10 AD转换器与DA转换器.pdf

第十章 数第十章 数 模 模 模模 数 变换器数 变换器 10 1 概述概述 10 2 数数 模转换器模转换器 10 3 模模 数转换器数转换器 10 1 概述概述 计 算 机 计 算 机 模 拟 信 号 模 拟 信 号 模 拟 信 号 模 拟 信 号 A DD A A D Analog to Digital D A Digital to Analog 10 2 数数 模 转换器模 转换器 DAC 10 2 3 T型电阻网络型型电阻网络型 10 2 1 权电阻网络型权电阻网络型 10 2 2 权电流型权电流型 10 2 4 D A变换器的主要技术指标变换器的主要技术指标 10 2 5 集成集成 DAC 0832及其应用及其应用 10 2 1 权电阻网络型权电阻网络型 D A 转换器 转换器 VREF uo D3D2D1D0 I0I1I2I3 23R22R21R20R I R 2 MSB LSB S0S1S2S3 D3D2D1D0 S0S1S2S3 所谓所谓 权电阻权电阻 是指电阻值 的大小 与有 关 是指电阻值 的大小 与有 关数字量数字量的的权权 重密切相关 重密切相关 10 2 1 权电阻网络型权电阻网络型 D A 转换器 转换器 VREF uo D3D2D1D0 I0I1I2I3 23R22R21R20R I R 2 MSB LSB S0S1S2S3 D3D2D1D0 S0S1S2S3 电子开关 电子开关 Dn 1 时 时 Sn接接VREF Dn 0 时 时 Sn接地端 接地端 T2管饱 和 管饱 和导通导通 T1T2 S D a 模拟电子开关模拟电子开关的的 简化原理电路简化原理电路 当当 D 1时 时 1T2 S a 0T1 S S 点与点与 a 点相通 点相通 T1管管截止截止 而 而 a 点在电路中和点在电路中和VREF连 连 T2管管截 止 截 止 T1T2 S D a 模拟电子开关模拟电子开关的的 简化原理电路简化原理电路 当当 D 0时 时 0T2 S aT1 管饱和管饱和导通导通 1 T1 S S 点与地相通 点与地相通 VREF uo D3D2D1D0 I0I1I2I3 23R22R21R20R I R 2 MSB LSB 23R22R21R20R VREF I1 2I0 I2 4I0 I3 8I0 当当 D3D2D1D0 1111时 时 S0S1S2S3 D3D2D1D0 LSB MSB I I0 I1 I2 I3 最低位最高位最低位最高位 I0 VREF 23R 参考 电压 参考 电压 VREF uo D3D2D1D0 I0I1I2I3 23R22R21R20R I R 2 MSB LSB I I0 I1 I2 I3 VREF 23R D323 D222 D121 D020 VREF uo D3D2D1D0 I0I1I2I3 23R22R21R20R I R 2 MSB LSB VREF uo IR 2 24 8 D3 4 D2 2 D1 D0 10 2 2 权电流网络型权电流网络型 D A 转换器 转换器 uo R VREF I 16I 8I 4I 2 S0S1S2S3 iI D0D1D2D3 uo I R 24 8 D3 4 D2 2 D1 D0 每个支路 电流的大小 与有关数字量 的权重密切相 关 每个支路 电流的大小 与有关数字量 的权重密切相 关 10 2 3 T形解码网络形解码网络D A转换器转换器 以以4位为 例 位为 例 A uo S2S3 S1S0 2R2R2R2R R3R2R1R0 RF D3D2D1D0 0011 UR 2R RRR I3I2I1I0 I ABCD 通过详细的推导分析 通过详细的推导分析 即可获得模拟输出电压即可获得模拟输出电压uo与数 字量以及电路中其它参数的关系 与数 字量以及电路中其它参数的关系 I I3 I2 I1 I0 UR 2R D3 UR 16R D0 UR 8R D1 UR 4R D2 UR 16R 8D3 4D2 2D1 1D0 UR RF 16R 8D3 4D2 2D1 1D0 uo A uo S2S3 S1S0 2R2R2R2R R3R2R1R0 RF D3D2D1D0 0011 UR 2R RRR I3I2I1I0 I ABCD UR RRR 2R2R2R2R A uo S2S3S1S0 RF I 2R I 8I 4I 2 iI I 16 I 16 D0D1D2D3 倒倒T型电阻网络型电阻网络 D A转换器转换器 10 2 4 D A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 一 一 分辨率分辨率 用输入数字量的用输入数字量的有效位数有效位数来表示分辨 率 此外 也可以用 来表示分辨 率 此外 也可以用D A转换器能够分辨出来 的 转换器能够分辨出来 的最小输出电压最小输出电压 此时输入的数字代码只有最 低有效位为 