数字电子技术基础PPT第11章 数模与模数转换器.pptVIP

第11章 数模与模数转换器 数字信号转换成模拟信号或是模拟信号转换成数字信号是常用 的信号转换技术，在实际中有着广泛的应用。本章先介绍各种 数模转换器，然后介绍模数转换器，除介绍工作原理与转换器 技术参数外，还介绍几种实际的转换器 11.1 数模转换 数字（Digital）信号转换成模拟（Analog）信号，简称为D/A转换。在很多电 子系统中，D/A转换是不可缺少的重要组成部分，。 运算放大器符号与电路如图11-1所示。 11.1.1 权电阻D/A转换器 权电阻数/模转换器电路如图 11-2所示。图中开关分别受数 字信号D3D0控制，当数字 信号为1时，开关的动触点连 接VREF，数字信号为0时，开 关的动触点连接地线。 *11.1.2 输出电压型R/2R电阻网络D/A转换器 图11-5显示的是4位输出电压型R/2R梯形电阻D/A转换器电路。 使用的R/2R电 阻网络D/A转换 器电路如图11- 10所示 11.1.3 输出电流型R/2R电阻网络D/A转换器 图11-11所示是4位输出电流型R/2R电阻网络D/A转换器电路 11.1.5 D/A转换器的技术指标 1台阶电压 11.1.6 D/A转换器0832 1内部结构 该芯片的内部结构如图11-18所示。 1内部结构 该芯片的内部结构如图11-18所示，图中8位输入寄存器用8D触发器构成，常用于连接 单片机，接收单片机送来的数字信号；8位D/A转换寄存器也是用8D触发器构成的，该 寄存器接收输入寄存器送来的数字信号，锁存后直接送到8位D/A实现D/A转换； 双缓冲的第一个优点是，可以按照数据源的时序随时更新D/A转换器输入寄存器的数 据，第二个优点可以使一个系统中用一个触发信号同时更新多个D/A转换器输出的模 拟电压。 D/A转换器0832内部电路如图11-19所示 11.2 模数转换器 模拟（Analog）信号转换成数字（Digital）信号，简称为A/D转换。在很多系统中 ，A/D转换是不可缺少的重要组成部分，本节将介绍几种常用的A/D转换器。 *11.2.2 流水线型A/D转换器 11.2.3 双斜率A/D转换器 在数字仪表或其他测量仪器中，例如数字万用表，经常使用的模数转换器是双积 分A/D转换器。双积分A/D转换器原理框图如图11-29所示。 *11.2.4 -型A/D转换器 图11-34显示的是Delta-Sigma型A/D转换器原理框图。工作原理介绍如下。 从图中可以看出，它由逐次近似寄存器、D/A转换器和比较器组成。 如果在转换器的输入端加5.1 V的模拟电压，则工作过程如下。 逐次近似寄存器23位置位，同时D/A转换器的23位置1，D/A转换器输出8 V电压 ，由于比较器的反相端电压（8 V）高于同相端电压（5.1 V），所以输出低电平， 逐次近似寄存器中该位被复位，输出0000。 逐次近似寄存器22位置位，同时D/A转换器的22位置1，D/A转换器输出4 V电压 ，由于比较器的反相端电压（4 V）低于同相端电压（5.1 V），所以输出高电平， 逐次近似寄存器中该位被保留，输出0100。 逐次近似寄存器21位置位，同时D/A转换器的21位置1，这时D/A转换器的输入数 字量为0110，所以输出6 V电压，由于比较器的反相端电压（6 V）高于同相端电 压（5.1 V），所以输出低电平，逐次近似寄存器中该位被复位，输出0100。 逐次近似寄存器20位置位，同时D/A转换器的最低位（LSB）置1，这时D/A转换器 的输入数字量为0101，所以输出5 V电压，由于比较器的反相端电压（5 V）低于同相 端电压（5.1 V），所以输出高电平，逐次近似寄存器中该位被保留，输出0101。 当逐次近似寄存器的4位触发器都置过1以后，转换完成，这时逐次近似寄存器中存 有二进制数据0101，这就是5.1 V输入模拟电压的近似二进制数表示。 一个转换周期完成后，将逐次近似寄存器清零，开始下一次转换。 逐次比较式A/D转换器的转换时间取决于转换中数字位数n的多少，完成每位数字的 转换需要一个时钟周期，由前面分析可知，第n个时钟脉冲作用后，转换完成，所以 该转换器的转换最小时间是nTC，这里TC是时钟脉冲的周期。 