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教學(xué)要求： 理解 D/A 轉(zhuǎn)換器、 A/D 轉(zhuǎn)換器電路的工作原理； 掌握 D/A 轉(zhuǎn)換器、 A/D 轉(zhuǎn)換器的電路組成； 了解 D/A 轉(zhuǎn)換器、 A/D 轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用。 教學(xué)重點： D/A 、 A/D 轉(zhuǎn)換的基本原理，技術(shù)指標。 常用的 D/A 、 A/D 器件類型及其特點。 9.1 概述 數(shù)模轉(zhuǎn)換是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬電量（電流或電壓），使輸出的模擬電量與輸入的數(shù)字量成正比。實現(xiàn) 這種轉(zhuǎn)換功能的電路叫數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ DAC ）。 模數(shù)轉(zhuǎn)換則是將模擬電量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，使輸出的數(shù)字量與輸入的模擬電量成正比。實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換功能 的電路稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ ADC ）。
圖9.1.1 典型數(shù)字系統(tǒng)控制框圖 9.2 D/A 轉(zhuǎn)換器 9.2.1 R － 2R 倒 T 形電阻網(wǎng)絡(luò) D/A 轉(zhuǎn)換器
一、 R － 2R 倒 T 形電阻網(wǎng)絡(luò)的特點及轉(zhuǎn)換原理
圖9.2.2 R － 2R 倒 T 形電阻網(wǎng)絡(luò)的等效電路 流入求和運算放大器的電流為：
這樣就實現(xiàn)了數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。 二、求和運算放大器的輸出電壓
倒 T 形電阻網(wǎng)絡(luò)由于流過各支路的電流恒定不變，故在開關(guān)狀態(tài)變化時，不需電流建立時間，所以該電路 轉(zhuǎn)換速度高，在數(shù)模轉(zhuǎn)換器中被廣泛采用。
圖9.2.3 CMOS電子模擬開關(guān) 9.2.2 D/A 轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù) 1 ．分辨率 分辨率是指 D/A 轉(zhuǎn)換器模擬輸出所能產(chǎn)生的最小電壓變化量與滿刻度輸出電壓之比。對于一個 n 位的 D/A 轉(zhuǎn)換器，分辨率可表示為 分辨率與 D/A 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有關(guān)，位數(shù)越多，能夠分辨的最小輸出電壓變化量就越小。 2 ．轉(zhuǎn)換精度 轉(zhuǎn)換精度是指 D/A 轉(zhuǎn)換器實際輸出的模擬電壓與理論輸出模擬電壓的最大誤差。通常要求 D/A 轉(zhuǎn)換器 的誤差小于 U LSB /2 。 轉(zhuǎn)換時間是指 D/A 轉(zhuǎn)換器在輸入數(shù)字信號開始轉(zhuǎn)換，到輸出的模擬電壓達到穩(wěn)定值所需的時間。轉(zhuǎn)換時 間越小，工作速度就越高。 9.3 A /D 轉(zhuǎn)換器 9. 3.1 A /D 轉(zhuǎn)換的一般步驟 一、采樣一保持 采樣是對模擬信號進行周期性地抽取樣值的過程，就是把隨時間連續(xù)變化的信號轉(zhuǎn)換成在時間上斷續(xù)、 在幅度上等于采樣時間內(nèi)模擬信號大小的一串脈沖。 采樣定理：為了能不失真地恢復(fù)原模擬信號，采樣頻率應(yīng)不小于輸人模擬信號頻譜中最高頻率的兩倍， 即 ：
圖９.３.１基本采樣—保持電路 (a)采樣—保持電路 (b)采樣波形
圖９.３.２采樣原理圖及波形圖 (a)采樣原理圖 (b)波形圖 由于 A/D 轉(zhuǎn)換需要一定的時間，所以在每次采樣結(jié)束后，應(yīng)保持采樣電壓值在一段時間內(nèi)不變，直到下 一次采樣開始。這就要在采樣后加上保持電路，實際采樣一保持是做成一個電路。 二、量化與編碼
圖９.３.３ 劃分量化電平的兩種方法 (a)量化誤差大 (b)量化誤差小 用數(shù)字量表示輸入模擬電壓 的大小時，首先要確定一個單位電壓值，然后用 與單位電壓值比較，取比 較的整數(shù)倍值表示 ，這一過程就是量化。如果這個整倍數(shù)值用二進制數(shù)表示，就稱為二進制編碼，它就 是 A/D 轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字信號。 9.3.2 逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器 討論關(guān)于逐次逼近的思維方式
圖9.3.4 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器原理圖
1 ．分辨率 分辨率是指 A/D 轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的最低位變化一個數(shù)碼時，對應(yīng)輸入模擬量的變化量。 2 ．相對精度 相對精度是指 A/D 轉(zhuǎn)換器實際輸出數(shù)字量與理論輸出數(shù)字量之間的最大差值。通常用最低有效位 LSB 的倍數(shù)來表示。如相對精度不大于 (1/2)LSB ，就說明實際輸出數(shù)字量與理論輸出數(shù)字量的最大誤差不 超過 (1/2)LSB 。 3 ．轉(zhuǎn)換速度 轉(zhuǎn)換速度是指 A/D 轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時間，即從轉(zhuǎn)換開始到輸出端出現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)字信號所需 要的時間。 本章小結(jié)： 一、 模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的過程稱為模擬 — 數(shù)字轉(zhuǎn)換；完成這種轉(zhuǎn)換的裝置稱為模擬 — 數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (Analog to Digital Converter) ，簡稱為模／數(shù)轉(zhuǎn)換器或 ADC 。 二、 常用的 A/D ：逐次逼近比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器、雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器 1 ． 逐次逼近比較式 DVM 的準確度由基準電壓、 D/A 轉(zhuǎn)換器及比較器的準確度和穩(wěn)定度所決定。轉(zhuǎn)換時 間是由時鐘脈沖頻率和輸出數(shù)碼的位數(shù)決定。特點是測量速度較快，每秒可達數(shù)千次；但對混入被測電 壓中的干擾抑制能力較差。 2 ． 雙積分式 DVM 的準確度主要取決于比較基準電壓的準確度和穩(wěn)定度，而與積分參數(shù) RC 無關(guān)；雙積分式 DVM 對串入的對稱性交變干擾有很強的抑制能力，但轉(zhuǎn)換速度慢。 三、 數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的過程稱為數(shù)字 — 模擬轉(zhuǎn)換；把完成這種轉(zhuǎn)換的裝置稱為數(shù)字 — 模擬轉(zhuǎn)換器 (Digital to Analog Converter) ，簡稱為數(shù)／模轉(zhuǎn)換器或 DAC 。DAC 的精度主要與變換器中所用元件精 度及穩(wěn)定性、電路中的噪聲及漏電等因素有關(guān)。 四、 常用的數(shù) / 模轉(zhuǎn)換有：權(quán)電阻 D ／ A 轉(zhuǎn)換器、 R-2R 梯形網(wǎng)絡(luò)的 D/A 轉(zhuǎn)換器、倒置 R-2R 梯形轉(zhuǎn)換器等。 |
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