[课件资料]第十一章 数-模和模-数转换

第十一章数-模和模-数转换,第十一章数-模和模-数转换,温度,压力,速度,等模拟量参数,传感器,A/DC,数字处理系统微型计算机,D/AC,驱动器,线性转换,对象,数模转换器:将数字信号(Digital)转换为模拟信号(Analog)的电路,D/AC,模数转换器:将模拟信号(Analog)转换为数字信号(Digital)的电路,A/DC,模拟信号,数字信号,11.1概述,性能参数：转换精度和转换速度转换精度和转换速度,本章重点：数模和模数转换的原理，以及数模转换器的应用,求和放大器（运算放大器）,近似看成理想放大器；输入电流为零（输入电阻为无穷大）输出电阻为零。V+V-时，VO为正。V+V-时，VO为负,反相输入端,同相输入端,11.2.1权电阻网络D/A转换器,11.2D/A转换器,权电阻网络,模拟开关,求和放大器,负反馈,参考电压,输入V-电流为零,n位的权电阻网络D/A转换器,大多数D/A转换的转换公式！,y=kx,D/A转换的本质：就是建立了数字量与模拟量之间一一对应的正比例关系！,计算电压vO(取RF=R/2)例1：对4位DAC，若输入d3d2d1d0=0110,VREF=10V，例2：对8位DAC，若输入D=10011011,VREF=-10V，,则输出vO=-10*(6)/16=-3.75(V),则输出vO=-(-10*(155)/256=6.046875(V),权电阻网络D/AC优点：1.电路结构简单，电阻元件数少缺点：1.电阻阻值相差太大，不便于集成2.难以保证精度,需要改进电路结构！,双级权电阻网络D/AC,11.2.2倒T型电阻网络D/A转换器,电阻网络特点：任意端口向左看的等效电阻皆为R。,流过每个支路的电流始终不变！,虚地,Si(i=03):-接V+(di=0)-接V-(di=1),倒T形电阻网络DAC特点：1.电阻种类少（R和2R），便于集成；2.开关切换时，各点电位不变；因此，速度快。,集成D/AC分类:片内集成放大器的和不集成的。CB7520是片内没有集成放大器的10位D/AC。,需外接运放,需外接基准电压源,集成D/ACCB7520的电路原理图,11.2.3权电流型D/A转换器,Si(i=03)=0,接V+1,接V-,利用倒T形电阻网络的权电流型D/A转换器,11.2.6具有双极性输出的DAC,补码形式输入的正、负数,正、负极性的模拟电压,一、原理例：输入为3位二进制补码。最高位为符号位，正数为0，负数为1,*将符号位反相后接至高位输入*将输出偏移使输入为100时，输出为0,1,二、电路实现,*将符号位反相后接至高位输入*将输出偏移使输入为100时，输出为0,11.2.7D/A转换器的转换精度与转换速度,一、转换精度,通常用分辨率和转换误差来描述。,1.分辨率:D/A转换器在理论上可以达到的精度,表示方法：,(1)用输入二进制数码的位数表示，如8位D/AC。,(2)用模拟输出电压的最小值与最大值的比值表示。,该比值显然等于：,转换误差：指实际的D/A转换特性和理想转换特性之间的最大偏差，可分为线性和非线性误差。,转换误差的表示形式：,(1)最低有效位的倍数。如:1LSB。,(3)输出电压满刻度(FSR,FullScaleRange)的百分数。如:0.1FSR。,2.转换误差,理想D/A转换特性,实际转换特性,(2)1/2LSB：输出模拟电压与理论值之间的绝对误差小于、等于当输入为0001时的输出电压的一半。,3.转换误差分析,D/A转换器四个组成部分,均可引起转换误差,但有不同的特点.,(1)比例系数误差：参考电源引起的误差,特点：和输入数字量的大小成正比,(2)漂移误差或平移误差：运算放大器的零点漂移造成,特点：1.误差电压的大小与输入数字量的数值无关2.输出电压的转换特性曲线发生平移,(3)非线性误差：模拟开关的导通内阻和导通压降，以及电阻网络中电阻的偏差引起,非线性误差有时导致转换特性局部非单调性，从而引起系统不稳定。,获得高精度的D/A转换器:高分辨率的D/A转换器；高稳定度的参考电压源；低漂移的运算放大器；,总误差为几种误差的叠加,例11.2.110位倒T型电阻网络D/AC中,VREF=-10V。为保证VREF偏离标准值所引起的误差小于1/2LSB,试计算VREF的相对稳定度应取多少？,1.计算1/2LSB:当输入数字量Dn=1时，输出电压为LSB。故：,2.计算当VREF变化量为VREF时所引起的输出变化量的最大值VOM:,输入数字量的最大值,如|VREF|=10V,允许的参考电源变化量小于5mV,二、转换速度,用完成一次转换所需的时间建立时间tset来衡量。