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第七章D A转换器和A D转换器 第一节D A转换的基本原理和D A转换器 第二节A D转换的基本原理和A D转换器 小结 本章重点 重点 难点 一 模拟量 analog 数字量 digital 以及二者的相互转换 第一节D A转换的基本原理和D A转换器 连续变化的物理量称为模拟量 模拟量是可以连续取值的 有规律但不连续的变化量称为数字量 也叫离散量 数字量是不能连续取值的 连续变化的模拟量 电压 电流或频率等电量 被控对象 传感器 A D转换 数字信号 处理后的数字信息 数字系统 电的模拟量 D A转换 执行机构 二 D A转换的基本原理 要将数字量D转换为模拟量A 需要一个模拟参考量R 使得A DR若max A R则0 D 1即数字量D是一个不大于1的n进制数 自然 这里的D是二进制数 D a12 1 a22 2 an2 n ai 0 1 实际中通常用一个参考电压UREF作模拟参考量 注意 A虽是模拟量 但并不能取任意值 而只能根据输入量D得到某些特定值 LSB D A转换特性 量化单位 LeastSignificantBitLSB 输入数字D的一个最低有效位所对应的模拟量 三 D A转换器的主要技术参数 分辨力 D A转换器分辨最小模拟量的能力 分辨率 通常指D A转换器的二进制位数 也就是最低有效位LSB所对应的模拟量 记作RLSB 显然位数越多 D A转换器所能输出的最小模拟量值也越小 因而分辨力与分辨率是统一的 有时对二者不加区分 例 10位D A转换器最小输出电压对应的输入数字量为0000000001 最大输出电压对应的输入数字量为1111111111 则其分辨率为 满量程 D A转换器可输出模拟量的最大值 D都为1 如 8位二进制D A转换器满量程为 28 1 ULSB 即 11111111 ULSB 通常用 100000000 ULSB指代满量程 非线性误差 在满量程范围内偏离理想转换特性的最大值称为非线性误差 转换精度 通常以满量程相对误差来说明D A转换器的转换精度 建立时间 从输入数字信号稳定到输出模拟信号稳定所需要的时间 u max为最大绝对误差 温度系数 在规定范围内 温度变化1 时 增益 线性度 零点及偏移等参数的变化量分别称为增益温度系数 线性度温度系数 零点温度系数 偏移温度系数 建立时间决定了D A转换器输出信号所能达到的最小重复周期 误差原因 零点 增益 飘移 非线性等误差 四 类型 结论 种类多 新器件不断出现 但基本转换原理不变 学习基本转换原理和典型电路 五 D A转换器 Sn 1Sn 2SiS1S0 1010101010 Dn 1Dn 2DiD1D0 1 权电阻型D A转换器 例右图所示的电路中 设n 4 UREF 10V R 100k Rf 8k 输入二进制数码S3S2S1S0为1011 试问运算放大器输出电压是多少 解 权电阻型D A转换器中的解码网络所用的阻值范围很大 特别是当分辨率较高时 电阻值的范围会大得难以实现 2 R 2R网络型D A转换器 虚地 对地电阻为2R 与权电阻网络相比 R 2R电阻网络中只有R 2R两种阻值 从而克服了权电阻网络阻值多 阻值差别大的缺点 3 集成D A转换器及其应用 DAC0832 DAC0832的R 2R网络 DAC0832功能框图 有双缓冲 单缓冲 直通型工作方式 片选 输入选通 写入 数据传递 例 分析图 回答问题 1 DAC0832属于哪种工作方式 2 解释此电路功能 DAC0832 D D0 D7 ui uo UREF RFB IOUT1 IOUT2 ILE CS XFER WR1 WR2 5V 10k 解 1 直通型工作方式 2 DAC电路称为乘法DAC 简写MDAC 一 A D转换的基本原理 A D转换的过程 是一个将模拟信号变换为数字信号的编码过程 若模拟参考量为R 则输出数字量D和输入模拟量A之间的关系为D A R A D转换器 A D转换 mmin 数字D永远不能精确地表示被测物体质量mx 而只能以一个最小砝码mmin的精度去逼近 第二节A D转换的基本原理和A D转换器 mmin称为量化单位 无论mmin多小 总不能是无穷小 由mmin不能是无穷小而带来的误差称为量化误差 量化误差是不能消除的 但A D转换得出的数字量可以提供较模拟量更多的有效数字 使得数据处理的总体精度大大提高 