《数模和模数转换器五.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数模和模数转换器五.pptx（54页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第第9 9章章 数模和模数转换数模和模数转换9.1 D/A9.1 D/A转换器转换器9.2 A/D9.2 A/D转换器转换器退出退出第1页/共54页概述 能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器，简称A/D转换器或ADC；能将数字量转换为模拟量的电路称为数模转换器，简称D/A转换器或DAC。ADC和DAC是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口。第2页/共54页9.1 D/A转换器9.1.1 D/A9.1.1 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理9.1.3 9.1.3 权电流型权电流型D/AD/A转换器转换器9.1.4 D/A9.1.4 D/A转换器的输出方式转换器的输出方
2、式9.1.6 D/A9.1.6 D/A转换器的应用转换器的应用9.1.2 9.1.2 倒倒T T型电阻网络型电阻网络D/AD/A转换器转换器9.1.5 D/A9.1.5 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标第3页/共54页将数字量转换为与之成正比模拟量。n位数字量DAC模拟量A=K DO=K NB 概述第4页/共54页9.1.1 D/A转换器的基本原理 数字量是用代码按数位组合而成的，对于有权码，每位代码都有一定的权值，如能将每一位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的模拟量，从而实现数字量-模拟量的转换。NDb424b323b222b12
3、1b020 124123022021120将二进制数ND(11001)B转换为十进制数。1、实现D/A转换的基本思想第5页/共54页2、D/A转换器的组成数码寄存器n位模拟开关解码网络求和电路n位数字量输入模拟量输出基准电压DAC的数字数据可以并行输入也可串行输入用来存放数字量的各位数码由输入数字量控制产生权电流将权电流相加产生与输入成正比的模拟电压第6页/共54页3、实现D/A转换的原理电路第7页/共54页按解码网络结构分类 T型电阻网络DAC倒T形电阻网络DAC权电流DAC 权电阻网络DAC 按模拟电子开关电路分类 CMOS开关型DAC双极型开关型DAC 电流开关型DAC ECL电流开关型
4、DAC D/A 转换器4、D/A转换器的分类第8页/共54页9.1.2 倒T型电阻网络D/A转换器1、4位倒T型电阻网络D/A转换器Rf+vOA2RI/2S32RI/4S22RI/8S12RI/16S02RI/16I/8I/4I/2Ii+VREF(MSB)D3D2D1(LSB)D0RRR电阻网络基准电压模拟电子开关求和运算放大器输入4位二进制数输出模拟电压Di=0,Si则将电阻2R接地Di=1,Si接运算放大器反相端，电流Ii流入求和电路 第9页/共54页不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接到地，也就是不论输入数字信号是1还是0，各支路的电流不变。分别从每个节点处向左看的二端网
5、络等效电阻都是R。D/A转换器的倒T型电阻网络Rf+vOA2RI/2S32RI/4S22RI/8S12RI/16S02RI/16I/8I/4I/2Ii+VREF(MSB)D3D2D1(LSB)D0RRRR RR RR RR R第10页/共54页Rf+vOA2RI/2S32RI/4S22RI/8S12RI/16S02RI/16I/8I/4I/2Ii+VREF(MSB)D3D2D1(LSB)D0RRR第11页/共54页关于D/A转换器精度的讨论(1)基准电压稳定性好；(2)倒T形电阻网络中R和2R电阻比值的精度要高；(4)为实现电流从高位到低位按2的整数倍递减，模拟开关的导通电阻也相应地按2的整数
6、倍递增。为进一步提高D/A转换器的精度，可采用权电流型D/A转换器。为提高D/A转换器的精度，对电路参数的要求：(3)每个模拟开关的开关电压降要相等；第12页/共54页2、集成 D/A转换器RF+vOA2R2R2R2R2RVREFD9D2D1D0RRR2R2RRD8D7R10KIOUT1IOUT2AD7533使用:1)要外接运放，2)运放的反馈电阻可使用内部电阻，也可采用外接电阻第13页/共54页RR2RIOUT1IOUT2T1T2T3T5T4T7T6T8T9VDDDiCMOS模拟开关电路第14页/共54页1、4位权电流D/A转换器权电流型D/A转换器的原理电路9.1.3 权电流型D/A转换器
