检测系统电子电路基础-习题及答案【ch08】A D转换器

A/D转换器一个6位逐次逼近式A/D转换器的分辨率为0.05V,若模拟输入电压V=2.2V,则试求其数字输出量的数值将模拟输入电压除以分辨率，即：数字输出数值=模拟输入电压/分辨率数字输出数值=2.2V/0.05V数字输出数值=44一个12位逐次逼近式A/D转换器的参考电压为4.096V,若模拟输入电压V=2.2V,则试求其数字输出量的数值首先，计算A/D转换器的每个最低有效位（LSB）的电压值，即参考电压除以2的12次方（212）。这是因为12位A/D转换器可以表示212个离散的量化级别。每个LSB的电压值=参考电压/(2^12)每个LSB的电压值=4.096V/(2^12)每个LSB的电压值≈0.001V然后，将模拟输入电压除以每个LSB的电压值，即：数字输出数值=模拟输入电压/每个LSB的电压值数字输出数值=2.2V/0.001V数字输出数值=2200请查找一种Z-A型D/A转换器并说明其工作原理与特点工作原理：数字部分：数字输入由二进制代码表示，通常是N位的数字输入。这些二进制代码被送入数字部分的逻辑电路，经过一系列处理，产生相应的控制信号。模拟部分：模拟部分接收数字部分的控制信号，并根据这些信号产生对应的模拟输出电压。模拟输出电压可以是基于电流的输出，也可以是基于电压的输出，具体取决于转换器的设计。特点：精度：Z-A型D/A转换器通常具有较高的精度，可以实现较低的非线性误差、波动和漂移。速度：Z-A型D/A转换器的速度较快，能够以较高的转换速率进行数字到模拟的转换。抗干扰性：由于数字部分和模拟部分物理上分离，Z-A型D/A转换器具有较好的抗干扰性能，能够减少数字信号对模拟输出的影响。可扩展性：Z-A型D/A转换器的位数（N位）可以根据需求进行调整，可实现不同分辨率的转换。四、略。五、六、七、八、将10位自然二进制D/A转换器、逐次逼近寄存器和比较器连接成逐次逼近式A/D转换器。若此时系统提供2MHz的时钟频率，则系统的转换时间是多少?首先，计算D/A转换器的转换时间：由于D/A转换器是10位的，它需要10个时钟周期才能完成一次转换。因此，D/A转换器的转换时间为10/2MHz=5μs。接下来，考虑逐次逼近寄存器和比较器的影响：在逐次逼近式A/D转换器中，逐次逼近寄存器用于逐步逼近模拟输入电压。每个逼近步骤需要一个时钟周期。在比较器中，每个时钟周期都用于比较逼近结果和模拟输入电压的大小，并根据比较结果决定下一步逼近的方向。图8-63所示为三位逐次逼近式A/D转换器。假设输入模拟电压值相应的数字输出为001,试画出时钟的波形，并画出在同一时刻下Q～Q的波形、Q～G的波形、比较器A和与门G～G的波形1.波形示例：方波，每个周期的上升沿触发A/D转换器的逼近步骤。Q～Q的波形：Q～Q信号表示逐次逼近式A/D转换器的数字输出。根据您提供的信息，数字输出为001。因此，Q～Q的波形将在逼近的过程中逐步变化。2.波形示例：初始状态为000，之后逼近过程中逐渐变为001。Q～G的波形：Q～G信号表示逐次逼近式A/D转换器的逼近位。它用于指示每个逼近周期中当前正在进行逼近的位。3.波形示例：逼近过程中逐步变化的波形，表示当前正在逼近的位。比较器A的波形：比较器用于比较逼近值和模拟输入电压的大小。在逼近过程中，比较器输出根据比较结果相应地改变。4.波形示例：根据逼近过程中与模拟输入电压的比较结果而变化的波形。与门G～G的波形：与门用于确定逼近的方向，即逼近值是增加还是减小。它基于比较器的输出和逼近位的状态来确定。5.波形示例：根据比较器和逼近位的状态而变化的波形。十一、略。十二、略。十三、十四、略。十五、第15题的采样系统用于模拟多路开关8通道的数据采样系统。切换通道多路开关所需的时间及其输出建立时间Tmax=3μs,当转换器使用在无采样/保持器或有采样/保持器的情况下，求满量程正弦输入信号下的最大通道吞吐率和最高允许频率无采样/保持器情况下：在无采样/保持器情况下，切换通道多路开关所需的时间与输出建立时间为Tmax=3μs。