此时输入的数字代码只有最 低有效位为 1 其余各位都是 其余各位都是 0 与与最大输出 电压 最大输出 电压 此时输入的数字代码所有各位全是此时输入的数字代码所有各位全是 1 之比之比来给出分辨率 例如 对一个十位 来给出分辨率 例如 对一个十位D A转换器来说 转换器来说 210 1 1 1023 1 0 001 二 二 转换误差转换误差 7 2 4 D A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 转换误差通常用输出电压满刻刻度转换误差通常用输出电压满刻刻度FSR Full Scale Range 的百分数表示 例如 给出转换误差为 的百分数表示 例如 给出转换误差为LSB 2 1 这就表示输出模拟 电压的绝对误差等于输入数字代码为 这就表示输出模拟 电压的绝对误差等于输入数字代码为 00 01 时输出电压的一半 造成转换误差的 时输出电压的一半 造成转换误差的原因原因主要有 参考电压 主要有 参考电压 VREF的波动 的波动 运算放大器的零点漂移 运算放大器的零点漂移 模拟开关的导通内阻和导通电压 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 电阻网络中的电阻值偏差 10 2 4 D A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 三 三 D A转换器的转换器的转换速度转换速度 为了便于定量地描述为了便于定量地描述D A转换器的转换 速度 定义了 转换器的转换 速度 定义了建立时间建立时间 tS和和转换速率转换速率 SR两 个参数 两 个参数 1 建立时间建立时间 tS 通常以大信号工作情况下通常以大信号工作情况下 输入由 全 输入由 全 0 变为全变为全 1 或者由全或者由全 1 变为 全变为 全 0 输出电压到达某一规定值所需要的时 间定为建立时间 输出电压到达某一规定值所需要的时 间定为建立时间 tS 建立时间最短的可达建立时间最短的可达 0 1 s 这个参数的值越小越好 这个参数的值越小越好 10 2 4 D A转换器的主要技术指标 三 转换器的主要技术指标 三 D A转换器的转换器的转换速度转换速度 2 转换速率转换速率 SR 转换速率转换速率 SR 以大信号工作状态下 输出模拟电压的变化率表示 以大信号工作状态下 输出模拟电压的变化率表示 D A转换器完成一次转换所需要的 时间应包括建立时间和上升 转换器完成一次转换所需要的 时间应包括建立时间和上升 或下降或下降 时 间两部分 它的最大值为 时 间两部分 它的最大值为 TTR max tS VO max SR 其中其中 VO max 为输出电压的最大值 为输出电压的最大值 10 2 5 集成集成 DAC 0832及其应用及其应用 D A转换器集成电路有多种型 号 下面仅以 转换器集成电路有多种型 号 下面仅以DAC0832为例来介绍集 成电路 为例来介绍集 成电路 D A 变换器 变换器 它是八位的它是八位的 D A 转换器 即在 对其输入八位数字量后 通过外接 的运算放大器 可以获得相应的模 拟电压值 转换器 即在 对其输入八位数字量后 通过外接 的运算放大器 可以获得相应的模 拟电压值 下图是它的封装下图是它的封装管脚图管脚图和和内部 电路图 内部 电路图 CS WR1 WR2AGND D4 D5 D6 D7 D0 D1 D2 D3 UCC UR Rfb DGND LCE XFER Iout1 Iout2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 19 18 17 16 15 14 13 12 11 20 DAC 0832 管脚分布图管脚分布图 八位 寄存器 八位 寄存器 1 输入输入 八位 寄存器 八位 寄存器 2 DAC 八位 变换器 八位 变换器 UR R Iout1 Iout2 AGND VCC uo DGND ILE CS WR1 WR2 XFER A D D7 D0 1 1 ADC 0832 简化电路框图简化电路框图 八位 变换器 八位 变换器 A D Rf B Iout1 Iout2 AGND DGND UR D7 D0 八位 寄存器 八位 寄存器 1 输入输入 寄存器寄存器 八位八位 2 DAC CS WR1 ILE XFER WR2 VCC uo 运放需 要外接 运放需 要外接 八位 寄存器 八位 寄存器 1 输入输入 八位 寄存器 八位 寄存器 2 DAC 八位 变换器 八位 变换器 UR Rfb Iout1 Iout2 AGND VCC uo DGND ILE CS WR1 WR2 XFER A D D7 D0 1 1 八位 寄存器 八位 寄存器 1 输入输入 寄存器寄存器 八位八位 2 DAC D7 D0 输入数据先存放在寄存器输入数据先存放在寄存器 1 中 而输出的模拟值由存 放在寄存器 