数模与模数转换器.ppt

第7章 数模与模数转换器,数模转换即将数字量转换为模拟电量(电压或电流)，使输出的模拟电量与输入的数字量成正比。,实现数模转换的电路称数模转换器,Digital - Analog Converter，简称 D/A 转换器或 DAC。,模数转换即将模拟电量转换为数字量，使输出的数字量与输入的模拟电量成正比。,实现模数转换的电路称模数转换器,Analog - Digital Converter，简称 A/D 转换器或 ADC。,一、数模和模数转换的概念和作用,为何要进行数模和模数转换？,二、数模和模数转换器应用举例,7.1 D/A转换器,主要要求：,了解数模转换的基本原理。,了解常用 D/A 转换器的类型和主要参数。,了解 权电阻网络D/A转换器，T 形电阻网络 D/A 转换器的电路与工作原理。,7.1.1 D/A转换器的原理,输出模拟电压 uO = D = (Dn-1 2n-1 + Dn-2 2n-2 + + D1 21 + D0 20 ),可见，uO D，uO 的大小反映了数字量 D 的大小。,LSB Least Significant Bit,输入数字量 D = (Dn-1 Dn-2 D1 D0 ) 2 = Dn-1 2n-1 + Dn-2 2n-2 + + D1 21 + D0 20, 是 DAC 能输出的最小电压值，称为 DAC 的量化单位，它等于 D 最低位(LSB)为 1、其余各位均为 0 时的模拟输出电压(用 ULSB 表示)。,2.数模转换器的构成,图7-2 n位D/A转换器方框图,7.1.2 D/A转换器主要的几种电路实现形式,1.二进制权电阻网络D/A转换器,图7-3 4位二进制D/A转换器方框电路图,优缺点： 1. 优点：简单 2. 缺点：电阻值相差大，难于保证精度，且大电阻不宜于集成在IC内部,2. T形电阻网络 D/A转换器,T形电阻网络 D/A转换器电路,输出： 其中： 为任意值时D点的电压值： 取：,T形电阻网络 D/A转换器特点,3. R-2R倒T形电阻网络D/A转换器,图7-6 R - 2R 倒 T 形电阻网络 D/A转换器电路组成图,模拟开关 Si 打向“1”侧时，相应 2R 支路接虚地；打向“0”侧时，相应 2R 支路接地。,3. R-2R倒T形电阻网络D/A转换器,图7-6 R - 2R 倒 T 形电阻网络 D/A转换器电路组成图,从 A、B、C 节点向右看去，各节点对地的等效电阻均为 2R。,电路特点：,解码网络仅有R和2R两种规格的电阻，这对于集成工艺是相当有利的； 这种倒T形电阻网络各支路的电流是直接加到运算放大器的输入端，它们之间不存在传输上的时间差，故该电路具有较高的工作速度。因此，这种形式的D/A目前被广泛的采用。,7.1.3 D/A转换器的技术指标,1. 分辨率,指 D/A 转换器模拟输出所能产生的最小电压变化量与满刻度输出电压之比。,例如，一个 10 位的 DAC，分辨率为 0.000 978。,DAC 的位数越多，分辨率值就越小， 能分辨的最小输出电压值也越小。,2. 转换精度与误差,指 DAC 实际输出模拟电压与理想输出模拟电压间的最大误差。,（1）造成转换误差的主要原因 ：,运算放大器的零点漂移 漂移误差,模拟开关的导通内阻和导通电压,电阻网络中的电阻值偏差等,非线性误差,参考电压 VREF的波动 比例系数误差,3. 建立时间,当DAC输入的数字量发生变化时，输出的模拟量需要延迟一段时间后才能达到对应的稳态值，如图示。,建立时间 tSet ：,输入由全0变为全1，输出电压与稳态值相差（LSB/2)所需的时间。,一般DAC的 tset 0. 1s 。,这个参数的值越小越好 ，,4.温度灵敏度 5.电源灵敏度 6.输出电平 7.转换输出信号的极性及形式 D/A转换器的输出信号有电流输出和电压输出两种形式。 对电流输出的D/A转换器，经常需要外接运放将电流转换为电压的形式输出。,7.2 A/D转换器,7.2.1 A/D转换器的工作原理,采样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。 保持：保持采样信号，使有充分时间转换为数字信号。 量化：把采样保持电路的输出信号用单位量化电压的 整数倍表示。 编码：把量化的结果用二进制代码表示。,(1)采样保持电路,(a) A/D的采样保持电路原理图 (b) 波形图 图7-11 A/D的采样保持电路原理图及信号波形图,(2)量化编码电路,量化方式和量化误差,只舍不入法 四舍五入法,最大量化误差 = = (1/8)V,最大量化误差 = /2 = (1/15)V,划分量化电平的两种方法,7.2.2 A/D转换器主要的几种电路实现形式,1.