数字电子技术10章.ppt

10 1D A AnalogtoDigital 转换器 10 2A D DigitaltoAnalog 转换器 10数模与模数转换器 10 0引言 本章主要内容 1 掌握倒T形电阻网络D A转换器 DAC 集成D A转换器7520的工作原理及相关计算 2 正确理解D A转换器的两种输出方式 3 掌握并行比较 逐次比较 双积分A D转换器 ADC 的工作原理及其特点 4 正确理解D A A D转换器的主要参数 10数模与模数转换器 D A转换 A D转换的应用 模 拟 传感器 数字控制 计算机 模拟 控制器 工业生产过程控制对象 ADC和DAC已成为计算机系统中不可缺少的接口电路 传感器 温度 压力 流量 应力等 计算机进行数字处理 如计算 滤波 数据保存等 用模拟量作为控制信号 把模拟量转换为数字量的过程称为模数转换 完成这种转换的电路称为模数转换器 AnalogtoDigitalConverter 简称ADC或A D 把数字量转换为模拟量的过程称为数模转换 完成这种转换的电路称为数模转换器 DigitaltoAnalogC onverter 简称DAC或D A 10 1 0D A转换器概述 10 1 0D A转换器概述 1 DAC的功能 将数字量成正比地转换与之对应成模拟量 设D A转换器的输入数字量为n位 10 1 0D A转换器概述 10 1 0D A转换器概述 DAC 如何实现D A 10 1 0D A转换器概述 数字量是用代码按数位组合而成的 对于有权码 每位代码都有一定的权值 如能将每一位代码按其权的大小转换成相应的模拟量 然后 将这些模拟量相加 即可得到与数字量成正比的模拟量 这样 就可以实现数字量 模拟量的转换 2 实现D A转换的基本思想 3 D A转换器的组成 10 1 0D A转换器概述 电阻网络模拟电子开关求和运算放大器 4 D A转换器的分类 10 1 0D A转换器概述 按解码网络结构分类 T型电阻网络DAC 倒T形电阻网络DAC 权电流DAC 权电阻网络DAC 按模拟电子开关电路分类 CMOS开关型DAC 双极型开关型DAC 电流开关型DAC ECL电流开关型DAC 射极藕合 2 5 速度最高 D A转换器 10 1 1倒T形电阻网络D A转换器 Di 0 Si则将电阻2R接地Di 1 Si接运算放大器反相端 电流Ii流入求和电路 电阻网络 模拟电子开关 求和运算放大器 输出模拟电压 输入4位二进制数 根据运放线性运用时虚地的概念可知 无论模拟开关Si处于何种位置 与Si相连的2R电阻将接 地 或虚地 1 原理电路 10 1 1倒T形电阻网络D A转换器 2 D A转换器的倒T形电阻网络 基准电源VREF提供的总电流为 I 流过各开关支路的电流 I3 I2 I1 I0 I 4 I 8 I 16 I 2 I 4 I 8 I 16 I 2 I3 I2 I1 I0 流入每个2R电阻的电流从高位到低位按2的整数倍递减 10 1 1倒T形电阻网络D A转换器 3 工作原理 I I2 I1 I0 I3 流入运放的总电流 i I0 I1 I2 I3 10 1 1 10 1 1倒T形电阻网络D A转换器 3 工作原理 I I2 I1 I0 I3 输出模拟电压 10 1 2 10 1 1倒T形电阻网络D A转换器 3 工作原理 4位倒T形电阻网络DAC的输出模拟电压 10 1 2 推广到n位倒T形电阻网络DAC 有 10 1 3 令 则 O KNB 10 1 4 上式表明 在电路中输入的每一个二进制数NB 均能得到与之成正比的模拟电压输出 为提高D A转换器的精度 对电路参数的要求 1 基准电压稳定性好 2 倒T形电阻网络中R和2R电阻比值的精度要高 3 每个模拟开关的开关电压降要相等 4 为实现电流从高位到低位按2的整数倍递减 