模数与数模转换电路.pptx

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1、12.1 12.1 概述概述模数转换器模数转换器数模转换器数模转换器 模数转换器一般属于系统的前级电路，完成模拟电信号到数字电信号的转换。（Analog-Digital Converter），简称A/D转换器、ADC 数模转换器一般属于系统的后级电路，完成数字电信号到模拟电信号的转换。（Digital-Analog Converter），简称D/A转换器、DAC第1页/共40页12.2 12.2 D/A 转换器转换器12.2.1 12.2.1 D/A 转换原理转换原理d0d1dn-1DACuO或iO例如：例如：DuO/V7654321001 010 011 100 101 110 111输出模

2、拟电压输出模拟电压实际是实际是不连续不连续的，而是由一系列的，而是由一系列“台阶电压台阶电压”组成。组成。其最小单位就是输入“0001”所对应的模拟电压大小，就是比例系数 k 的大小。MSB：输入n位二进制数 的最高位；LSB：最低位；FSR：最大输入数字量 “1111”。第2页/共40页一一.权电阻网络权电阻网络DAC1.1.电路结构电路结构000011112.2.工作原理工作原理第3页/共40页一一.权电阻网络权电阻网络DAC1.1.电路结构电路结构000011113.3.器件特点器件特点优点：电路结构简单；转换速度也比较快。缺陷：电路中电阻大小各不相同，且差异很大，转换器位数越大，这种差

3、异就越大。权电阻的阻值精度直接限制了转换精度。同时不利于集成化。电子开关的导通电阻和导通压降都会影响转换精度和转换速度。第4页/共40页二二.倒倒 T 形电阻网络形电阻网络DAC1.1.电路结构电路结构RRRR11110000第5页/共40页2.2.工作原理工作原理 外接电压VREF输出的总电流：3.3.器件特点器件特点只使用两种阻值的电阻，易于集成，且转换精度提高很多。倒 T 型电阻网络DAC的转换精度和转换速度，都优于权电阻网络DAC，许多型号的集成DAC芯片都采用此结构。第6页/共40页三三.其他类型其他类型DAC1.1.权电流型权电流型DAC2.2.权电容型权电容型DAC3.3.双极性

4、输出型双极性输出型DAC 电路结构与权电阻网络DAC类似，内部使用多个恒流源，其大小依次为前一个的一半，从而构成“权结构”。仍采用权电阻网络DAC类似的电路结构，但用多个电容替代了权电阻网络中的各电阻，且电容大小仍满足“权结构”。实际工作中常常需要将带符号（可正、可负）的数字信号转换为对应的模拟信号，此时就需要使用双极性输出型DAC。第7页/共40页12.2.2 12.2.2 D/A 转换器的性能指标转换器的性能指标一一.转换精度转换精度表征DAC的理论转换精度。分辨率分辨率转换误差转换误差表示器件实际输出模拟量和理论输出量之间的偏差。1.1.分辨率分辨率DAC输入的最小有效数字“0001”和

5、最大有效数字“1111”分别对应的输出模拟量的比值，即MSB和FSR对应的输出模拟量的比值。n 位DAC器件，常常直接把“2n”或者“n位”称为分辨率。例如：8位DAC的分辨率就是 255，或者8位。第8页/共40页一一.转换精度转换精度2.2.转换误差转换误差 转换误差是一个综合性的静态指标，它通常包括比例系数误差、非线性误差、漂移误差等多个成分，这些误差的绝对值之和，就是DAC的转换误差大小。由于DAC电路内各环节不可避免地存在与理论性能不一致的差异，因此实际的输出模拟量和理论输出量之间存在一定误差，这种误差的最大差值称为DAC的转换误差。第9页/共40页二二.转换速度（建立时间）转换速度

6、（建立时间）DAC的转换速度通常用建立时间来描述，指从数字信号输入DAC开始，到输出端对应得到稳定的模拟信号为止，整个转换过程所需要的时间。建立时间 tset 的定量：从输入数字量发生突变开始，到输出模拟量进入与稳态值相差(1/2)LSB 范围以内的这段时间。第10页/共40页现在常用的集成DAC器件从内部组成上区分，有两大类：内部只包含电阻网络（或恒流源网络、电容网络等）和电子开关。另一类内部还集成了运算放大器和参考电压源发生器。使用时需要外接运算放大器和参考电压源，其转换速度相对较慢，建立时间比第二类大一些。同时，要选用高稳定度的参考电压源和低漂移高精度的运算放大器，以降低转换误差。使用更

7、方便，转换速度也更快。第11页/共40页 A/D转换器转换器（模数转换器）（模数转换器）（ADC）模拟信号模拟信号数字信号数字信号 直接ADC 间接ADC 通过一套基准电压与取样保持信号相比较，从而直接转换为数字量。一般而言，转换速度较快，转换精度与基准电压设定精度有很大关系。常见的有并联比较型ADC、逐次逼近型ADC 等。将输入的模拟信号首先转换为与其成正比的时间或频率，然后再以某种方式将中间量转换为数字量，也常称为计数式ADC。可实现很高的转换精度，但转换速度往往不如直接ADC。常见的有双积分型ADC（V-T 变换型）、V-f 变换型ADC等。12.3.1 12.3.1 D/A 转换原理转