LSB 二 A D转换器的主要技术参数 分辨力 A D转换器分辨最小模拟量的能力 分辨率 A D转换器的二进制位数 量化误差 量化误差通常是指1个LSB的输出变化所对应模拟量的范围 转换精度 A D转换器的转换精度不仅仅取决于量化误差 而是由多种因素决定的 A D转换器的转换精度一般表示为 nLSB 转换时间 完成一次转换所用的时间 转换速率 每秒转换的次数 转换速率与转换时间不一定是倒数关系 两次转换过程允许有部分时间的重叠 因而转速率大于转换时间的倒数 这称作管线 pipelining 工作方式 例如 三 类型 结论 种类多 新器件不断出现 但基本转换原理不变 学习基本转换原理和典型电路 并行比较型A D转换器优点 转换速度较高 易受干扰 缺点 所需要比较器的数目较多 逐次比较型A D转换器特点所用器件较少 转换速度也不太慢 目前应用比较广泛 3 双积分型A D转换器特点 间接转换 精度高 抗干扰能力强 转换速率低 适用低速场合 常用的三种A D转换器的优缺点 A D转换器经过取样 保持 量化和编码 A D转换的过程就是用模拟量A与参考量R比较的过程 因此 电压比较器就成了A D转换器中重要部件 比较器的输出为 0 1 1 A D转换器的关键部件 比较器 三 A D转换的一般工作过程 模拟信号 2 取样 保持电路 所谓取样就是将一个时间上连续变化的模拟量转换为时间上离散的模拟量 根据取样定理 每经过一定时间间隔TS取出信号的一个值 只要TS fm为信号频带中的最高频率 这些取样值就可以无损失地表达原模拟信号 7654321 1TS 2TS 取样信号 3TS 4TS 5TS 6TS 7TS 8TS 由于对模拟量进行量化的过程需要一定的时间 所以为保证转换精度 在转换 即量化 时间内应使取样点的函数值保持不变 这种暂时保持由瞬时取样得到的模拟信号的电路 就是取样 保持电路 右图是一种常用的取样 保持电路 1 0 在取样脉冲S t 持续时间tw内 T导通 输入信号uI经开关T对电容C进行充电 只要充电时间常数远小于取样信号S t 的持续时间tw 则输出信号uO就能跟踪输入信号uI的变化 当取样脉冲结束 即在TS tw时间内 场效应管T关断 因而电容器上电压uC无泄放回路 保持不变 则uO uC也保持不变 3 量化及量化误差 量化过程中所取最小数量单位称为量化单位用 表示 它是数字信号最低位为1时所对应的模拟量 即1LSB 任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍 在量化过程中由于采样电压不一定能被 整除 所以量化前后不可避免地存在误差 此误差我们称之为量化误差 用 表示 量化误差属原理误差 它是无法消除的 A D转换器的位数越多 各离散电平之间的差值越小 量化误差越小 两种近似量化方式 只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式 只舍不入量化方式 量化中把不足1个量化单位的部分舍弃 最大量化误差为 四舍五入量化方式 量化过程将不足半个量化单位部分舍弃 对于等于或大于半个量化单位部分按一个量化单位处理 其最大量化误差为 最大量化误差为 两种量化方式 111 110 101 100 011 010 001 000 0 0v 7 7 8v 6 6 8v 5 5 8v 4 4 8v 3 3 8v 2 2 8v 1 1 8v 110 101 100 011 010 001 000 0 0v 1 2 15v 2 4 15v 3 6 15v 4 8 15v 5 10 15v 6 12 15v 7 14 15v 111 量化误差为1LSB 量化误差为 0 5LSB 由分压器 电压比较器 编码器三部分组成 一 分压器 二 电压比较器 三 编码器 1 并行比较型A D转换器 四 A D转换器 LSB 假定被转换的模拟输入电压uI在0 UREF范围内变化 取3位二进制数代表模拟输入uI的数字输出 采用有舍有入的量化方式 利用电阻分压把标准电压UREF分成8段 量化阶梯 位数越多 精度越高 二进制数输出 其中6段间隔为 1 7 UREF 另外两段间隔 最初和最末 为 1 14 UREF 因此 输入模拟电压从0到UREF整个范围内 它的最大量化误差都是一样的 即永远不会超过 1 14 UREF 001是在 1 7 UREF时的值 在 1 14 UREF 3 14 UREF之间的值和 