《数模与模数转换器》PPT课件.ppt

D/A转换器,把数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器，简称D/A转换器,一、到T形电阻网络D/A转换器,Di=1时，Si接运算放大器的反相端,Di=0时，Si接地,优点：较高转换速度,二、集成D/A转换器-介绍AD7533,AD7533内部电路,CMOS模拟开关电路,三、权电流型D/A转换器,权电流型D/A转换器的原理电路,目的：提高转换精度,1、权电流型D/A转换器原理,2、实际的权电流D/A转换器电路,四、D/A转换器的输出方式,大多数D/A转换器芯片输出量为电流，若转换成电压，须外接输出电路,1、单极性反相输出,2、单极性同相输出,单极性D/A转换器中，数字量D无极性,3、双极性输出D/A 转换器,当D为有极性数字量时，也应转换为正、负极性的模拟量,双极性D/A转换常用的编码有： （1）偏移二进制码；（2）2的补码；（3）符号数值码（符号位加数值码）,偏移二进制码形式,实现该表的电路该怎么连?,8位偏移二进制码编码形式及模拟量输出,将单极性8位D/A转换器的输出电压减去80H所对应的模拟量VREF/2就可得到极性正确的偏移二进制码输出电压,2的补码形式,比较表中2的补码与偏移二进制码发现:只要将8位2的补码加80H,并舍弃进位即可得偏移二进制码。实现2的补码加80H很简单,只需将高位求反即可。,由此可得到采用2的补码输入的8位双极性输出D/A转换电路,五、D/A转换器的主要技术指标,1、分辨率 分辨率通常用D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压的比值来表示。如：10位D/A转换器的分辨率为：,分辨率反映了D/A转换器分辨输出最小模拟电压的能力。输入数字量位数愈多，分辨模拟电压的能力愈强，即分辨率愈高。所以实际中，分辨率也可用输入二进制数的有效位数表示。如：10位D/A转换器，其分辨率为10位。,分辨率表示D/A转换器在理论上可达到的精度,2、转换精度 由于DAC中各元件参数值存在误差，基准电压不够稳定和运算放大器的零漂等各种因素的影响，使得D/A转换器实际输出的模拟量与理想值之间存在误差，因而，将这些误差的最大值定义为转换精度。转换误差有比例系数误差、失调误差和非线性误差等。,比例系数误差 是指实际转换特性曲线的斜率与理想特性曲线斜率的偏差。 如：在n位倒T型电阻网络D/A转换器中，当VREF偏离标准值VREF时，就会 在输出端产生误差电压Vo,可见，由VREF引起的误差属于比例系数误差。,失调误差 由运算放大器的零漂引起，其大小与输入数字量无关。该误差使输出电压的转移特性曲线发生平移,非线性误差 是一种没有一定变化规律的误差，一般用在满刻度范围内，偏离理想的转移特性的最大值来表示。引起原因较多，如，模拟开关压降、阻值等,2、转换速度,通常用建立时间和转换速率两个参数来描述D/A转换器的转换速度,建立时间指输入数字量变化时，输出电压变化到相应稳定电压值所需时间。一般用D/A转换器输入数字量NB从全0变为全1，输出电压达到规定的误差范围（LSB/2）时所需时间表示,转换速率用大信号工作状态下，模拟电压变化率表示,3、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。一般用满可度 输出条件下温度每升高1C，输出电压变化的百分数作为温度系数,六、D/A转换器的应用,数字式可编程增益控制电路,脉冲波产生电路,A/D转换器,把模拟信号转换为数字信号的电路成为模数转换器，简称A/D转换器,一、A/D转换的一般工作过程,A/D转换一般要经过取样、保持、量化、编码4个过程,1、取样与保持,取样是将时间连续变化的模拟量转换为时间离散的模拟量,取样定理：设取样信号S(t)的频率为fs，输入模拟信号vI(t)的最高频率分量的频率为fimax，则fs与fimax必须满足下面的关系 fs 2fimax,将取样电路每次取得的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值，每次取得的模拟信号必须通过保持电路保持一段时间,取样保持电路,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uo跟随ui变化，即uoui。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uo维持不变。,2、量化与编码,量化就是将取样保持电路的输出电压，按指定要求划分成某个最小量化单位（用S表示）的整数倍。,编码就是把量化的数值用二进制代码表示，这个二进制代码就是ADC的输出。