并联比较型A/D转换器,表7-1 ui为不同等级时寄存器的状态及相应的输出二进制数,2.逐次逼近型A/D转换器,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。,原理框图,基本原理,3位逐次逼近型A/D转换器,转换开始前，先使Q1=Q2=Q3=Q4=0，Q5=1，第一个CP到来后，Q1=1，Q2=Q3=Q4=Q5=0，于是FFA被置1，FFB和FFC被置0。这时加到D/A转换器输入端的代码为100，并在D/A转换器的输出端得到相应的模拟电压输出uo。uo和ui在比较器中比较，当若uiuo时，比较器输出uc=1；当uiuo时，uc=0。 第二个CP到来后，环形计数器右移一位，变成Q2=1，Q1=Q3=Q4=Q5=0，这时门G1打开，若原来uc=1，则FFA被置0，若原来uc=0，则FFA的1状态保留。与此同时，Q2的高电平将FFB置1。 第三个CP到来后，环形计数器又右移一位，一方面将FFC置1，同时将门G2打开，并根据比较器的输出决定FFB的1状态是否应该保留。 第四个CP到来后，环形计数器Q4=1，Q1=Q2=Q3=Q5=0，门G3打开，根据比较器的输出决定FFC的1状态是否应该保留。 第五个CP到来后，环形计数器Q5=1，Q1=Q2=Q3=Q4=0，FFA、FFB、FFC的状态作为转换结果，通过门G6、G7、G8送出。,工作原理,逐次逼近型A/D的特点,1、n位逐次渐近型A/D完成一次转换需进行n次比较，经n+2个时钟脉冲，即转换一次所需时间固定，为(n+2)Tcp，属于中速A/D。 2、由于转换所需时间不随输入的改变，可采用定时查询的方式读取转换结果。 3、电路简单，成本较低。 4、属于逐次渐近型转换方式的集成A/D有： ADC0801、ADC0809、AD571、AD5770等。,3.双积分型A/D转换器,双积分型A/D转换器逻辑电路图,双积分型A/D转换器优缺点,优点1：抗干扰能力强。积分采样对交流噪声有很强的抑制能力；如果选择采样时间为20ms的整数倍时，则可有效地抑制工频干扰。 优点2：具有良好的稳定性，可实现高精度。由于在转换过程中通过两次积分把和之比变成了两次计数值之比，故转换结果和精度与R、C无关。 缺点：转换速度较慢。完成一次A/D转换至少需要（ ）时间，每秒钟一般只能转换几次到十几次。因此它多用于精度要求高、抗干扰能力强而转换速度要求不高的场合。,7.2.3 A/D转换器的主要技术指标,1.分辨率 分辨率是指A/D转换器输出数字量的最低位变化一个数码时，对应输入模拟量的变化量。通常以ADC输出数字量的位数表示分辨率的高低，因为位数越多，量化单位就越小，对输入信号的分辨能力也就越高。 例如，输入模拟电压满量程为10V，若用8位A/D转换器转换时，其分辨率为10V/28316mV，10位的A/D转换器是16.76mV，而12位的ADC为2.44mV。 2.相对精度 相对精度表示A/D转换器实际输出的数字量与理论上的输出数字量之间的差别。通常以输出误差的最大值形式给出。 相对精度也叫转换误差或相对误差。相对精度常用最低有效位的倍数表示。 例如某ADC的相对精度为(1/2)LSB，这说明理论上应输出的数字量与实际输出的数字量之间的误差不大于最低位为的一半。,3.转换速度 完成一次A/D转换所需要的时间叫做转换时间，转换时间越短，则转换速度越快。双积分A/D的转换时间在几十毫秒至几百毫秒之间；逐次比较型A/D的转换时间大都在1050s之间；并联比较型A/D的转换时间可达10ns。,7.3 集成D/A、A/D转换器应用举例,7.3.1集成D/A应用举例,图7-18 集成 D/A 转换器 CDA7524原理框图,图7-19 CDA7524 的单极性输出应用电路图,图7-20 DAC0832的内部组成框图,2. D/A转换器DAC0832,图7-21 DAC0832中的D/A转换电路,图7-22 DAC0832的双极性工作电路,(a) 连线图 (b) 时序图 图 7-23 DAC0832双缓冲工作方式连续图和时序图,DAC0832的工作方式,ADC08016 逻辑电路,ADC08016引脚图,7.3 集成A/D应用举例,本章小结,D/A转换器和A/D转换器作为模拟量和数字量之间的转换电路，在信号检测、控制、信息处理等方面发挥着越来越重要的作用。 D/A转换的基本思想是权电流相加。电路通过输入的数字量控制各位电子开关，决定是否在电流求和点加入该位的权电流。倒T形电阻网络是应用较广的电路结构。 A/D转换须经过采样、保持、量化、编码四个步骤才能完成。采样、保持由采样保持电路完成；量化和