第8章数模与模数转换器.ppt

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1、电子技术,（数字部分）,第8章 数模与模数转换器,8.1 D/A转换器 8.2 A/D转换器,2,ADC和DAC已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。,将温度、压力、流量、应力等物理量转换为模拟电量。,计算机进行数字处理（如计算、滤波）、保存等,用模拟量作为控制信号,8.1 D/A转换器,8.1.1 D/A转换器的基本原理 8.1.2 D/A转换器电路 8.1.3 D/A转换器主要参数,3,将数字量转换为与之成正比模拟量 。,8.1.1 D/A转换器的基本原理,1.数 / 模转换器,A = K D,O = K NB,4,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

2、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。,2. 实现D/A转换的基本思想,NDb424b323b222b121b020 124123022021120,将二进制数ND(11001)B转换为十进制数。,5,3. D/A转换器的组成,DAC的数字数据可以并行输入也可串行输入,用存放在数字寄存器中的数字量的各位数码,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,6,4. 实现D/A转换的原理电路,，,，,7,8,一、权电阻型D/A转换器,Sn-1 Sn-2 Si S1 S0,1 0

3、1 0 1 0 1 0 1 0,Dn-1 Dn-2 Di D1 D0,8.1.2 D/A转换器电路,例1 图所示的电路中，设n=4, VREF =10V, R=100k, Rf=8k, 输入二进制数码S3S2S1S0为1011。试问运算放大器输出电压是多少？,解：,权电阻型D/A转换器中的解码网络所用的阻值范围很大, 特别是当分辨率较高时, 电阻值的范围会大得难以实现。,9,二、倒T形电阻网络D/A转换器,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,电阻网络,模拟电子开关,求和运算放大器,输出 模拟电压,输入4位二进制数,根据运放线性运用时虚地的

4、概念可知，无论模拟开关Si处于 何种位置，与Si相连的2R电阻将接“地” 或虚地。,4位倒T形电阻网络D/A转换器,基准电压,电阻网络 模拟电子开关 求和运算放大器,10,D/A转换器的倒T形电阻网络,基准电源VREF提供的总电流为：I =？,流过各开关支路的电流：I3 =？I2 =？ I1 =？ I0 =？,I/4,I/8,I/16,R,R,R,R,I/2,I/4,I/8,I/16,I/2,I3,I2,I1,I0,流入每个2R电阻的电流从高位到低位按2的整数倍递减。,I3= VREF / 2R,I2= VREF / 4R,I1= VREF / 8R,I0= VREF /16 R,11,流入运

5、放的总电流：,i I0 + I1 + I2 + I3,输出模拟电压：,12,4位倒T形电阻网络DAC的输出模拟电压：,n 位倒T形电阻网络DAC有：,令：,则,O = K NB,在电路中输入的每一个二进制数NB，均能得到与之成正比的模拟电压输出。,13,8.1.3 D/A转换器的主要技术指标,分辨率：其定义为D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。n位DAC最多有2n个模拟输出电压。位数越多D/A转换器的分辨率越高。,分辨率也可以用能分辨的最小输出电压与最大输出电压之比给出。n位D/A转换器的分辨率可表示为,1、分辨率,14,2、转换精度：,转换精度是指对给定的数字量，D/A转换器实际值与

6、理论值之间的最大偏差。,产生原因：由于D/A转换器中各元件参数值存在误差，如基准电压不够稳定或运算放大器的零漂等各种因素的影响。,几种转换误差：有如比例系数误差、失调误差和非线性误差等,15,3输出建立时间 从送入数字信号起，到输出电压（或电流）到达稳态值所需要的时间，称为输出建立时间。输出建立时间也称为转换时间。 4输出极性及范围 输出信号的极性有单极性和双极性两种。 输出信号的形式有电流输出和电压输出。对电流输出的DAC，常常需外接运放将电流转换成电压。 5温度系数 温度系数是指在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高1，输出电压变化的百分数

7、作为温度系数。,16,8.2 A/D转换器,8.2.1 A/D转换器的基本原理 8.2.2 A/D转换器电路 8.2.3 A/D转换器主要参数,17,8.2.1 A/D转换器的基本原理,18,2. A/D转换器分类, 并联比较型 特点: 转换速度快,转换时间 10ns 1s, 但电路复杂。, 逐次逼近型 特点: 转换速度适中,转换时间 为几s 100 s, 转换精度高，在转换速度和硬件复杂度之间达到一个很好的平衡。, 双积分型 特点: 转换速度慢,转换时间 几百s 几ms,但抗干扰能力最强。,19,取样,时间上离散的信号,保持、量化,量值上也离散的信号,编码,A/D转换的一般工作过程,A/D转

8、换器一般要包括取样， 保持，量化及编码4个过程。,20,1. 取样与保持,采样是将随时间连续变化的模拟量转换为在时间离散的模拟量。,采样信号S(t)的频率愈高，所采得信号经低通滤波器后愈能真实地复现输入信号。合理的采样频率由采样定理确定。,采样定理：设采样信号S(t)的频率为fs，输入模拟信号I(t)的最高频率分量的频率为fimax，,则 fs 2fimax,S(t)=1:开关闭合 S(t)=0:开关断开,21,采得模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，为了给后续的量化编码过程提供一个稳定的值，在取样电路后要求将所采样的模拟信号保持一段时间。,采样,保持,取样与保持电路及工作原理,22,2.