8、换原理12.3 12.3 A/D 转换器转换器第12页/共40页一一.A/D 转换原理转换原理取样取样保持保持量化量化编码编码量化编码量化编码 电路电路uI(t)模拟信号u I(t)数字信号dn-1d1d0取样保持取样保持 电路电路第13页/共40页1.1.取样和保持取样和保持取样保持取样保持 电路电路tuStuItu I1取样取样保持保持第14页/共40页tu I取样定理取样定理fS 2 fImax 在取样间隔内在取样间隔内完成对应的量化和完成对应的量化和编码，输出对应的编码，输出对应的数字信号。数字信号。第15页/共40页取样取样-保持电路保持电路 取样过程取样脉冲 S(t)=1期间：Cu

9、IuOuCVTAS(t)VT导通，输入模拟信号uI(t)经VT向电容C充电。电容的充电时间常数远小于取样脉冲脉宽，则电容电压uC(t)在取样期间完全可以跟上输入信号uI(t)的变化，uO(t)=uI(t)。保持过程取样脉冲 S(t)=0期间：VT截止，则电容电压uC(t)将保持为前一个瞬间uI(t)的数值，相应的输出信号也保持为该数值不变，直到下一次取样时刻的到来。第16页/共40页2.2.量化和编码量化和编码 tu I量化单位量化单位 输出 n 位数字信号“0001”对应的输入模拟电压，是量化的最小数量单位。0 V1/8 V3/8 V5/8 V6/8 V7/8 V 1 V4/8 V2/8 V

10、输入输入0 01V1V输出输出3 3位代码位代码000001010011100101110111第17页/共40页0000101001011101110110010000101001011101110110011/15 V5/15 V9/15 V11/15 V13/15 V7/15 V3/15 V0 V1/8 V3/8 V5/8 V6/8 V7/8 V 1 V4/8 V2/8 V模拟模拟信号信号二进制二进制 代码代码0 =0 V1=1/8 V2=2/8 V3=3/8 V4=4/8 V5=5/8 V6=6/8 V7=7/8 V 代表的代表的模拟电压模拟电压二进制二进制 代码代码0 V 1 V模拟

11、模拟信号信号舍去法舍去法0=0 V1=2/15 V2=4/15 V3=6/15 V4=8/15 V5=10/15 V6=12/15 V7=14/15 V 代表的代表的模拟电压模拟电压四舍五入法四舍五入法量化方式与量化误差量化方式与量化误差第18页/共40页取样保持量化编码时间上离散幅值上离散幅值归并代码赋值取样定理量化编码的 工作区间量化方式量化误差最终数字化 对工作过程的理解总总 结结第19页/共40页二二.并联比较型并联比较型ADC1.1.电路结构电路结构2.2.工作原理工作原理100000000010101100第20页/共40页uI Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1d2 d1

12、d0O O O O O O OO O O O O O OO O O O O O O O O O O O 1 1O O O O O O O O O O 1 1 1 1O O O O O O O O 1 1 1 1 1 1O O O O O O 1 1 1 1 1 1 1 1O O O O 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1O O 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1O O O O O OO O O O 1 1O O 1 O 1 OO 1 1O 1 11 O O1 O O1 1 O O 1 11 1 1 1 O O1 1 1 1 1

13、 1代码转换表第21页/共40页3.3.器件特点器件特点 并联比较型ADC的最显著优点是转换速度快，转换时间纳秒（ns）级，并且，如果增加输出代码位数，对转换时间的影响很小。转换精度主要取决于量化电平的划分，分得越细（即越小），精度越高。此外，转换精度还受分压电阻和外接参考电平的精度、电压比较器的灵敏度的影响。并联比较型ADC的主要缺点是使用的比较器和触发器太多，并且，随着输出代码位数的增加，数量还会急剧增加。综上所述，并联比较型ADC适用于要求转换速度很高，但转换精度不太高的场合。第22页/共40页三三.逐次逼近型逐次逼近型ADC1.1.电路结构电路结构uOCDAC逐次渐进 寄存器输入模拟信

14、号uI转换控制信号uLCLK(MSB)(LSB)(MSB)(LSB)并行数字输出 开始转换前，先将寄存器。uL 有效时，开始转换，寄存器的最高位置1，输出为100，并被DAC转换为对应的模拟电压uO，送入电压比较器C，与uI 比较。如果uO uI：则去掉对应的1；如果uO uI：则保留对应的1。然后以相同的方法将寄存器输出状态的次高位置1，并继续 比较,确定是否该保留这个1。按上述方法逐位比较，直到最低位比较完为止。第23页/共40页 用天平秤重过程比喻说明。四个砝码重量分别为8、4、2、1克。设待秤重量Wx=5克，可以用下表步骤秤量：4 g4 g+2 g 4 g+1 g8 g8g 5g，4g

