOm U UU uR(3) 用 位 數(shù) n表 示 2.轉(zhuǎn) 換 誤 差 (1) 絕 對(duì) 誤 差 ： 實(shí) 際 值 與 理 想 值 之 間 的 差 值 。(2) 相 對(duì) 誤 差 ： 絕 對(duì) 誤 差 與 滿 量 程 的 比 值 。 11 （ 數(shù) 電 ） 第 8章 D/A和 A/D變 換從 輸 入 的 數(shù) 字 量 發(fā) 生 突 變 開 始 ， 直 到 輸 出 電 壓進(jìn) 入 與 穩(wěn) 態(tài) 值 相 差 LSB范 圍 以 內(nèi) 的 這段 時(shí) 間 。 3.建 立 時(shí) 間 tset t set LSBuO t 12 （ 數(shù) 電 ） 第 8章 D/A和 A/D變 換第 三 節(jié) ADC 一 、 模 數(shù) 轉(zhuǎn) 換 的 一 般 過 程 1.采 樣 和 保 持 2.量 化 與 編 碼 量 化 電 平 （ 離 散 電 平 ） ： 都 是 某 個(gè) 最 小 單 位 （量 化 單 位 ） 的 整 數(shù) 倍 的 電 平 。 舍 尾 方 法 四 舍 五 入 方 法 13 （ 數(shù) 電 ） 第 8章 D/A和 A/D變 換 1 2 3 4 5 6 A B C D 654321 D C B A Title Number RevisionSize B Date: 19-Apr-2002 Sheet of File: D:PROTEL99SELibrarySchProtel第八章 Drawn By: u T C I (t) (t)S u O (t)圖 8.3.2 基 本 采 樣 保 持 電 路 14 （ 數(shù) 電 ） 第 8章 D/A和 A/D變 換O tu1(t) (a)模 擬 輸 入 信 號(hào) 15 （ 數(shù) 電 ） 第 8章 D/A和 A/D變 換O t( b)采 樣 信 號(hào))(tS 16 （ 數(shù) 電 ） 第 8章 D/A和 A/D變 換O t(b)采 樣 輸 出 信 號(hào))(tS 17 （ 數(shù) 電 ） 第 8章 D/A和 A/D變 換圖 8.3. 1 模 擬 信 號(hào) 的 采 樣 保 持O tuO(t) （ c） 采 樣 保 持 信 號(hào) 18 （ 數(shù) 電 ） 第 8章 D/A和 A/D變 換REFnREF UU 812 采 樣 保 持 信 號(hào) uO 量 化 電 平 uqREFOREF UuU 8887 )87( 7REFOREF UuU 8281 )21( 1REFO Uu 810 )10( 0 1max最 大 量 化 誤 差 19 （ 數(shù) 電 ） 第 8章 D/A和 A/D變 換 REFREFn UU 15212 21 采 樣 保 持 信 號(hào) uO 量 化 電 平 uqREFOREF UuU 15151513 )5.75.6( 7REFOREF UuU 153151 )5.15.0( 1REFO Uu 1510 )5.00( 0 2max 最 大 量 化 誤 差 20 （ 數(shù) 電 ） 第 8章 D/A和 A/D變 換1.組 成 二 、 逐 次 逼 近 式 ADC 電 壓 比 較 器 、 D/A轉(zhuǎn) 換 器 、 時(shí) 序 分 配 器 、 JKFF、寄 存 器 2.工 作 原 理 先 使 JKFF的 最 高 位 為 1， 其 余 低 位 為 0， 比 較 ，下 一 CP有 效 沿 到 ， 決 定 1的 去 留 ；再 使 JKFF的 次 高 位 為 1， 其 余 低 位 為 0， 比 較 ，下 一 CP有 效 沿 到 ， 決 定 1的 去 留 ； 21 （ 數(shù) 電 ） 第 8章 D/A和 A/D變 換直 到 最 低 位 比 較 完 為 止 。 此 時(shí) JKFF中 所 存 的 數(shù)碼 就 是 所 求 的 輸 出 數(shù) 字 量 。轉(zhuǎn) 換 位 數(shù) 為 N， 則 轉(zhuǎn) 換 時(shí) 間 為 (N+1)Tcp。三 、 ADC的 主 要 參 數(shù) 1.分 辨 率 ： 所 能 分 辨 的 輸 入 模 擬 量 的 最 小 值 。(1) 用 輸 入 的 電 壓 （ 電 流 ） 值 表 示 nnREF UUR 22 Im 22 （ 數(shù) 電 ） 第 8章 D/A和 A/D變 換 1 2 3 4 5 6 A B C D 654321 D C B A Title Number RevisionSize B Date: 19-Apr-2002 Sheet of File: D:PROTEL99SELibrarySchProtel第八章 Drawn By: 1A C F D/A 轉(zhuǎn) 換 器 UREF UREF CP 012 3 4 時(shí) 序 分 配 器 QD CQ QA QB G D D D D 0 1 2 3 A S R J K B S R J K C S R J K D S R J K D D D D uI 圖 8.3. 3 4位 逐次 逼 近 型 A/D轉(zhuǎn)換 器 結(jié) 構(gòu) 圖 23 （ 數(shù) 電 ） 第 8章 D/A和 A/D變 換CPCP0CP1CP 2CP4CP3 圖 8.3.4 時(shí) 序 分 配 器 輸 出 波 形 24 （ 數(shù) 電 ） 第 8章 D/A和 A/D變 換 25 （ 數(shù) 電 ） 第 8章 D/A和 A/D變 換例 已 知 一 ADC為 10位 ， UREF=5V， 則 ：mVmVUR nREF 588.4252 10 (2) 用 百 分 比 表 示 nREFnREFUUUuR 212Im (3) 用 位 數(shù) n表 示 26 （ 數(shù) 電 ） 第 8章 D/A和 A/D變 換2.轉(zhuǎn) 換 誤 差 (1)絕 對(duì) 誤 差 ：與 輸 出 數(shù) 字 量 對(duì) 應(yīng) 的 理 論 模 擬 值 與 產(chǎn) 生 該 數(shù) 字 量的 實(shí) 際 輸 入 模 擬 值 之 間 的 差 值 絕 對(duì) 誤 差 與 額 定 最 大 輸 入 模 擬 值 （ FSR） 的 比值 ， 通 常 用 百 分 數(shù) 表 示 。 (2相 對(duì) 誤 差 ：3.轉(zhuǎn) 換 時(shí) 間 和 轉(zhuǎn) 換 速 率 27 （ 數(shù) 電 ） 第 8章 D/A和 A/D變 換 作 業(yè) 題8.3 若 倒 T型 8.48.5 uIm=10V， n=4，