数字电子技术第7章.ppt

7 1D A转换器7 2A D转换器本章小结 7 1D A转换器 7 1 1D A转换器的基本概念 1 D A转换器的原理 D A转换器的作用是将数字信号转换成相应的模拟信号 其普遍采用的转换方法是将输入数字信号按其权值分别转换成模拟信号 再通过运算放大器求和相加 如输入为n位二进制数 D 2 则对应转换后的模拟信号u应为 图7 1D A转换器框图 1 分辨率 分辨率是指对输出电压的分辨能力 当D A转换器输入相邻两个数码时所对应的输出电压之差为最小可分辨电压 分辨率的定义为最小可分辨电压与最大输出电压之比 可表示为 可以看出 分辨率的数值是与转换器输入数字量的有效位数成反比的 即数字量的有效位数越多 分辨率的数值越小 分辨力越强 因此在实际中常用输入数字量的有效位数来表示分辨率 如12位D A的分辨率为12位 2 转换精度 转换精度分绝对精度和相对精度 D A转换器的实际输出值与理论计算值之差称为绝对精度 通常用最小分辨电压的倍数表示 如 1 2 ULSB就表示输出值与理论值的误差为最小可分辨电压的一半 相对精度是绝对精度与满刻度输出电压 或电流 之比 通常用百分数表示 3 转换时间 D A转换器从接收数字量开始到输出电压或电流达到规定误差范围所需要的时间称为转换时间 它决定D A转换器的转换速度 7 1 2倒T形电阻网络D A转换器的原理 图7 2倒T形电阻网络原理图 电子模拟开关受输入二进制数D0 D3控制 随着D为0或1 各开关分别处于图中0和1的位置 而无论S处于何位置 其电位均为0 运放同相端接地 反相端虚地 这样 从图中A B C D各节点向里看对地的等效电阻均为R 即 所以电路中的电流关系如下 流入运放反相端的总电流在二进制数D控制下的表达式为 输出电压 由上式可以看出 此电路完成了从数字量到模拟量的转换 倒T形电阻网络由于其各支路电流不随开关状态而变化 有很高的转换速度 因此在D A转换器中被广泛使用 7 1 3集成D A转换器及其应用 集成D A转换器品种繁多 如果从内部结构上看 有只包括电阻解码网络和电子模拟开关的基本D A转换器 也有在内部电路中增加了数据锁存器 寄存器的带有使能控制端的D A转换器 还有将基准电压源 求和运放等均集成在芯片上的完整的D A转换器 如果从使用的角度看 D A转换器可分两大类 一类在电子电路中使用 不带使能控制端 只有数字信号输入和模拟信号输出 另一类为微机应用而设计 带有使能控制端 可直接与微机及单片机接口 1 集成D A转换器AD7520 图7 3AD7520的内部电阻网络结构 图7 4AD7520外引线图 图7 5电子模拟开关 2 AD7520的应用 单极性输出典型D A电路 图7 6所示是由AD7520组成的单极性输出数模转换应用电路 电路由AD7520与求和运算放大器组成 运算放大器接成反向比例形式 反馈电阻RF利用AD7520内部提供的10k 电阻 也可另外再串接电阻 由前面分析可知 此电路的转换关系为 图7 6单极性输出数模转换应用电路 图7 7可编程增益放大器 2 可编程增益放大器 用AD7520可以构成可编程增益放大器 电路如图7 7所示 电路中运算放大器接成反相比例电路形式 uI为输入 uO为输出 Rf作为电路的输入电阻 而倒T形电阻网络的总等效电阻作为放大器的反馈电阻 由电路及运放的原理可得出电路增益如下 可以看出 只要调整数字信号D的数值 即可改变放大器的增益 做到增益可编程 7 2A D转换器 7 2 1A D转换器的基本概念 1 A D转换器的原理 图7 8A D转换原理框图 1 采样保持 采样是在在时间上连续变化的信号中选出可供转换成数字量的有限个点 根据采样定理 只要采样频率大于二倍的模拟信号频谱中的最高频率 就不会丢失模拟信号所携带的信息 这样就把一个在时间上连续变化的模拟量变成了在时间上离散的电信号 由于每次把采样电压转换成数字量都需要一定的时间 因此在每次采样后必须将所采得的电压保持一段时间 完成这种功能的便是采样保持电路 图7 9示出了采样保持电路的原理电路 图7 9采样保持电路原理 电路中场效应管V是采样开关 受控于采样脉冲 C是保持电容 当采样脉冲到来时 模拟开关闭合 模拟信号经V向C充电 C上的电压跟随输入信号变化 当采样脉冲消失时 模拟开关便断开 C上的电压会保持一段时间 具体情况看波形图7 10 uI是待转换的模拟信号 ut是取样脉冲 uO是经采样保持电路处理后的电压信号 图7 9中的A是用运放构成的缓冲放大器 2 量化编码 图7 10模数转换波形 