《数模和模数转换》PPT课件.ppt

第 十一 章,数模和模数转换 习题:11.1; 11.2; 11.3; 11.6; 11.7; 11.13; 11.14,教学内容,11.1 概述 11.2 D/A转换器 11.3 A/D转换器,教学要求,1、掌握DAC和ADC的定义及应用； 2、了解DAC的组成、倒T型电阻网络、集成D/A转换器、转换精度及转换速度； 3、了解ADC组成、逐次逼近型A/D转换器、积分型A/D转换器、转换精度及转换速度。,11.1 概述,模数转换（A/D转换）：将模拟信号转换为数字信号。实现A/D转换的电路称为A/D转换器，简写为ADC(Analog-Digital Converter),数模转换（D/A转换）：将数字信号转换为模拟信号。实现D/A转换的电路称为D/A转换器，简写为DAC(Digital-Analog Converter),例如：对于0 5V的直流电压，计算机用8位数字量来描述时： 最小值（00000000）B = 0对应0V， 最大值（11111111）B = 255 对应 5V， 中间值（01111111）B = 127 对应2. 5V 等 D/A的任务是接收到一个数字量后，给出一个相应的电压。比如收到（00111111）B ，应给出幅度为1.25V 的电压。,11.2 D/A转换器,将数字信号转换为模拟信号的电路。,电阻网络,模拟电子开关,求和放大器,参考电压,一、权电阻网络D/A转换器,集成运放通过RF接入负反馈，有虚短，V-V+=0,取RF=R/2,n位权电阻网络D/A转换器，当反馈电阻取为R/2时，输出电压的计算公式：,输出电压的变化范围:,优点：结构简单，所用的电阻元件数很少。,缺点：各电阻的阻值相差较大，不能保证有很高的精度。,二、倒T形电阻网络D/A转换器,电阻网络,模拟电子开关,求和放大器,由于V-V+=0,所以开关S合到哪一边，都相当于接到了“地”电位，流过每条电路的电流始终不变。可等效为：,取RF=R,n位输入的倒T形电阻网络D/A转换器，当反馈电阻取为R时，输出电压的计算公式：,优点： （1）只有R和2R两种阻值的电阻，可达到较高的精度； （2）各支路电流恒定不变，在开关状态变化时，不需电流建立时间，所以电路转换速度高，使用广泛。,CB7520电路原理图,三、权电流型D/A转换器,恒流源,恒流源模型：,只要电路工作时保证VB和VEE稳定不变，则三极管的集电极电流即可保持恒定，不受开关内阻的影响。,为减少电阻阻值的种类，在实用的权电流型D/A转换器中，经常利用倒T形电阻网络的分流作用产生一组所需的恒流源。,按比例加大发射结的面积,DAC0808电路结构框图,16（COMP）外接补偿电容端,已知VREF=10V,四、具有双极性输出的D/A转换器,表11.2.1 输入为3位二进制补码时要求D/A转换器的输出,表11.2.2 具有偏移的 D/A转换器的输出,数字输入Dn=100时，要求输出Vo=0，即IR=0 , VB/RB=i=- VREF Dn /(23R)= - VREF 22/(23R)= - VREF /2R VREF 与VB的极性应相反，符合极性要求时，由下式得VB、RB VB/RB=i=VREF /2R,11.2.4 开关树型D/A转换器（了解）,若d2d1d0=011 有用路：3/8VREFS01S11S20Vo Vo=3/8VREF,11.2.5 权电容网络D/A转换器（了解）,五、D/A转换器的主要参数,（1）分辨率：D/A转换器理论上可达到的精度。,1.D/A转换器的转换精度,分辨率也可用D/A转换器能够分辨出来的最小输出电压与最大输出电压(FSR)的比值来表示。10位D/A转换器的分辨率为：,分辨率可以用输入二进制数码的位数给出。,（2）转换误差：D/A转换器实际上能达到的转换精度。 可以用输出电压满刻度值(FSR)的百分数表示，也可用最低位有效值的倍数表示。,如：转换误差为0.5LSB，表示输出模拟电压的绝对误差等于当输入数字量的LSB1时，其余各位均为0时输出模拟电压的一半。,转换误差可分为静态误差和动态误差。产生静态误差的原因是基准电源不稳定、运放的零点漂移、模拟开关导通时的内阻和压降及电阻网络中阻值的偏差等；动态误差则是在转换的动态过程中产生的附加误差。,（1）建立时间tset：指输入数字量各位由全0变为全1或由全1变为全0时,输出电压达到某一规定值所需要的时间。通常建立时间在100 ns 几十s之间。,2.D/A转换器的转换速度,（2）转换速率SR：指输入数字量各位由全0变为全1或由全1变为全0时，输出电压的变化率。,11.3 AD转换器,0 5V,00000000 11111111,一、A/D转换的基本原理,取样保持,取样是对模拟信号进行周期性地抽取样值的过程，就是把随时间连续变化的信号转换成在时间上断续、在幅度上等于取样时间内模拟信号大小的一串脉冲。