对于满量程正弦输入信号，在切换通道后，需要等待输出建立后才能进行采样。因此，总体的通道吞吐率为每3μs取样一次。最高允许频率由采样定理决定，采样定理要求采样频率至少是信号最高频率的2倍。假设满量程正弦输入信号的频率为f，则最高允许频率为2f。因此，最高允许频率为2f。有采样/保持器情况下：在有采样/保持器情况下，切换通道多路开关所需的时间与输出建立时间为Tmax=3μs。然而，采样/保持器可以在输出建立之前进行采样，因此可以减少等待时间。对于满量程正弦输入信号，在切换通道后，可以立即进行采样，无需等待输出建立。因此，总体的通道吞吐率为每3μs取样一次。最高允许频率由采样定理决定，同样要求采样频率至少是信号最高频率的2倍。假设满量程正弦输入信号的频率为f，则最高允许频率为2f。一个A/D转换器有下列规格；标称分辨率为12位，微分非线性误差在25℃时为士LSB,2微分非线性误差的温度系数为±3ppm满量程/℃;增益的温度系数为±25ppm/℃;偏离温度系数为±5ppm满量程/℃;电源灵敏度为0.002%。假定初始增益和偏移误差在25℃调整好。若环境温度在0～50℃的范围内变化，求出在最坏的情况下可能的转换误差(假定电源可能变化1%)微分非线性误差：给定的微分非线性误差在25℃时为士LSB。由于温度系数为±3ppm满量程/℃，在最坏情况下，温度变化为50℃-25℃=25℃，误差为25℃*±3ppm=±75ppm。将ppm转换为LSB，利用标称分辨率为12位，可以计算出微分非线性误差为±75ppm/2^12=±0.0184LSB。增益温度系数：给定的增益温度系数为±25ppm/℃。在最坏情况下，温度变化为50℃-0℃=50℃，误差为50℃*±25ppm=±1250ppm。将ppm转换为百分比，可以计算出增益温度误差为±1250ppm/100=±0.0125%。偏离温度系数：给定的偏离温度系数为±5ppm满量程/℃。在最坏情况下，温度变化为50℃-0℃=50℃，误差为50℃*±5ppm=±250ppm。将ppm转换为百分比，可以计算出偏离温度误差为±250ppm/100=±0.0025%。电源灵敏度误差：给定的电源灵敏度为0.002%。在最坏情况下，电源变化为1%，误差为1%*0.002%=0.00002%。十八、十九、二十、二十一、请查阅数据手册或上网搜索，找到一种D/A转换器或A/D转换器的数据手册，说明其工作原理、主要参数及其应用接口。主要参数：分辨率：表示D/A转换器能够处理的最小变化量或量化级别。通常以位数（比特数）来表示，例如12位或16位分辨率。转换速率：表示D/A转换器每秒能够完成的转换次数，以赫兹（Hz）为单位。无线保真度：衡量D/A转换器输出信号与理想输出信号之间的差异程度，通常以百分比或分贝（dB）为单位。集成度：指D/A转换器内部集成的功能和电路的多少，包括模数转换电路、数字信号处理功能等。二十二、请对比几种不同工作原理的A/D转换器的特点。1.逐次逼近型（SuccessiveApproximation，SAR）A/D转换器：特点：逐次逼近型A/D转换器是最常见和常用的类型。它使用二分搜索的方法逐步逼近输入信号的模拟值，直到找到最接近的数字表示。它通常具有较高的分辨率和较快的转换速度。优点：高分辨率，速度较快，较低的功耗。缺点：对于高精度要求和高速转换，可能需要更多的时间和复杂的电路实现。2.逐比较型（FlashorParallel）A/D转换器：特点：逐比较型A/D转换器将输入信号与一组参考电压进行比较，通过比较确定输入信号在参考电压中所处的位置，从而实现模拟到数字的转换。优点：转换速度非常快，适用于高速数据采集应用。缺点：通常具有较低的分辨率，电路复杂度较高，功耗较大。3.Delta-Sigma（ΔΣ）A/D转换器：特点：Delta-SigmaA/D转换器使用过采样和噪声整形技术，将模拟信号转换为高速的数字脉冲序列，然后通过数字滤波器进行滤波和重构以获得最终的数字输出。优点：非常高的分辨率，能够达到很低的噪声水平，适用于高精度音频和传感器应用。