2 主要性能指标 1 分辨率 分辨率是指A D输出数字量变化一个数码所对应输入模拟量的变化范围 输出数字量的位数越多 能分辨出的最小模拟电压越小 如8位A D输入最大模拟电压为5V时 其分辨率为 A D转换器的分辨率通常用输出数字量的位数来表示 这与D A转换器相同 2 绝对精度 绝对精度是指经A D转换后得到的数字量所代表的输入模拟值与实际输入模拟值之差 通常以数字量最低位所代表的模拟输入值ULSB作衡量单位 如 ULSB等 3 转换时间 转换时间是A D转换器完成一次从模拟量到数字量的转换所需的时间 它反映了A D转换器的转换速度 7 2 2典型的A D转换器原理1 逐次比较型A D转换器 图7 11逐次比较型A D转换器原理框图 逐次比较型A D转换器的转换原理类似用天平称重量 一边是采样保持电路输出的模拟电压ui 另一边是预先加上的反馈电压uf uf是数码寄存器中的数字量经D A转换得来的 用比较器将ui与uf做比较 输出去控制数码寄存器中的数作加减 经反复比较 使反馈电压uf逐次逼近输入模拟量ui 具体过程是 首先把数码寄存器最高位置1 其余各位置0 即100 0 该数码经D A转换后的输出电压为uf 它等于满量程电压的一半 将ui与uf作比较 若ui uf 比较器输出C 0 则通过逻辑控制保留数码寄存器最高位的1 若ui uf 比较器输出C 1 则将数码寄存器最高位的1变为0 然后 控制器再将数码寄存器的次高位置1 低位还是0 此数码再经D A转换得出电压uf 再与ui进行比较以确定数码寄存器的数值是1还是0 如此反复比较n次 直至数码寄存器最低位的值确定 此时数码寄存器中产生的数码即为A D转换器输出的数字量 2 双积分型A D转换器 图7 12双积分型A D转换器 a 原理框图 b 工作波形 下面结合波形讨论工作原理 t t0时 控制器将转换开关打到上面 积分器对模拟电压ui进行积分 此时 积分器输出uo小于零 过零比较器输出ub为1 计数器开始对CP脉冲计数 t t1时 计数器输入N1个脉冲后 满容量溢出 计数器回零 同时 控制器将转换开关打到下面 积分器对基准电压 VREF进行反方向积分 计数器重新计数 t t2时 积分器输出uo等于零 过零比较器输出ub为0 计数器停止计数 此时将计数器中的数N2输出到寄存器 完成一次转换 双积分型A D转换器在一次转换过程中要进行两次积分 第一次积分为采样阶段 控制器使开关S1接至模拟电压ui 是在固定时间T1内进行积分 积分器输出为 7 1 式中 Ui是输入模拟电压Ui在0 T1时刻的平均值 第二次积分为比较阶段 积分器对基准电压 VREF进行反向积分 积分器输出为 7 2 在第二次积分结束时 有 7 3 设CP脉冲的周期为TC 则式 7 3 可变为 7 4 即 7 5 7 2 3集成A D转换器及其应用 1 ADC0804A D转换器 图7 13ADC0804外引线图 图7 14ADC0804的典型应用电路 图7 14是其典型应用电路 图中4脚和19脚外接RC电路与内部时钟电路共同形成电路时钟 其时钟频率 对应转换时间约为100 s 2 ICL7106A D转换器 ICL7106是双积分型CMOS工艺4位BCD码输出A D转换器 它包含双积分A D转换电路 基准电压发生器 时钟脉冲产生电路 自动极性变换 调零电路 七段译码器 LCD驱动器及控制电路等 电路采用9V单电源供电 CMOS差动输入 可直接驱动位液晶显示器 LCD 图7 15ICL7106组成直流电压测量电路 电路中V 对V 之间接9V直流电压 通过内部基准电压发生器在V 到COM之间产生2 8V基准电压 经分压电阻加在REF REF 基准电压输入端 当输入量程为200mV时 基准电压调至100mV 当输入量程为2V时 基准电压为1V OSC1 OSC3是时钟振荡电路引出端 外接定时电阻 电容产生内部时钟 IN IN 是差动输入端 将IN 与模拟地COM相连 IN 对COM之间为模拟电压输入 U接个位驱动 T接十位驱动 H接百位驱动 abK是千位驱动 P0为 号驱动 BP接液晶背板 AZ BUFF和INT分别接调零电容 积分电阻和积分电容 通过调整它们及基准电压 可将输入量程调至2V 本电路为200mV 本章小结 A D和D A转换器集成芯片又可称为ADC DAC 它们都是大规模集成芯片 在电子系统中被广泛应用 D A转换器可将数字量转换成模拟量 其电路形式按其解码网络结构分为权电阻网络 权电流网络 T形电阻网络 倒T形电阻网络等多种 其中以倒T形电