,取样定理：fs2fi(max),输入模拟信号的最高频率分量的频率,取样频率,量化编码,将取样保持电路的输出电压，按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上，这一转化过程称为数值量化，简称量化。,量化后的数值最后还须通过编码过程用一个代码表示出来，这一过程称为编码。,最大量化误差为，即18V,最大量化误差为1/2，即115V,取,取,对双极性模拟电压的量化和编码,二进制补码的形式编码,11.3.2 取样 - 保持电路 取样保持电路的电路图如下所示：,工作原理：VL取样控制信号，利用Ch上有Vc并保持一段时间。 当VL为高电平时，N沟道管T导通，VI经Ri、T对Ch充电， Vc升至为VI，Vo= - Vc = -VI。（ 设Ri=Rf) 当VL返回为低电平时，MOS管截止， Ch上有Vc并保持在一段时间内基本不变， Vo保持不变，取样结果被保存下来。,集成取样-保持的步骤：（1）采样时，使UL为高电平，S闭合，UO=UI，此时，UCh=UI。,（2）采样结束时，S断开，由于A2的输入阻抗很高，Ch上的电压基本保持不变,（3）当下一个采样控制信号到来后，S又闭合，电容Ch上的电压又跟随此时的输入信号UI而变化。,衡量取样保持性能的两个重要指标： 1）获取时间：Vch达稳定值的时间。小好。CH容量小，取样时间小。 2）保持阶段输出电压的下降率Uo/ T 。小好。CH容量大、漏电小，保持阶段输出电压的下降率小，（但取样时间大）。两个指标都好，矛盾。,A/D转换器的分类： A/D转换器的种类很多，但从转换过程看可以分为两大类： 并联比较型 A/D转换器 直接型 反馈比较型 计数型 逐次渐近型 间接型 电压时间变换（U-T）型积分型 电压频率变换（U-F）型 直接型特点：工作速度高，调整较方便。 间接型特点：速度较慢，但精度可以做得较高，且抗干扰性强。,二、直接A/D转换器,并联比较型,电路性能及主要参数：转换精度：主要取决于量化电平的划分， 越小，精度越高，也受VREF稳定度和分压电阻的相对精度及比较器灵敏度影响。但越小，比较器、触发器数目增多。 并联ADC最大优点是转换速度快。输出8位的并联ADC，转换时间50ns以下。,并联ADC,电路可不附加取样保持电路，比较器和寄存器兼有取样保持功能。 缺点：比较器多，触发器多，位数多时，急剧膨胀。n位二进制代码出，触发器2n-1个，寄存器2n-1个，组合逻辑电路也变大。,二、反馈比较型ADC（有计数型和逐次渐近型） 1）计数型,组成：电压比较器C、DAC、计数器、脉冲源、控制门G、输出 寄存器 工作原理：1）起始状态，VL=0，CP=0（无上升沿），G被VL封锁，计数器不工作，计数器出全0DACV0=0。,2）若VI0，比较器C的VB出1，且VL为高电平，CP= VB x VL x脉冲源=1x1x脉冲源，CP=脉冲源，计数器作计数工作， 出QnQn-1Qn-2Q1DACV0。若 V0 = VI ， VB =0，CP=0，脉冲源无法入G门，即G门被封锁，或说CP=1，无上升沿，计数器停，这时计数器中所存的数字就是所求的输出数字信号。,计数型ADC最大优点是电路简单、原理简单。输出n位的二进制数码时，最长的转换时间可达成2n-1倍的Tcp，转换时间长，对转换速度要求不高的场合才使用。 要提高速度，可采用逐次渐近ADC改善。,反馈比较型：,2、逐次比较型AD转换器,其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四个砝码共重15克，每个重量分别为8、4、2、1克。设待秤重量Wx = 13克，可以用下表步骤来秤量：,转换开始前先将所有寄存器清零。开始转换以后，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，故将最高位的1清除；若ui uo，说明数字还不够大，应将这一位保留。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。,注意：为减小量化误差，令D/A转换器的输出产生-/2的偏移量。图中用外加- /2的办法实现。 表示D/A转换器最低有效位输入1所产生的输出模拟电压大小，是模拟电压的量化单位。,534页图11.3.10 3位逐次渐近型A/D转换器的电路原理图 FF1、FF2至FF5环形移位寄存器负责在CP脉冲源的作用下产生10000至00001的砝码；FA、FB、FC三个触发器组成3位数码寄存器；门电路G1G9与FF1、FF2至FF5共同组成控制逻辑电路。工作过程同图9.3.9一样。,FF1、FF2至FF5环形移位寄存器负责在CP脉冲源的作用下产生10000至00001的砝码；FA、FB、FC三个触发器组成3位数码寄存器；门电路G1G9与FF1、FF2至FF5共同组成控制逻辑电路。