缺点：较低的转换速度，复杂的数字滤波器设计。4.单比较型（SingleSlopeorRamp）A/D转换器：特点：单比较型A/D转换器通过对一个线性上升斜坡信号进行定时，然后与输入信号进行比较，最终得到数字表示。它可以通过计算斜坡信号测量的时间来确定输入信号的大小。优点：简单的电路实现，适用于低速和低精度应用。缺点：转换速度较慢，分辨率有限，对输入信号的变化速度敏感。二十三、将模拟信号转换成数字信号传输有什么优点，A/D转换器是否可由D/A转换器来构成?试采用逐次逼近式A/D转换器来加以说明。抗干扰能力强：数字信号传输相比模拟信号传输更能抵抗干扰，因为数字信号是基于离散数值进行表示和传输，可以通过纠错码和差错检测机制来提高传输的可靠性。可压缩性和可编码性：数字信号可以进行压缩和编码，从而减少数据的传输量，同时能够实现更高效的数据存储和处理。可靠性和可复制性：数字信号的传输具有稳定性和可靠性，数字信号可以无损进行复制和重放，不会因为传输损失导致信息的衰减。兼容性和集成性：数字信号可以与各种数字设备和系统进行兼容和集成，易于接入和处理。二十四、双积分式A/D转换器的两个节拍(采样期与比较期)各起什么作用?采样期（SamplingPhase）：在采样期间，A/D转换器将模拟输入信号进行采样，并将其保持在一个电容或者集成器件中。采样期的目的是将连续的模拟信号转换为离散的样本，以便之后进行数字化处理。在采样期间，输入信号被保持不变，并且此时采样保持电路将模拟信号转换为相应的电荷量或电压值。比较期（ComparisonPhase）：在比较期间，采样保持电路中的电荷或电压与一个参考电压进行比较。比较期的作用是将采样保持电路中的电荷或电压与已知的参考电压进行比较，并确定其相对大小。基于比较结果，A/D转换器可以确定模拟输入信号与参考电压之间的比例关系，从而确定相应的数字输出值。二十五、Z-△型A/D转换器有何特点，为什么说E-A型A/D转换器将给测控电路的设计带来深远的影响和巨大的变革?1.Z-△型A/D转换器的特点：采用了Z转换和△调制技术：Z转换将模拟信号变换为数字信号，△调制将数字信号编码为脉冲宽度模调（PWM）信号。简单的硬件实现：Z-△型A/D转换器的硬件结构相对简单，通常由比较器、计数器、累加器和控制逻辑组成。高速性能：Z-△型A/D转换器可以具备较高的转换速度，适用于需要快速采样和转换的应用场景。精度受限：由于Z-△型A/D转换器采用的是PWM编码，因此其精度受限于脉冲宽度的分辨率，可能无法提供与采样率相匹配的高分辨率。2.E-A型A/D转换器的特点：引入了误差反馈：E-A型A/D转换器采用了误差反馈技术，通过将A/D转换的结果与模拟输入信号进行比较和修正，可以提高转换的准确性和精度。高精度和高分辨率：E-A型A/D转换器可以提供较高的转换精度和分辨率，适用于对信号精度要求较高的测控应用。复杂的硬件实现：E-A型A/D转换器的硬件结构相对复杂，通常包括采样保持电路、运算放大器、比较器、数字调整器等组件。低速转换：由于E-A型A/D转换器需要进行误差反馈和校正，转换速度相对较慢，不适合高速采样和转换的应用场景。3.E-A型A/D转换器将给测控电路的设计带来深远的影响和巨大的变革的原因如下：提高了转换精度和稳定性：E-A型A/D转换器引入了误差反馈技术，可以通过校正和修正来提高转换的精度和稳定性，从而提高了测控电路的准确性。扩展了应用领域：由于E-A型A/D转换器能够提供较高的转换精度和分辨率，它适用于对信号精度要求较高的测控应用，如仪器仪表、自动化控制等领域。降低了系统复杂度：E-A型A/D转换器的误差反馈技术可以在一定程度上抵消非线性、温度漂移等因素对转换精度的影响，从而降低了系统的复杂度和成本。提升了测控系统性能：E-A型A/D转换器的高精度和稳定性可以提升测控系统的性能，使其更加可靠和准确，从而推动了测控技术的发展和应用。二十六、已知某信号中最高信号频率为15kHz,需要1%的测量精度，请选用合适的A/D转换器要选择合适的A/D转换器以满足给定的要求，需要考虑两个关键因素：转换精度和采样率。