11.2.6 A/D转换器的技术指标 1分辨率 3偏移误差 偏移误差是指理想转换直线原点与实际转换曲线原点之间的距离，该误差示意如图 11-38所示 。 由图可以看出，当A/D转换器的输入电压逐步增加，使A/D转换器输出数字从000跳 到001，这时的输入电压与1/2 LSB代表电压之差就是偏移误差，偏移误差可以通过 移动输入电压范围的方法消除。 5非线性误差 积分非线性、微分非线性与增益非线性等都是非线性误差，如果不详细区分误差原 因，则非线性误差是实际转换曲线与理想转换直线之间的最大纵向偏移。非线性误 差示意图如图11-40所示。 6绝对精度与相对精度 对于某A/D转换器输出的任何数字，其对应的实际模拟输入电压与理想模拟输入电 压之间差别的最大值称为绝对精度。 对应某A/D转换器输出数字的实际模拟输入电压与理想模拟输入电压之间差别的最 大值除以满度模拟输入电压称为相对精度。 7A/D转换器转换速率 A/D转换器的转换速率是每秒转换的次数，主要取决于转换器的类型，不同的转换 器的转换速率相差很多。 并联型与流水线A/D转换器的转换速率最快，如8位二进制数据输出的并联型A/D 转换器的转换速率可达50 ns以内。 逐次比较式A/D转换器的转换速率排第二，多数产品的转换速率都在10100 ms以 内。个别8位转换器转换时间小于1 ms。 双积分与Delta-Sigma型A/D转换器的转换速率很慢，一般在数十毫秒至数百毫秒 之间。 11.2.7 A/D转换器0804 A/D转换器0804是一个8位逐次比较式A/D转换器，该转换 器的符号如图11-41所示。 该转换器的主要参数： 电源电压为5 V，范围为4.56.3 V，极限为6.5 V。 分辨率为8位，在VREF/2=2.5 V时的最大不可调整误差 1LSB。 典型时钟频率为640 kHz，典型转换时间100 ms。 逻辑接口电平兼容TTL，灌电流能力1.6 mA，拉电流能 力360 mA。 芯片自带时钟发生电路（需要外接电阻和电容）。为与单 片机的总线进行连接，该芯片的数据输出端具有三态输出 功能。 *11.2.8 A/D转换器组成的数据采集系统 1数据采集系统的组成 A/D转换器常用于数据采集系统中，图11-44所示的就是数据采集系统框图。 2采样/保持电路 （1）采样定理 A/D转换器转换是需要时间的，在A/D转换过程中，需要A/D输入端的电压保持稳定 ，但是实际上输入信号经常是变化的，为在A/D转换期间保持输入到A/D转换器的输 入信号电压稳定，常采用的方法就是A/D转换与输入信号之间增加采样/保持电路。 每采样一次，实现一次A/D转换，因此采样时间反映了采集系统的实时性能，采样 时间由模拟信号频率、输入通道数和每个周期的采样数确定。 由奈奎斯特（Nyquist）采样定理，采样频率至少是输入信号最高有效频率的2倍。 实际中，通常取采样频率为信号频率的710倍。 在A/D转换器与模拟输入信号接通的时间（称为孔径时间）里，输入模拟信号值是 变化的，因此使转换结果包含孔径误差。就像用秤称东西时，当所称东西不断变化 ，无法称准一样。为消除孔径误差，需要在A/D转换器与输入模拟信号之间串联采 样/保持电路。若是输入信号变化缓慢，则可以不用采样/保持电路。 （2）基本的采样/保持电路 基本的采样/保持电路如图11-45所示。图中运放A接成电压跟随器，目的是提高输入 阻抗，减小输入电流。 图中S是由场效应管组成的模拟开关，CH是保持电容，A是缓冲放大器。当控制信号 VL为采样电平时，开关S导通，保持电容CH充电，这时输出电压VO跟随输入电压VIN变 化；当控制信号VL为保持电平时，开关S断开，保持电容CH保存输入电压VIN值，使放 大器输出电压VO等于S断开瞬间时的输入电压值。 采样阶段，电容CH电压达到稳定值所需要的时间称为捕捉时间，只有采样周期大于捕 捉时间，才能保证在采样阶段采集到输入模拟信号VIN。 保持阶段，输出电压VO的下降是由于流过电容CH的漏电流引起的，这些漏电流包括 缓冲放大器的输入电流、模拟开关的漏电流以及电容自身的泄漏电流。若要减少输出 电压VO的下降率VO/t，则要选择高输入阻抗的缓冲放大器、优质电容器与漏电流小 的模拟开关。 （3）实际的采样/保持电路 图11-46所示的是采样/保持芯片LF398内部结构图与应用电路。 