,结论：3位A/D转换器转换完成用了5个CP脉冲，n位A/D转换器用n+2个脉冲。它的转换速度比并联比较型A/D转换器低，但比计数型A/D转换器的转换速度要高得多。例如，一个为10位的计数型ADC完成一次转换的最长时间可达（210-1）TCP; 用渐近型ADC完成一次转换的时间仅需12 TCP ，而且，在输出位数较多时，逐次渐近型ADC的电路规模比并联比较型小得多。 优点：精度高，转换速度快，转换时间固定，简化了与计算机同步的电路，所以常常用作微机接口。逐次渐近型ADC是目前集ADC产品中用得最多的一种。,常用的A/D转换器芯片有ADC0809、ADC0804、AD574A（略） 仅介绍ADC0890。CMOS器件，除了有8位A/D转换器外，还有8路模拟开关以及地址锁存与译码，有三条地址输入线ADDA、ADDB、ADDC，可决定选通一路，该芯片内还有便于与微机数据总线连接的三态输出锁存器。,UI3 UI4 UI5 UI6 UI7 START EOC D3 OE CLK VCC +VREF GND D1,UI2 UI1 UI0 ADDA ADDB ADDC ALE D7 D6 D5 D4 D0 -VREF D2,ADC0890,（略）,三、间接A/D转换器,双 积 分 型,又称为电压时间变换型（VT变换型）,首先使积分电容C完全放电。,固定时间积分,反方向积分,第一步，对输入模拟电压进行固定时间T1积分;第二步，对基准电压进行反向积分，使电容放电，放光为止（即vo=0）。对反向放电时间计数，它与输入幅度成正比。,关系对应：模拟电压UI大积分电压大积分电压放电时间长计数大。,T1内VI对C定时积分，T2定速放电， T2内定频计数,2、工作原理 1)转换前，VL=0，计数器清零，开关S0接通，Vc=0。 VL=1，转换开始，S1闭合在VI ，S0断开 1）VI对C积分，固定时间T1 ， VI数值大， Vc数值大， Vo= - T1 VI/（RC） 数值上Vo与VI成正比。 2）令S1接通至- VREF ，C放电（反向充电），Vc的数值减小至0时对应时间T2 。 T2=T1VI/ VREF，数值上VI与T2成正比。 计数器在T2时间内计数， T2与D成正比，即D与VI成正比，输出D= T2 /T1=T1VI/TCVREF 取T1=NTC D=NVI/VERF,3、双积分控制逻辑电路,图11.3.13的工作过程,1）初始化：令US=0。则Fn-1F n-1.F1F0FC=00000；D1=1，计数器不工作；D2=1，开关S0闭合使积分电容充分放电；由于QC=0，使开关S1接至ui一侧。 2）第一次积分阶段采样阶段。也叫定时积分。 令US=1，则D2=0开关S0断开；D1=/cp。积分器在固定时间T1内进行积分， T1 =2nTc，在T1固定的条件下积分器的输出电压Vo与输入电压Vi的数值成正比。 3）第二次积分。开关S1接至-UREF，积分器开始反向积分，计数器又从零开始计数，经过时间T2后积分电压回升到0，比较器输出uc为低电平，将门D1封锁，停止计数，转换结束。,优点：具有较强的抗干扰能力，体现在以下两个方面。 1、采用了测量输入电压在采样时间T1内平均值的原理，因此对于周期等于T1或T1 /n的对称干扰，从理论上讲具有无穷大的抑制能力。 在工业系统中，当选择T1为20ms的整数倍时，如T1 =40ms，因为50Hz工频干扰信号的周期为20ms，满足T1 /n的要求，可很好地抑制工频干扰。,2、因为两次积分采用同一积分器完成，所以转换结果及精度与积分器的参数R、C等无关，同时电路比较简单。 缺点：工作速度较低，一般为几十ms左右，常用在要求速度不高的场合，如数字式仪表等。,二、V-F变换型A/D转换器 组成及原理：VCO：VI与fout成比例 寄存器：暂寄计数信息（避免转换过程的数字跳动），并行数字输出D 计数器：在TG时间内（定时），按fout频率控制计数器的f(cp)以达到控制（固定频率）计数大小目的， fout大时计数大，计数结果与VI成比例，反映输出。 时钟信号控制闸门G：VG是固定宽度TG的脉冲信号。,特点：优：VCO是调频信号出，抗干扰能力强，V-F变换型ADC适用于遥控系统中应用。 缺：转换速度较低，转换精度受VCO的线性度和稳定度的影响，VCO难构成高精度A/D转换器。转换精度还受计数器容量影响，容量大时转换误差小，但这时速度慢。,11.3.5 A/D转换器的转换精度与转换速度 一、A/D转换器的转换精度 分辩率：输出二进制或十进制的位数表示。 n位ADC能区分输入模拟电压的2n个不同等级大小，能区分输入电压的最小差异为1/2nFSR（称满量程输入的1/2n）。 例：10位ADC，VI=5V，ADC输出能区分输