对于最高信号频率为15kHz和1%的测量精度的要求，可以按照Nyquist-Shannon采样定理来确定最低的采样率。根据Nyquist-Shannon采样定理，采样率至少应为信号最高频率的两倍，即30kHz。因此，选择的A/D转换器应具备至少30kHz的采样率。此外，要满足1%的测量精度，A/D转换器的分辨率也很重要。分辨率是指A/D转换器能够将模拟信号转换为数字数值的最小单位。对于1%的测量精度要求，分辨率应至少是信号范围的1%。假设信号范围为0-5V，则分辨率应至少为50mV。二十七、PN结热敏传感器的输出电压相对温度的变化为-2mV/℃,如果在环境温度-40～60℃的范围内，要求测量分辨率为0.5℃,那么应如何选择A/D转换器的分辨率?选择何种工作原理的A/D转换器?如果要求测量精度为0.5℃,那么又应如何选择?范围内测量温度，请计算输出电压的变化范围。根据题目给出的信息，PN结热敏传感器的输出电压相对温度的变化率为-2mV/℃。假设环境温度变化范围为-40℃至60℃，我们可以计算出输出电压的变化范围。在温度变化范围内，温度的变化量为60℃-(-40℃)=100℃。而输出电压的变化量可以根据变化率来计算，即变化率乘以温度变化量。因此，输出电压的变化范围为:输出电压变化范围=变化率×温度变化量=-2mV/℃×100℃=-200mV二十八、如果采用电压/频率变换方式实现A/D转换，那么如何评价它的主要性能?这种方式的A/D转换器有什么特点?性能：分辨率（Resolution）：电压/频率变换方式的A/D转换器的分辨率由脉冲频率的分辨率决定，即能够测量的最小频率变化量。分辨率越高，转换器能够精确测量更小的电压变化。采样率（SamplingRate）：采样率指A/D转换器每秒对输入信号进行采样的次数。电压/频率变换方式的A/D转换器的采样率受到输出频率的限制。动态范围（DynamicRange）：动态范围表示A/D转换器能够测量的最大和最小输入电压之间的范围。对于电压/频率变换方式的A/D转换器，动态范围由输出频率的最大和最小值决定。线性度（Linearity）：线性度指转换器的输入和输出之间的关系是否是线性的。较高的线性度意味着转换器能够提供准确的输出，即输出与输入信号之间存在固定的比例关系。稳定性（Stability）：稳定性表示转换器的输出是否稳定，即在相同输入条件下，输出是否保持一致。稳定性是评估A/D转换器性能的重要指标之一。特点：相对简单的硬件实现：电压/频率变换方式的A/D转换器通常由计数器、比较器、参考电压和控制逻辑等组成，硬件结构相对简单。这使得电压/频率转换器易于设计和实现。较低的分辨率和精度：由于电压/频率转换器的输出是以频率的形式表达的，其分辨率和精度常受到计数器的限制。因此，相对于其他A/D转换方式，电压/频率变换方式的A/D转换器通常具有较低的分辨率和精度。适用于宽动态范围的测量：电压/频率变换方式的A/D转换器具有较大的动态范围，适用于需要测量宽动态范围的信号。低速转换：由于需要进行频率计数和处理，电压/频率变换方式的A/D转换器通常转换速度较慢，不适用于高速采样和转换的应用。对噪声敏感：电压/频率变换方式的A/D转换器对于输入信号中的噪声比较敏感。噪声可能会导致频率计数不准确，从而影响转换器的性能和精度。二十九、为了实现电阻的数字化测量，请给出3种以上的测量方案。在每一种方案中用什么样的A/D转换器，为什么?串联式电桥测量方案：在串联式电桥测量方案中，使用一个已知电阻和一个待测电阻组成电桥电路，并通过调整一个可变电阻使得电桥平衡。这时，可以使用一个差分A/D转换器来测量电桥的平衡态以及平衡时可变电阻的数值。差分A/D转换器有两个输入通道，可以分别连接电桥的两边，以测量电桥的差分电压。使用差分A/D转换器的原因是它可以提供更好的抗干扰能力，减少共模噪声的影响。电容电桥测量方案：在电容电桥测量方案中，通过构建一个电容电桥来测量电阻。这时使用的A/D转换器可以是高精度的单端A/D转换器。电桥的平衡态和待测电阻的数值可以通过测量电容变化的方式来得到。