7、第15页/共54页权电流型D/A转换器中的恒流源第16页/共54页2、实际的权电流D/A转换器第17页/共54页9.1.4 D/A转换器的输出方式8位D/A转换器在单极性输出时的输入/输出关系000000001000000011111110000000011000000111111111模拟量数 字 量MSB LSB第18页/共54页十进十进制数制数2的补码的补码偏移二进制码偏移二进制码模拟量模拟量D7D6D5D4D3D2D1D0D7D6D5D4D3D2D1D0vO/VLSB127126101127128000011111001001100100110010011001001100100110
8、0100111011011110001100100110010011001001100100110010011001001110110127126101127128常用双极性编码注：表中VLSB=VREF/256第19页/共54页第20页/共54页（1）分辨率 分辨率用输入二进制数的有效位数表示。在分辨率为n位的D/A转换器中，输出电压能区分2n个不同的输入二进制代码状态，能给出2n个不同等级的输出模拟电压。（2）转换精度 D/A转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想值之差，即最大静态转换误差。包括：比例系数误差（由VREF引起）；失调误差（由运算放大器的零点漂移引起）；非线性误差（由
9、模拟开关和电阻网络中的电阻误差等引起）。（3）转换速度 当D/A转换器输入的数字量发生变化时，输出电压达到规定误差范围所需要的时间。通常用建立时间 和转换速率来描述。9.1.5 D/A转换器的主要技术指标第21页/共54页RF+vOA2R2R2R2R2RVREFD9D2D1D0RRR2R2RRD8D7R10KIOUT1IOUT2AD7533vI数字式可编程增益控制电路9.1.6 D/A转换器的应用第22页/共54页脉冲波产生电路74163具同步清零功能74163和与非门构成十进制计数器：00001001第23页/共54页D0D1D2D3D4D5D6D7D8D9AD7533D0D1D2D3D4D
10、5D6D7D8D9AD7533Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8Q910位可逆计数器CP加/减加减控制电路VREF+IOUT1IOUT2vO1RFVREF+IOUT1IOUT2vO2RF计数脉冲脉冲波产生电路三角波抛物波第24页/共54页本节小结D/A转换器的功能是将输入的二进制数字信号转换成相对应的模拟信号输出。D/A转换器根据工作原理基本上可分为二进制权电阻网络D/A转换器和T型电阻网络D/A转换器两大类。由于T型电阻网络D/A转换器只要求两种阻值的电阻，因此最适合于集成工艺，集成D/A转换器普遍采用这种电路结构。如果输入的是n位二进制数，则D/A转换器的输出电压为：第25页/共54页9
11、.2 A/D转换器9.2.1 A/D9.2.1 A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程9.2.2 9.2.2 并行比较型并行比较型A/DA/D转换器转换器9.2.3 9.2.3 逐次比较型逐次比较型A/DA/D转换器转换器9.2.4 9.2.4 双积分型双积分型A/DA/D转换器转换器9.2.5 A/D9.2.5 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标9.2.6 9.2.6 集成集成A/DA/D转换器及其应用转换器及其应用第26页/共54页9.2.1 A/D转换器的一般工作过程 模拟电子开关S在采样脉冲CPS的控制下重复接通、断开的过程。S接通时，ui(t)对C充电，为采样过程；S
12、断开时，C上的电压保持不变，为保持过程。在保持过程中，采样的模拟电压经数字化编码电路转换成一组n位的二进制数输出。第27页/共54页t0时刻S闭合，CH被迅速充电，电路处于采样阶段。由于两个放大器的增益都为1，因此这一阶段vO跟随vI变化，即vO vI。t1时刻采样阶段结束，S断开，电路处于保持阶段。若A2的输入阻抗为无穷大，S为理想开关，则CH没有放电回路，两端保持充电时的最终电压值不变，从而保证电路输出端的电压vO维持不变。1、取样与保持第28页/共54页2、量化与编码 将采样保持电路的输出电压归化为最小量值的整数倍的过程叫做量化量化。数字量最小单位所对应的最小量值叫做量化单位量化单位。用
13、二进制代码来表示各个量化电平的过程，叫做编码编码。一个n位二进制数只能表示2n个量化电平，量化过程中不可避免会产生误差，这种误差称为量化误差量化误差。量化级分得越多（n越大），量化误差越小。取最小量化单位=Vm/2n取最小量化单位=2Vm/(2n+11)（a a）舍尾取整法）舍尾取整法（b b）四舍五入法）四舍五入法第29页/共54页9.2.2 并行比较型A/D转换器+C1+C2+C3+C4+C5+C6+C7VREFRRRRRRRR/2C11DC11DC11DC11DC11DC11DC11DCO1CO2CO3CO4CO5CO6CO7QQQQQQQI1I2I3I4I5I6I7优先编码器D0(LS