,建立时间:从输入信号变化开始，到输出电压进入与稳态值相差正负1/2LSB范围以内的时间。,输入信号由全0变为全1所需时间最长,不包含运放的D/AC建立时间可达0.1s包含了运放的建立时间可以达到1.5s,11.3A/D转换器,11.3.1A/D转换的基本原理,步骤：,一、取样定理,取样定理:为保证从取样信号恢复被取样信号，须有fs：取样频率fi(max)：输入模拟信号vI的最高频率分量的频率,实际应用中，fs取3-5倍的fi(max),取样信号,模拟信号,还原取样信号所用滤波器的频率特性,fs,转换时间,取样信号,模拟信号,取样定理例子数字语音传输系统中，需要将模拟的声音信号转化为数字信号传输，语音信号频率为3003300Hz，要保证不失真传输，取样频率最小为？根据取样定理，取样频率最小23300=6600Hz，实际系统取样频率为fs=8kHz，每个采样点用8bits表示，所以一条数字语音信道的传输速率为8kHz8bits=64kbits/s。,取样定理(补充),频率混叠,还原取样信号所用滤波器的频率特性,二、量化和编码量化：将取样电压表示为最小数量单位（）的整数倍编码：将量化的结果用代码表示出来（二进制，二-十进制）量化误差：当取样电压不能被整除时，将引入量化误差,划分量化电平的两种方法,最大量化误差,最大量化误差1/2,对双极性模拟电压的量化和编码采用二进制补码的形式编码,*输出逻辑表达式,组成:分压电阻电压比较器寄存器(D触发器)代码转换器(输出电路),11.3.3并联比较型A/D转换器,组合逻辑电路,直接A/D转换器,采用第二种量化方案，即=2VREF/15,转换过程：输入信号和7个参考电压做比较，将比较结果送入触发器寄存。再经代码转换器输出3位数码。,特点：速度快，转换时间小于50ns；需要大量的比较器和触发器；不需要取样保持电路！,11.3.3并联比较型A/D转换器,上升沿触发,组合逻辑电路,并联比较型A/D转换器的代码转换表,返回,11.3.4反馈比较型A/D转换器,原理：将一数字量加到D/A转换器上，再把D/A转换器输出的模拟电压与输入模拟电压相比较。如vivo，则修改数字量，直到两模拟电压相等，此时对应的数字量就是转换结果。两种方案：计数型和逐次渐进型,数字量,直接A/D转换器,1.计数型A/D转换器,不工作,0,封锁,0000,0,1,1,加法计数,1,传输,大于0的数字信号,增加,1,0,停止计数,截止,VL的下降沿触发,当VL=1,AD转换开始。n位加法计数器从0开始递增计数，并将其状态信号Qn-1Q0送入n位DAC中，DAC输出信号V0与VI进行比较;当V0VI，VB=0，G被封锁，CLK=0，比较结束。此时计数器的状态为输出的数字量。,1.计数型A/D转换器,特点：(1)电路简单；(2)速度慢。最长转换时间可达(2n-1)TCLK。,vovi，计数器加法计数，vo线性递增；直到vovi,返回,转换原理：类似于用天平称未知重量物体的过程,由高到低，逐位比较；vo双积分型,数十ns,数十s,数十ms,作业：1，2，3，5，8另外：要求掌握各类ADC转换速度的大小关系。,第十一章复习要点：AD、ADC、并联比较型、计数型、逐次渐近型、双积分型、V-F型的原理DA、DAC、权电阻网络、双级权电阻网络、倒T形电阻网络、权电流型ADC、DAC的性能指标：精度、速度（怎样表示）分辨率、最小输出电压ADC、DAC的简单计算,本章习题类型与解题方法,1.D/A转换器输出电压的定量计算,【解题方法和步骤】例如：题11.1，11.2，11.3,题11.3在图11.2.5所示的D/A转换电路中，给定VREF=5V,求输出电压:,输入全1时:Dn=210-1,故,输入全0时:Dn=0,故,输入为1000000000时:Dn=29,故,2.D/A转换器组成波形发生器,，例如：题11.5,题11.8【解题方法和步骤】a.找出D/A转换器输入的数字序列数值；b.算出对应的输出模拟电压值；c.将模拟电压作为输出波形的幅值，画输出电压波形；,题11.510位D/A转换器，VREF=-10V,画输出波形。,解：计数器状态为0000时，模拟输出为0；当状态为0001时，D/A输入数字量为0001000000，输出为：编码1递增，所以模拟电平输出也按0.625V递增。,0.625V,CP,t,t,0,(V),1,16,0,题11.5答案,9.375V,题11.8画输出波形。,解：易求出D/A转换器输出最小电压为0.5V，存储器中的数依次为0，1，3，7，15，15，7，3，1，0，1，3，5，7，9，11。,0.5,CP,t,0,t,0,(V),1,10,题11.8答案,解：易求出D/A转换器输出最小电压为0.5V，存储器中的数