15、 5g，5g 5g，0 g4 g4 g5 g撤去保留撤去保留234 1暂时结果砝 码 重比 较 判 断顺 序n 位计满只需 n 个CLK2.2.工作原理工作原理第24页/共40页3位：5个CLKn位:(n+2)个CLKVR第25页/共40页转换开始前各触发器状态放哪一个砝码砝码是否保留试探电压待转换模拟电压VR10010101000第26页/共40页VR-8V100101010005.5V第1个CLK 来到后各触发器状态?000第27页/共40页VR-8V5.5V01100?01000?0004V000第1个CLK 来到后各触发器状态第2个CLK 来到后各触发器状态?000第28页/共40页V

16、R-8V5.5V0101100 0010?6V1100第2个CLK来到后各触发器状态第3个CLK来到后各触发器状态?000第29页/共40页VR-8V5.5V0011010005V？0000？00第3个CLK来到后各触发器状态第4个CLK来到后各触发器状态?000第30页/共40页VR-8V5.5V第4个CLK来到后各触发器状态5V01000001100000011第5个CLK来到后各触发器状态？0第31页/共40页VR-8V100101010005.5V第5个CLK来到后各触发器状态000第6个CLK来到后各触发器状态?3位转换只需5个CLK时间n 位转换只需n+2个CLK时间011第二次转

17、换5V0第32页/共40页3.3.器件特点器件特点 n 位逐次逼近型ADC，完成一次转换需要n+2个时钟信号周期的时间，转换速度要慢一些，属于中速ADC。而并联比较型ADC一般都是高速ADC。当输出数字量位数较高时，逐次逼近型ADC的电路规模比并联比较型ADC小很多，更适于集成，可以用于实现高分辨率ADC，而转换误差也易于控制。逐次逼近型ADC是目前集成ADC产品中应用最广泛的形式。第33页/共40页四四.双积分型双积分型ADC1.1.电路结构电路结构1.1.工作原理工作原理第34页/共40页3.3.器件特点器件特点 双积分型ADC的最显著优点是工作性能稳定，转换精度高。转换结果与R、C 的具

18、体数值无关，而且其数值误差也不会影响转换精度。也不要求使用高稳定度的时钟信号源，只要求时钟信号源在一个转换周期内（即两次积分过程中），保持稳定即可。双积分型ADC的另一个优点是抗干扰能力强，对交流噪声有很强的抑制能力，电路结构也相对简单。综上所述，双积分型ADC主要适用于要求转换精度很高，但转换速度要求不高的场合。双积分型ADC的主要缺点是工作速度低，目前常见的单片产品的转换速度一般都在每秒几十次以内。第35页/共40页12.3.2 12.3.2 A/D 转换器的性能指标转换器的性能指标一一.转换精度转换精度1.1.分辨率分辨率 ADC的分辨率以输出二进制数或十进制数的位数表示，用来说明ADC

19、对输入模拟信号的分辨能力，是ADC在理论上能达到的转换精度。3位半十进制 例如：输出信号为 n 位二进制数字量的ADC，能分辨的输入电压的最小差异为(1/2n)FSR（最大量程的1/2n）。4位半十进制输出十进制数可以从0到1999输出十进制数可以从0到19999第36页/共40页一一.转换精度转换精度2.2.转换误差转换误差具体表示时：ADC的转换误差一般以最低有效位LSB的倍数给出。ADC的转换误差，即相对转换精度，由输出误差的最大值决定，用来表示ADC的实际输出数字量和理论输出数字量之间的偏差。说明ADC实际输出数字量和理论输出数字量之间的误差不大于最低位的一半。例如，一个ADC给出的转

20、换误差为 ：第37页/共40页二二.转换速度转换速度 ADC的转换速度主要取决于转换器的电路结构，不同类型结构的ADC的转换速度差异极大。并联比较型ADC的转换速度最快。8位并联比较型ADC的转换时间一般为几十纳秒（ns）以内。逐次逼近型ADC的转换速度次之。多数8位逐次逼近型ADC的转换时间都在几百纳秒（ns）到几十微秒（s）之间。间接ADC的转换速度就低得多了。现在常用的双积分型ADC的转换时间大多在几十毫秒（ms）到几百毫秒之间。第38页/共40页常用的集成ADC器件具有多种不同类型，主要可分为三大类：内部仅集成了量化-编码电路 使用时需要在前级外接取样-保持电路，最终实现的ADC电路的性能指标也不易确定，因此要求用户有一定的设计经验和技巧。内部集成了取样-保持电路和量化编码电路 具备了A/D转换必须的四个环节，性能比较明确，使用比较简便。内部还集成其他功能电路 很多集成ADC器件内部还集成了输入/输出端口、存储电路和更复杂的控制单元，甚至是带有微处理器，扩展了器件功能，适合于一些更复杂的应用场合。第39页/共40页感谢您的观看。第40页/共40页