14、B)D1D2(MSB)vICPVREF/153VREF/155VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/1513VREF/15第30页/共54页0vIVREF/15时，7个比较器输出全为0，CP到来后，7个触发器都置0。经编码器编码后输出的二进制代码为：D2D1D0000VREF/15vI 3VREF/15时，7个比较器中只有C7输出为1，CP到来后，只有触发器FF7置1，其余触发器仍为0。经编码器编码后输出的二进制代码为：D2D1D0=0013VREF/15 vI5VREF/15时，比较器C7、C6输出为1，CP到来后，触发器FF7、FF6置1。经编码器编码后输出的二进制代
15、码为：D2D1D00105VREF/15vI7VREF/15时，比较器C7、C6、C5输出为1，CP到来后，触发器FF7、FF6、FF5置1。经编码器编码后输出的二进制代码为：D2D1D0011 依此类推，可以列出vI为不同等级时寄存器的状态及相应的输出二进制数。第31页/共54页模模 拟拟 输输 入入比比 较较 器器 状状 态态数数 字字 输输 出出vICO1 CO2 CO3 CO4 CO5 CO6 CO7D2 D1 D00 0 0 0 0 0 00 0 00 0 0 0 0 0 10 0 10 0 0 0 0 1 10 1 00 0 0 0 1 1 10 1 10 0 0 1 1 1 11
16、 0 00 0 1 1 1 1 11 0 10 1 1 1 1 1 11 1 01 1 1 1 1 1 11 1 1REFV)0(151REFV)(153151REFV)(155153REFV)(157155REFV)(159157REFV)(1511159REFV)(15131511REFV)1(1513第32页/共54页在并行A/D转换器中，输入电压I同时加到所有比较器的输入端。如不考虑各器件的延迟，可认为三位数字量是与I输入时刻同时获得的。所以它的转换时间最短。缺点是电路复杂，如三位ADC需7个比较器、7个触发器、8个电阻。位数越多，电路越复杂。为了解决提高分辨率和增加元件数的矛盾，可以
17、采取分级并行转换的方法。单片集成并行比较型A/D转换器的产品很多，如AD公司的AD9012(TTL工艺8位)、AD9002(ECL工艺，8位)、AD9020(TTL工艺，10位)等。电路特点第33页/共54页9.2.3 逐次比较型A/D转换器1、转换原理所加砝码重量 结果 逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似。第一次8 克砝码总重 待测重量Wx，8克砝码保留8 克第二次再加4克砝码总重仍 待测重量Wx，2克砝码撤除12 克第四次再加1克砝码总重 待测重量Wx，1克砝码保留13 克所用砝码重量：8克、4克、2克和1克。设待秤重量Wx=13克。第34页/共54页基准电压UREFn位A/D转换器第
18、35页/共54页第一个CP10 0010 000.5UERFuIuO1uIuO0第36页/共54页第二个CP01 00Dn-11 000.75UERF or 0.25UERF1or 0uIuOuIuO1 0第37页/共54页 转换开始前先将所有寄存器清零。电路由启动脉冲启动后，开始转换，时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为1000。这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压uO，送到比较器中与uI进行比较。若uIuO，说明数字过大了，则最高位应保存0；若uIuo，说明数字还不够大，则最高位应保存1。然后，再按同样的方式将次高位置成1，并且经过比较以后确定这个1是否应该保留。这样逐位比
19、较下去，一直到最低位为止。比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。CPDn-1Dn-2 Dn-3D1D0u0(V)uIuO？11 0 0 000.5UREF1（D n-1为1）/0（D n-1为0）2Dn-1 1 0 000.75/0.25UREF1（D n-2为1）/0（D n-2为0）3Dn-1 Dn-2 1 001（D n-3为1）/0（D n-3为0）nDn-1Dn-2 Dn-3D111（D 0为1）/0（D 0为0）第38页/共54页例：8位A/D转换器，输入模拟量uI=6.84V，D/A转换器基准电压 UREF=10V。相对误差仅为0.06%。转换精度取决于位数。CPD7