模拟开关的导通电阻也相应地按2的整数倍递增 为进一步提高D A转换器的精度 可采用权电流型D A转换器 10 1 1倒T形电阻网络D A转换器 10 1 2权电流型D A转换器 Di 1时 开关Si接运放的反相端 Di 0时 开关Si接地 电路 在恒流源电路中 各支路权电流的大小均不受开关导通电阻和压降的影响 这样降低了对开关电路的要求 提高了转换精度 采用恒流源电路后对提高转换精度有什么好处 实际的权电流D A转换器电路 10 1 2权电流型D A转换器 10 1 3D A转换器的输出方式 表10 1 18位D A转换器在单极性输出时的输入 输出关系 1 单极性输出方式 倒T形电阻网络D A转换器单极性电压输出的电路 反相输出 同相输出 10 1 3D A转换器的输出方式 10 1 3D A转换器的输出方式 双极性输出的8位D A转换器输入与输出关系 在实际应用中 D A转换器输入的数字量有正极性也有负极性 这就要求D A转换器能将不同极性的数字量对应转换为正负极性的模拟电压 工作于双极性方式 偏移二进制码与无符号码形式相同 实际上是将二进制对应的模拟量的零值偏移至80H 使移后的数中 只有大于128的才是正数 而小于128的则为负数 所以将单极性8位D A转换器的输出电压减去 80H所对应的模拟量 就可得到极性正确的偏移二进制码输出 10 1 3D A转换器的输出方式 双极性输出的8位D A转换器 10 1 4D A转换器的主要技术指标 1 转换精度 通常用分辨率和转换误差来描述 转换误差 转换误差 转换误差是指D A转换器实际精度与理论上可达到的精度之间存在误差 产生原因 由于D A转换器中各元件参数值存在误差 如基准电压不够稳定或运算放大器的零漂等各种因素的影响 几种转换误差 有如比例系数误差 失调误差和非线性误差等 10 1 4D A转换器的主要技术指标 10 1 4D A转换器的主要技术指标 比例系数误差 是指实际转换特性曲线的斜率与理想特性曲线斜率的偏差 如在n位倒T形电阻网络D A转换器中 当VREF偏离标准值 VREF时 就会在输出端产生误差电压 由式10 1 3可知 由 VREF引起的误差属于比例系数误差 10 1 4D A转换器的主要技术指标 失调误差 由运算放大器的零点漂移引起 其大小与输入数字量无关 该误差使输出电压的转移特性曲线发生平移 三位D A转换器的失调误差如图10 1 8所示 10 1 5集成D A转换器及其应用 1 AD7520D A转换器 10位CMOS电流开关型D A转换器 按其内部电路结构不同一般分为两类 一类集成芯片内部只集成了电阻网络 或恒流源网络 和模拟电子开关 另一类则集成了组成D A转换器的全部电路 AD7520D A转换器属于前一类 10 1 5集成D A转换器及其应用 1 AD7520D A转换器中的1位CMOS模拟开关电路 优点 使用简便 功耗低 转换速度较快 温度系数小 通用性强 10 1 5集成D A转换器及其应用 1 AD7520D A转换器中的1位CMOS模拟开关电路 当输入端Di为高电平时 T1输出为低 T4 T5反相器输出为高 而T6T7反相器输出低电平 从而使T8截止 T9导通 2R电阻经T9接至运算放大器的反相输入端 权电流流入运算放大器 当输入端Di为低电平时 T1输出为高电平 T4 T5反相器输出低电平使T9截止 T6 T7反相器输出高电平使T8导通 这样2R电阻经T8接地 CMOS模拟开关导通电阻较大 通过工艺设计可控制其大小并计入电阻网络 T1 T4 T6 T8 T9为N沟道MOS管 T2 T3 T5 T7为P沟道MOS管 T1 T2与T3组成电平转移电路 使输入信号能与TTL电平兼容 T4与T5 T6与T7构成CMOS反相器 分别作为模拟开关管T8 T9的驱动电路 T T9构成单刀双掷开关 