中 而输出的模拟值由存 放在寄存器 2 内的数据决 定 当把数据由输入寄存器 内的数据决 定 当把数据由输入寄存器 1 转存到转存到DAC寄存器寄存器 2 以后 输入寄存器以后 输入寄存器 1 就可以接受新数据而不影 响模拟输出值 该结构便于多路 就可以接受新数据而不影 响模拟输出值 该结构便于多路DAC同时工作 同时工作 八位 寄存器 八位 寄存器 1 输入输入 八位 寄存器 八位 寄存器 2 DAC 八位 变换器 八位 变换器 UR Rfb Iout1 Iout2 AGND VCC uo DGND ILE CS WR1 WR2 XFER A D D7 D0 1 1 CS WR1 ILE 当这三个控制端均有效时 当这三个控制端均有效时 LE1 LE1端才有效 否则 就不随数据总线而变化 端才有效 否则 就不随数据总线而变化 WR1变高时 八位输入寄存器便将输入数据锁存 变高时 八位输入寄存器便将输入数据锁存 寄存器寄存器 1 的输出随其输入变化 的输出随其输入变化 八位 寄存器 八位 寄存器 1 输入输入 八位 寄存器 八位 寄存器 2 DAC 八位 变换器 八位 变换器 UR Rfb Iout1 Iout2 AGND VCC uo DGND ILE CS WR1 WR2 XFER A D D7 D0 1 1 CS WR1 ILE LE1 XFER WR2 当这两个控制端均有效时 当这两个控制端均有效时 LE2端才有效 端才有效 WR2变高时 八位变高时 八位DAC寄存器便将输入数据锁存寄存器便将输入数据锁存 LE2 寄存器寄存器 2 的输出随其输入变化 的输出随其输入变化 例例 单步输入操作单步输入操作 适用于单个适用于单个DAC工作工作 ILEWR2 WR1CS XFER Rfb D0 D7 Iout2 Iout1 1 a D7 D0 CS WR1 数据 存入 数据 锁定 数据 存入 数据 锁定 b 10 3 模模 数 转换器数 转换器 ADC 10 3 2 并联比较型并联比较型 10 3 3 逐次逼近型逐次逼近型 10 3 4 A D 转换器的主要技术指 标 转换器的主要技术指 标 10 3 5 集成集成 ADC0804 及其应用及其应用 10 3 1 采样定理采样定理 因为输入的模拟量在 时间上是连续的 在因为输入的模拟量在 时间上是连续的 在A D转换中 而输出的数字信号是离 散量 所以进行转换时只能在一系列选定 的瞬间 转换中 而输出的数字信号是离 散量 所以进行转换时只能在一系列选定 的瞬间 亦即瞬间坐标轴上的一些规定点亦即瞬间坐标轴上的一些规定点 对输入的模拟信号采样 然后再把这些采 样值转换为输出的数字量 对输入的模拟信号采样 然后再把这些采 样值转换为输出的数字量 10 3 1 采样定理采样定理 A D 转换过程应包括 转换过程应包括 采样 保持 量化 编码 采样 保持 量化 编码 这四个步骤 这四个步骤 0 t ui 1 采样定理采样定理 0 t ui 为了保证能从采样 信号将原来的被采样信 号恢复 为了保证能从采样 信号将原来的被采样信 号恢复 必须满足必须满足 fS 2 f i max fS 采样频率 采样频率 f i max ui的最高频分 量的频率 的最高频分 量的频率 2 量化和编码量化和编码 数字信号不仅在时间上是离散的 而且 数值大小的变化也是不连续的 这就是说 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 因此 在进行 数字信号不仅在时间上是离散的 而且 数值大小的变化也是不连续的 这就是说 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 因此 在进行 A D 转换时也必须把采样电压化为这个最小单位 的整数倍 这个转化过程就叫做 转换时也必须把采样电压化为这个最小单位 的整数倍 这个转化过程就叫做 量化量化 所 取的最少数量单位叫做 所 取的最少数量单位叫做量化单位量化单位 用 用 表示 显然 数字信号最低有效位的 表示 显然 数字信号最低有效位的 1 代表的数量 大小就等于 代表的数量 大小就等于 把量化的结果用代码把量化的结果用代码 二进制或二 十 进制 二进制或二 十 进制 表示出来 称为表示出来 称为 编码 编码 3 采样 保持电路采样 保持电路 T uo ui UL R1 RF CF 当当 UL为高电平时 为高电平时 MOS管管T导通 导通 ui经电阻经电阻 R1和管和管T向电容向电容 CF充电 充电 当当 UL为低电平时 为低电平时 MOS管管T截止 截止 忽略各种漏电流 电容忽略各种漏电流 电容CF上的电压得以保持 上的电压得以保持 10 3 2 并联比较型并联比较型 uxE R R R R R R R R D2 D1 D0 数字输出数字输出 A G F E C D B 编 码 器 编 码 器 7E 8 6E 8 5E 8 4E 8 3E 8 