单端A/D转换器可以接收电容的充放电信号，并将其转换为相应的数字值。由于电容电桥的测量一般不需要差分信号处理，所以使用单端A/D转换器即可满足需求。脉冲计数测量方案：脉冲计数测量方案是一种简单有效的电阻测量方法。此方法通过应用已知电压脉冲，并测量通过待测电阻的脉冲数量来计算电阻值。为了实现脉冲计数测量，可以使用频率计数器和A/D转换器的组合。频率计数器用于计数通过待测电阻的脉冲数量，并输出计数结果。A/D转换器用于将频率计数器的输出电压转换为相应的数字值。对于这种方案，需要高速的A/D转换器来处理频率计数器的输出信号，并保证测量精度和稳定性。三十、考察一下实验室里的仪器，了解这些仪器所采用的A/D转换器和D/A转换器，与同学一起讨论。对早年的仪器中的A/D转换器和D/A转换器，能否为它选用新型号的A/D转换器和D/A转换器，替换的可行性和由此而带来的改进有哪些?了解实验室仪器的型号和规格：首先，需要了解实验室中使用的仪器的具体型号和规格。可以查看仪器的技术文档或询问实验室相关人员。调查仪器所采用的A/D转换器和D/A转换器：通过查阅相关文献或询问仪器制造商，了解仪器中所使用的A/D转换器和D/A转换器的型号和性能参数。讨论替换新型号A/D转换器和D/A转换器的可行性：与同学一起讨论是否可以替换实验室仪器中的A/D转换器和D/A转换器为新型号。考虑以下因素：新型号是否兼容仪器的接口和控制系统，是否需要做额外的硬件或软件修改，以及是否能够满足仪器的性能要求等。三十一、某公司需开发一种低频数字存储示波系统，该系统输入信号的最高频率为32Hz,要求分辨率为0.1%,定标信号为1Hz的正弦波。请选择A/D转换器和D/A转换器根据公司需求开发低频数字存储示波系统，以下是适合的A/D转换器和D/A转换器的选择：A/D转换器：考虑到系统的低频输入信号和要求的高分辨率，适合选择高精度的A/D转换器。一个可能的选择是Sigma-Delta(ΣΔ)A/D转换器，它在低频范围内提供高分辨率和低噪声性能。ΣΔ转换器采用过采样技术，可以提供较高的分辨率，并且具有抗噪声能力。可以选择16位或更高分辨率的ΣΔ转换器来满足系统要求。D/A转换器：由于系统需要输出1Hz的定标信号，选择一个能够精确生成低频信号的D/A转换器非常重要。一种可能的选择是具有低谐波失真的成熟的R-2R数字-模拟转换器（DAC）。这种转换器能够提供较低的失真，并且对低频信号性能较好。选择一个16位或更高分辨率的R-2RDAC，以满足精确输出1Hz正弦波的要求。另外，还可以考虑带有报文字存储器的D/A转换器，以实现更精确的低频信号输出和实时波形存储。三十二、如果要求一个D/A转换器能分辨5mV的电压，设其满量程电压为10V,那么其输入端数字量需要多少数字位?要确定D/A转换器的输入端需要多少位来实现对5mV电压的分辨，可以使用以下计算公式：输入位数=log2(满量程电压/分辨率)已知满量程电压为10V，分辨率为5mV，代入上述公式计算：输入位数=log2(10V/5mV)=log2(2000)使用计算器或数学软件，可以计算出输入位数约为10.965。根据数字量的性质，输入位数需要为整数，因此需要向上取整。所以，D/A转换器的输入端数字量至少需要11位来实现对5mV电压的分辨。三十三、一个6位的D/A转换器，具有单向电流输出，当Dm=110100时，Io=5mV,试求Dm=110011时Io的值?对于一个6位的D/A转换器，Dm代表输入数字量，Io代表输出电流。已知：Dm=110100，Io=5mV（对应的输出电流）要求：当Dm=110011时，Io的值首先，我们需要确定D/A转换器的转换规则。对于一个6位的D/A转换器，可以假设输入数字量的最高位对应的输出电流是满量程电流（我们用Imax表示满量程电流），其中Imax可以是6位转换器能够输出的最大电流。根据已知情况，Dm=110100对应的输出电流为Io=5mV，而Dm的最高位是1，因此可以推测Imax=10V（满量程电压）对应的输出电流为Io=5mV。现在，我们需要确定Dm=110011对应的输出电