20、D6D5D4D3D2D1D0u0(V)uIuO？110000000512110000007.503101000006.2514101100006.87505101010006.562516101011006.7187517101011106.79687518101011116.83593751uIuO为1否则为0 第39页/共54页8位逐次比较型A/D转换器波形图 第40页/共54页1、逐次比较型A/D转换器输出数字量的位数越多转换精度越高；2、逐次比较型A/D转换器完成一次转换所需时间与其位数n和时钟脉冲频率有关，位数愈少，时钟频率越高，转换所需时间越短；电路特点第41页/共54页基本原理基
21、本原理：对输入模拟电压和基准电压进行两次积分，先对输入模拟电压进行积分，将其变换成与输入模拟电压成正比的时间间隔T1，再利用计数器测出此时间间隔，则计数器所计的数字量就正比于输入的模拟电压；接着对基准电压进行同样的处理。原原理理电电路路9.2.4 双积分型A/D转换器第42页/共54页 积分器：Qn=0，对被测电压uI进行积分；Qn=1，对基准电压UREF进行积分。检零比较器C：当uO0时，uC0；当uO0时，uC1。计数器：为n1位异步二进制计数器。第一次计数，是从0开始直到2n对CP脉冲计数，形成固定时间 T12nTC（TC为CP脉冲的周期），到达T1时间时，Qn1，使S1从A点转接到B点
22、。第二次计数，是将时间间隔T2变成脉冲个数N保存下来。时钟脉冲控制门G1：当uC=1时，门G1打开，CP脉冲通过门G1加到计数器输入端。第43页/共54页工作原理工作原理先定时（T1）对uI正向积分，得到Up，UpuI；再对UREF积分，积分器的输出将从Up线性上升到零。这段积分时间是T2，T2UpuI；在T2期间内计数器对时钟脉冲CP计得的个数为N，NT2UpuI。第44页/共54页工作过程：工作过程：准备阶段：转换控制信号CR0，将计数器清0，并通过G2接通开关S2，使电容C放电；同时，Qn0使S1接通A点。第45页/共54页采样阶段：当t0时，CR变为高电平，开关S2断开，积分器从0开始
23、对uI积分，积分器的输出电压从0V开始下降，即第46页/共54页 与此同时，由于uO0，故uC1，G1被打开，CP脉冲通过G1加到FF0上，计数器从0开始计数。直到当tt1时，FF0FFn-1都翻转为0态，而Qn翻转为1态，将S1由A点转接到B点，采样阶段到此结束。若CP脉冲的周期为TC，则T12nTC。设UI为输入电压在T1时间间隔内的平均值，则第一次积分结束时积分器的输出电压为：第47页/共54页比较阶段：在t=t1时刻，S1接通B点，UREF加到积分器的输入端，积分器开始反向积分，uO开始从Up点以固定的斜率回升，此时有：第48页/共54页当tt2时，uO正好过零，uC翻转为0，G1关闭
24、，计数器停止计数。在T2期间计数器所累计的CP脉冲的个数为N，且有T2NTC。设T2 t2 t1，此时则有：可见，NT2UPuI，实现了A/D转换，N为转换结果。由于T2NTC，所以有：第49页/共54页1.由于转换结果与时间常数RC无关，从而消除了积分非线性带来的误差。2.由于双积分A/D转换器在T1时间内采的是输入电压的平均值，因此具有很强的抗工频干扰的能力。3.只要求时钟源在一个转换周期时间内保持稳定即可。电路特点第50页/共54页（1）分辨率 A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示。它说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。位数越多，误差越小，转换精度越高。例如，输入模拟电压的变化
25、范围为05V，输出8位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V2820mV；而输出12位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V2121.22mV。（2）转换误差 A/D转换器实际输出数字量和理论上的输出数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。（3）转换时间 转换时间是指从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间。它与转换电路的类型有关。并行比较A/D转换器的转换速度最快，逐次比较型A/D转换器次之，间接A/D转换器的速度最慢（如双积分A/D转换器）。9.2.5 A/D转换器的主要技术指标第51页/共54页9.2.6 集成A/D转换器及应用第52页/共54页A/D转换器的功能是将输入的模拟信号转换成一组多位的二进制数字输出。不同的A/D转换方式具有各自的特点。并联比较型A/D转换器转换速度快，主要缺点是要使用的比较器和触发器很多，随着分辨率的提高，所需元件数目按几何级数增加。双积分型A/D转换器的性能比较稳定，转换精度高，具有很高的抗干扰能力，电路结构简单，其缺点是工作速度较低，在对转换精度要求较高，而对转换速度要求较低的场合，如数字万用表等检测仪器中，得到了广泛的应用逐次逼近型A/D转换器的分辨率较高、误差较低、转换速度较快，在一定程度上兼顾了以上两种转换器的优点，因此得到普遍应用。本节小结第53页/共54页感谢您的观看。第54页/共54页