2E 8 E 8 电路如左图 所示 它由三 部分组成 这种 电路如左图 所示 它由三 部分组成 这种A D 变 换器的优点是 转换速度快 缺点 是所需比 较器数目多 位数越多矛盾 越突出 变 换器的优点是 转换速度快 缺点 是所需比 较器数目多 位数越多矛盾 越突出 分压 器 分压 器 E R R R R R R R R 7E 8 6E 8 5E 8 4E 8 3E 8 2E 8 E 8 比较 器 比较 器 和 和编码器编码器 D2 D1 D0 数字输出数字输出 A G F E C D B 编 码 器 编 码 器 ux 比较器输出比较器输出 E ux 7E 8 7E 8 ux 6E 8 6E 8 ux 5E 8 5E 8 ux 4E 8 4E 8 ux 3E 8 3E 8 ux 2E 8 2E 8 ux 1E 8 1E 8 ux 0 A B C D E F G D2D0D1 编码器输出 输入电压 编码器输出 输入电压 ux 1 1 1 1 1 1 1111 1 1 1 1 1 1 0 00 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0000 0 0 0 0 0 0 0 0 000 0 0 0000 0 0 00 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 0 00 逻辑状态关系表逻辑状态关系表 设待 秤重量 设待 秤重量 Wx 13克 克 10 3 3 逐次逼近型 其工作原理可用天平秤重过程作 比喻来说明 若有四个砝码共重 逐次逼近型 其工作原理可用天平秤重过程作 比喻来说明 若有四个砝码共重15克 每个重量分别为 克 每个重量分别为 8 4 2 1克 可以用下表步骤 来秤量 克 可以用下表步骤 来秤量 砝码重砝码重暂时结果暂时结果结论 第一次 结论 第一次8 克砝码总重克砝码总重 待测重量待测重量Wx 8 克 第二次加 克 第二次加4克砝码总重仍克砝码总重仍 待测重量待测重量Wx 12 克 第四次砝码总重 克 第四次砝码总重 待测重量待测重量Wx 加 加1克克13 克 故 克 故保留保留 故故保留保留 故故撤除撤除 故故保留保留 1000移位寄存器移位寄存器 1000数码寄存器数码寄存器 A D uo 清清 0 置数 置数 控 制 逻 辑 控 制 逻 辑 ux 待转换的模拟电压待转换的模拟电压 uc 时钟时钟 清清 0 置数 置数 1 状态是否保留 控制端 状态是否保留 控制端 CP 移位命令移位命令 逐次逼近型逐次逼近型 ADC工作过程展示工作过程展示 10 3 4 A D 转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 一 一 分辨率分辨率 以输出二进制代码的 位数表示分辨率 位数越多 量化误差 越小 转换精度越高 二 以输出二进制代码的 位数表示分辨率 位数越多 量化误差 越小 转换精度越高 二 转换速度转换速度 完成一次 完成一次 A D转 换所需要的时间 即从它接到转换命 令起直到输出端得到稳定的数字量输 出所需要的时间 三 转 换所需要的时间 即从它接到转换命 令起直到输出端得到稳定的数字量输 出所需要的时间 三 相对精度相对精度 实际转换值和理想 特性之间的最大偏差 实际转换值和理想 特性之间的最大偏差 四 四 其它其它 功率 电源电压 电压 范围等 功率 电源电压 电压 范围等 10 3 5 集成集成 ADC0804 及其应用及其应用 A D转换组件有多种型号可 供选择 如 高速的 高分辨率 的 高速且高精度的等等 使 用者可根据任务要求进行选 择 下面以 转换组件有多种型号可 供选择 如 高速的 高分辨率 的 高速且高精度的等等 使 用者可根据任务要求进行选 择 下面以 ADC0804 为例 介绍集 成电路 为例 介绍集 成电路 A D 变换器 变换器 ADC 0804 是分辨率为是分辨率为八位八位 的模数转换组件 采用逐次逼近 型工作原理 的模数转换组件 采用逐次逼近 型工作原理 D7 D0 控 制 逻 辑 控 制 逻 辑 时 钟时 钟 电阻网络 及电子开关 电阻网络 及电子开关 数据寄存器数据寄存器 移位寄存器移位寄存器 八 位 三 态 输 出 锁 存 器 八 位 三 态 输 出 锁 存 器 U in U in CP Ucc UR 2 AGND WR CS INTR RD CS 1 1 ADC0804 内部电路框图内部电路框图 电压跟随器电压跟随器 电 压 比 较 器 电 压 比 较 器 CS WR AGND D4 D5 D6 D7 D0 D1 D2 D3 UCC UR 2 DGND 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 19 18 17 16 15 14 13 12 11 20 RDCLKR CLKin INTR U in U in ADC