图11-46（a）中，S是模拟开关，L是模拟开关S的控制电路，在输入VREF引脚接地 时，采样/控制引脚VL与TTL电平兼容。 在图11-46（b）中，若CH为0.01 mF的低泄漏电容时，电压下降率为10-3mV/s。 3多通道模拟信号采集 如图11-47所示，多路模拟开关用于实现“多选一”，就是输入为多路模拟信号，只 有一个公共输出端连接采样保持器或是A/D转换器。 实际的多路模拟开关CD4051： CD4051是8通道输入、单公共通道输出的模拟开关，具有3位二进制数据通道选择端 和使能控制端。当电源信号范围（VDDVSS）为315 V时，模拟信号范围（VDD VEE）可达15VP-P，例如VDD=5 V，VSS=0 V，VEE=-5 V，则数字信号为05 V，模拟 信号范围为-5 V+5 V。 CD4051模拟开关的内部结构如图11-48所示。 CD4051的导通电阻RON、信号电压VIS与电源电压之间的关系如图11-49所 示。可以看出电源电压越高，导通电阻不仅平坦而且小。 图11-49 CD4051的导通电阻RON、信号电压VIS与电源电压之间的关系图 4集成多路A/D转换器0809 （1）A/D转换器0809的内部逻辑结构 A/D转换器0809内部结构方框图如图8-50所示，是由一个8路模拟开关、一个地址锁 存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模 拟通道，允许8路模拟量分时输入，公用A/D转换器进行转换。三态输出锁存器用 于锁存A/D转换器输出的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取 走转换完的数据。 A/D转换器0809具有如下主要特性： 时钟频率：在101280 kHz之间，典型值为640 kHz。 转换时间：在时钟为640 kHz时，转换时间为90 116 ms之间； 工作电源电压VCC：+5 V； 正参考电压VREF+：+5 V； 负参考电压VREF-：0 V； 模拟电压输入范围：单极性05 V； 最大不可调整误差：1LSB； 逻辑电平兼容TTL/CMOS； 功耗：15 mW； 封装：引脚28双列直插。 a）8个模拟量输入通道IN7IN0。 A/D转换器0809对输入模拟量要求：模拟量VIN为单极性， 其电压范围与参考电源有关，若是参考电压为5 V，则电压 范围也可达到5 V。 b）地址选择信号。 高电平有效的地址锁存控制信号ALE。当ALE线为高电平 时，地址锁存与译码器将ADD A、ADD B、ADD C三条地 址线的地址信号进行锁存。 c）8条数字量输出线：D7D0。 d）控制信号。 START为转换启动信号。 EOC为转换结束信号。 OE为输出允许信号。 CLK为时钟输入信号。典型使用频率为640 kHz。 参考电压VREF（）、VREF（）与输出数字N、输入信号VIN 之间的关系为： 若是VREF（）接地，则有 （4）A/D转换器0809实验电路 A/D转换器0809实验电路如图11-53所示。 5采集系统的增益估算 ，图11-54所示的数据采集系统，由压力传感器、运放和A/D转换器组成。 其中压力传感器测量力的范围为200 kg，传感器输出信号为020 mV，信号调理电 路的放大倍数为250倍，A/D转换器输入信号范围为05 V，采用8位A/D转换器。 压力传感器由测力电桥构成，其灵敏度为2 mV/V，若是传感器电源电压为10 V， 则传感器输出电压为20 mV，增益KC为20 mV/200 kg=0.1 mV/kg。 信号调理放大器A的输入为传感器的输出，若输入电压为20 mV，输出电压为5 V， 则放大倍数KA=250倍。 实际上采集系统各部分的增益都不是很准的，常需要现场调节总增益。另外对于 输入压力为0时的A/D转换器输出数字也常不是0，因此采集系统还需要校零。 校零：使传感器处于0压力，然后调节传感器、放大器以及A/D转换器中任何一个 环节的零点，则可以校正总采集系统的零点。通常在放大器环节容易调节。 校准增益：使传感器处于满压力200 kg，然后调节传感器、放大器与A/D转换器中 任何一个环节的增益，使A/D转换器输出为数字255，则表明总增益正确。若是调 节增益后，