9、量化与编码,数字信号在数值上是离散的。采样保持电路的输出电压还需按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上，任何数字量只能是某个最小数量单位的整数倍。,量化后的数值最后还需通过编码过程用一个代码表示出来。经编码后得到的代码就是A/D转换器输出的数字量。,量化（归一，小数变整数）,3.编码,23,在量化过程中由于所采样电压不一定能被整除，所以量化前后一定存在误差，此误差我们称之为量化误差，用表示。,量化误差属原理误差，它是无法消除的。A/D转换器的位数越 多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。,两种近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。,4.量化误差：量化前的电压与量化后的电压

10、差,5.量化方式,24,a ) 只舍不入量化方式:量化中把不足一个量化单位的部分舍弃； 对于等于或大于一个量化单位部分按一个量化单位处理。,最大量化误差为：,最小量化单位,1/8V,=1LSB=,1/8 V,例：将01V电压转换为3位二进制代码,25,b )四舍五入量化方式:量化过程将不足半个量化单位部分舍弃， 对于等于或大于半个量化单位部分按一个量化单位处理。,最大量化误差为：,最小量化单位：,=1LSB=,2/15 V,1/15V,例：将01V电压转换为3位二进制代码,26,1.并行比较型A/D转换器,电压比较器,输入模拟电压,精密电阻网络,精密参考电压,VREF/15,3VREF/15,

11、7VREF/15,9VREF/15,11VREF/15,5VREF/15,13VREF/15,输出数字量,8.2.2 A/D转换器电路,27,VI=8VREF/15,1,1,1,1,0,0,0,0 0 1,28,vI CO1 CO2 CO3 CO4 CO5 CO6 CO7 D2 D1 D0,7VREF/15 vI 9VREF/15 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0,9VREF/15 vI 11VREF/15 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1,5VREF/15 vI 7VREF/15 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1,3VREF /15 vI 5VREF/15 0 0 0 0

12、0 1 1 0 1 0,11VREF/15 vI 13VR/15 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0,13VREF/15 vI VREF/15 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1,VREF/15 vI 3VREF/15 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1,0 vI VREF/15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与各比较器输出状态的关系。比较器的输出状态由D触发器存储，经优先编码器编码，得到数字量输出。,29,3、电路特点：,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

13、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。,30,2.逐次比较型A/D转换器,逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似 。,转换原理,所用砝码重量：8克、4克、2克和1克。 设待秤重量Wx = 13克。,31,第一个CP：,32,第二个CP：,33,第三个CP：,34,35,0

14、,4V,3.5V,4.9V,0,例：vI(t)=4.9V,G3 G2 G1,Rd,Q3 Q2 Q1,G4 G5 G6,D2 D1 D0,3位码D/AC电路,0 0 0,36,6V,5.5V,0,第二个时钟脉冲到来时。,1,0 0 0,1,第三个时钟脉冲到来时。,0,第五个时钟脉冲到来时。,1 0 1,5V,4.5V,G4、G5、G6门开，Q3、Q2、Q1数据传出。,37,小结：,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；,38,3.双积分式A/D转换器,（

15、1）双积分式A/D转换器的基本指导思想,对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到相应的数字量输出。双积分式A/D转换器也称为电压时间数字式积分器 。,39,（2）电路组成,40,0,Cr信号将计数器清零；开关S2闭合，待积分电容放电完毕后，断开S2 使电容的初始电压为0。,（3）工作原理,准备阶段：,41, 第一次积分：,42,VREF加到积分器的输入端，积分器反方向进行第二次积分；当t=t2时积分器输出电压O0，比较器输出C=0，时钟脉冲控制门G被关闭，计数停止。, 第二次积分：,43,T1=2nT

16、C,T2=Tc,T2=t1 t2,在计数器所计的数=Qn-1Q1Q0，就是A/D转换器得到的结果。,44,优点：,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。,T1=2nTC,3. 只要求时钟源在一个转换周期时间内保持稳定即可。,45,1.转换精度,8.2.3 A/D转换器主要参数,单片集成A/D转换器的转换精度是用分辨率和转换误差来描述的。,分辨率:,说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。通常以输出二进制(或十进制)数的位数表示。,转换误差：,表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字 量之间的差别。,46,2.转换时间,指A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。 A/D转换器的转换时间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高 , 逐次比较型A/D转换器次之 , 间接A/D转换器(如双积分A/D)的速度最慢。,47,