1 7 UREF最多相差 1 14 UREF 因此 最大量化误差不会超过 1 14 UREF R8 R1 参考电压 模拟输入电压uI UREF 0000011 0010100 1 0 1 1 0 D2 Q4 C4 例 当 求输出的数字量 并行比较型A D转换器的特点 由于各个比较器的工作过程几乎是同时的 所以并行比较型A D转换器的转换速率在所有A D转换方案中是最高的 但需要使用大量的比较器 用 2n 1 个 2 串行比较型A D转换器 串行比较型A D转换器让模拟信号依时间顺序通过一连串比较器 后面比较器的输入信号反映了前面比较器的剩余 由于后一位的比较需要使用前一位的结果 所以这种方案的转换速率不可能做得很高 但相同分辨率的A D转换器 串行比较法较并行比较法少用了大量的比较器 D3 uY3 取并行比较型速度快与串行比较型结构简单之优点 构成了折中方案 并 串比较型A D转换器 3 并 串比较型A D转换器 高位比较器列 首先在高位比较器列上实现高a位A D转换 转换结果一方面作为高位输出 a a位高位寄存器 a 另一方面加到a位D A转换器上将已转换的高位数字还原为模拟电压 再与输入模拟电压作减运算 并将其差值放大至2a倍 UR1 2a放大 UII b位低位比较器 b 输出寄存器 放大器的输出UII由低位比较器列转换出低b位数字 并与高位数字一同输出 a b 4 逐次比较型A D转换器 逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似 1 转换原理 所用砝码重量 8克 4克 2克和1克 设待秤重量Wx 13克 称重过程 逐次比较型A D转换器 0 4V 3 5V 4 9V 0 例 uI t 4 9V G3G2G1 Rd Q3Q2Q1 G4G5G6 D2D1D0 3位码D AC电路 000 6V 5 5V 0 逐次比较型A D转换器 第二个时钟脉冲到来时 1 000 1 第三个时钟脉冲到来时 0 第五个时钟脉冲到来时 101 5V 4 5V G4 G5 G6门开 Q3 Q2 Q1数据传出 5 双积分式A D转换器 双积分式A D转换器的基本指导思想 对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分 将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔 然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔 进而得到相应的数字量输出 该A D转换器也称为电压 时间 数字式积分器 双积分型A D转换器就是先把电压转换成中间量 时间 再将时间转换为数字 这种转换方法属于间接转换 如图为3位双积分型A D转换器 其组成 积分器 A1 检零比较器A2 二进制计数器 0 1 1 有效 1 0 正电压UREF接入积分器电容C放电 电容两端电压不能突变 使得uo1电压逐步下降 但还是正值 uo2为低电平 非门输出维持不变 还是高电平 使得CP信号继续有效 计数器继续计数 当uo1小于零时 使得uo2信号翻转为高电平 此时非门输出为0 关断CP信号 计数器停止计数 输出D为100 寄存器输出可以作为数字量输出 0 无效 式7 3 2 双积分型A D转换器 斜率 t2 D的正向电压 t0 t t1 uI 0 式中 T1 t1 t0 t0 0 uI 0 t t2 式7 3 4 双积分型A D转换器 将式 7 3 2 代入式 7 3 4 得 若T1 2nTC n为计数器的级数 TC为CP的重复周期 为T2时间内计数器输入时钟脉冲的个数 6 集成A D转换器及其应用 ADC0809是8位CMOS逐次比较型A D转换器 具有8个输入通道 可直接选通8路模拟量进行转换 输出设有三态TTL锁存缓冲器 便于和各种微处理机接口 ADC0809的主要组成部分有8路模拟开关 地址译码 256个电阻组成的电阻网络和开关树 8位逐次比较寄存器 8位三态输出锁存缓冲器 比较器和时序控制电路 集成A D转换器及其应用 地址译码与锁存 8路模拟开关器 8路模拟输入信号选择哪一路进行转换 要靠多路选择器来完成 例 ADDA 0ADDB 1ADDC 1的情况 0111 IN6 逐次比较寄存器 8位逐次比较寄存器共可记录28 256种不同状态 树状开关 开关树输出UREF也有256个参考电压 将UREF送