,在量化过程中，取样保持电路的输出电压不一定能被S整除，只能接近某一量化电平，产生量化误差，属于原理误差，无法消除。,量化方法有两种：一种是只舍不入法；另一种是有舍有入法,量化 输入模拟电压,编码 输出二进制代码,只舍不入法 量化与编码的关系,量化单位:,最大量化误差为s，即1/8V,或 max =1LSB,量化 输入模拟电压,编码 输出二进制代码,有舍有入法 量化与编码的关系,量化单位:,最大量化误差为s/2，即1/15V,或 max =LSB/2,有舍有入法较只舍不入法量化误差小，是因为它把每一个二进制代码所表示的模拟电压值规定为它所对应的模拟电压范围中心的缘故,例：已知取样保持电路在某一时刻的输出电压为1.4V，量化编码电路的量化单位S=0.5V，采用三位二进制数编码。问 （1）用只舍不入法，输出数字量D=d2d1d0=? （2）用有舍有入法，输出数字量D=d2d1d0=?,解：已知u0=1.4V，S=0.5V，所以,（1）因为2.0Suo3.0S，uo量化取值2S，所以输出数字量D=d2d1d0=010,（2）因为2.5Suo3.5S，uo量化取值3S，所以输出数字量D=d2d1d0=011,当 时比较器C7C1输出状态为0，在CP作用下，各状态保存在由D触发器构成的寄存器中，经优先编码器（优先级别最高I7,最低I1)编码输出数字量000; 当 时C7输出1,C6C1输出为0，输出数字量为001; 依此类推,二、并行比较型A/D转换器,组成,电阻分压器,电压比较器,寄存器,编码器,三、逐次比较型A/D转换器,3位逐次逼近型A/D转换器,相关逻辑表达式：,SA=Q1 RA=ucQ2,SB=Q2 RB=ucQ3+Q1,SC=Q3 RC=ucQ4+Q1,d2=QAQ5 d1=QBQ5 d0=QCQ5,各触发器同步触发,设3位D/A转换器输出：,设待转换模拟量（以该值为例分析其工作过程）：,首先置各触发器状态为：,QAQBQC=000,Q1Q2Q3Q4Q5=10000,第1个CP脉冲作用前：,SA=Q1=1 RA=ucQ2=0,SB=Q2=0 RB=ucQ3+Q1=1,SC=Q3=0 RC=ucQ4+Q1=1,d2=QAQ5=0 d1=QBQ5=0 d0=QCQ5=0,第1个CP脉冲作用后：,QAQBQC=100,Q1Q2Q3Q4Q5=01000,d2d1d0=000,因为,所以,SA=0 RA=1; SB=1 RB=0; SC=0 RC=0,第2个CP脉冲作用后：,QAQBQC=010,Q1Q2Q3Q4Q5=00100,d2d1d0=000,第3个CP脉冲作用后：,QAQBQC=011,SA=0 RA=0; SB=0 RB=0; SC=1 RC=0,d2d1d0=000,第4个CP脉冲作用后：,QAQBQC=011,Q1Q2Q3Q4Q5=00001,d2d1d0=011 输出数字量（转换结果）,第5个CP脉冲作用后：,电路返回到初始状态Q1Q2Q3Q4Q5=10000，输出数字信号d2d1d0消失,Q1Q2Q3Q4Q5=00010,SA=0 RA=0; SB=0 RB=0; SC=0 RC=0,基本原理：在某一固定时间内对输入模拟电压求积分，首先将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后，再利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，得到与输入模拟量对应的数字量输出。,原理电路,四、双积分式A/D转换器,工作原理,（1）准备阶段,计数器清零；开关S2闭合，待积分电容C放电完毕后，再使S2断开,（2）第一次积分阶段,在转换开始时（t=0)，开关S1接通ui，积分器从0V开始对正ui积分积分器输出电压为：,同时由于uo0,则C0=1打开G门，计数器对时钟脉冲CP进行计数，经时间T1=2nTC后，计数器计满2n个CP脉冲，返回0状态，并送出溢出信号使S1接通-VREF。第一次积分结束，对应时间T1，积分器输出电压,（3）第二次积分阶段,在t=T1时，积分器在第一次积分的基础上，对-VREF进行反向积分，计数器从0开始计数。当积分器输出电压上升到uo0时，C0=0，关闭G门，计数器停止计数。第二次积分时间T2=t2-t1，这是输出电压uo(t2)=0,所以,设在T2时间内，计数器计的脉冲个数为，那么T2=TC,可见，计数器所计数，与在取样时间T1内输入电压的平均值ui成正比，只要uiVREF，转换器就能正常地将输入模拟电压转换为数字量。,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,uo,Co,Go,t2,t,t,t,0,0,0,T1,T2,T1,T2,双积分A/D转换器波形,t1,五、A/D转换器的主要技术指标