10 1 5集成D A转换器及其应用 2 集成D A转换器应用之一 数字式可编程增益控制电路 D A转换器在实际电路中应用很广 它不仅常作为接口电路用于微机系统 而且还可利用其电路结构特征和输入 输出电量之间的关系构成数控电流源 电压源 数字式可编程增益控制电路和波形产生电路等 电路中运算放大器接成普通的反相比例放大形式 AD7520内部的反馈电阻为运算放大器的输入电阻 而由数字量控制的倒T形电阻网络为其反馈电阻 当数字量变化时 倒T形电阻网络的等效电阻便随之改变 这样 反相比例放大器在其输入电阻一定的情况便可得到不同的增益 如将AD7520内部的反馈电阻作为运算放大器的反馈电阻 数控AD7520的倒T形电阻网络为其输入电阻 电路为数字式可编程衰减器 10 1 5集成D A转换器及其应用 2 集成D A转换器应用之二 脉冲波产生电路 加 减控制电路与10位二进制可逆计数器配合工作 当计数器加到全 1 加 减控制电路复位进入减法计数状态 而当减到全 0 时 加 减控制电路置位 使计数器再次处于加法计数状态 如此周而复始 10 1 5集成D A转换及其应用 2 集成D A转换器DAC0832 它是八位的D A变换器 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 下图是它的内部框图和引脚图 10 1 5集成D A转换及其应用 2 集成D A转换器DAC0832 简化电路框图 10 1 5集成D A转换及其应用 2 集成D A转换器DAC0832 DAC0832管脚图 10 2 1A D转换的一般工作过程 10 2 2并行比较型A D转换器 10 2 3逐次比较型A D转换器 10 2 4双积分式A D转换器 10 2 5A D转换器的主要技术指标 10 2A D转换器 10 2 6集成A D转换器及其应用 A D转换器要将时间上连续 幅值也连续的模拟量转换为时间上离散 幅值也离散的数字信号 它一般要包括取样 保持 量化及编码4个过程 A D转换器概述 A D转换器概述 A D转换器概述 2 A D转换器分类 并联比较型特点 转换速度快 转换时间10ns 1 s 但电路复杂 逐次逼近型特点 转换速度适中 转换时间为几 s 100 s 转换精度高 在转换速度和硬件复杂度之间达到一个很好的平衡 双积分型特点 转换速度慢 转换时间几百 s 几ms 但抗干扰能力最强 A D转换器概述 10 2 1A D转换的一般工作过程 1 取样与保持 采样是将随时间连续变化的模拟量转换为在时间离散的模拟量 采样信号S t 的频率愈高 所采得信号经低通滤波器后愈能真实地复现输入信号 合理的采样频率由采样定理确定 采样定理 设采样信号S t 的频率为fs 输入模拟信号 I t 的最高频率分量的频率为fimax 则fs 2fimax 10 2 1 要将取样电路每次采得模拟信号转换为数字信号都需要一定时间 为了给后续的量化编码过程提供一个稳定的值 在取样电路后要保加持电路 将所采样的模拟信号保持一段时间 取样与保持过程往往是通过采样与保持电路同时完成的 电路要求 AV1 AV2 1A1的Ri高 A2的Ri高 A2的Ro低 采样 不能放电 保持 1 取样与保持 10 2 1A D转换的一般工作过程 1 电路及工作原理 2 量化与编码 为将模拟信号转换为数字量 在A D转换过程中 必须将采样 保持电路的输出电量 按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上 这一转化过程我们称为数值量化 简称量化 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 量化后的数值最后还需通过编码过程用一个代码表示出来 经编码后得到的代码就是A D转换器输出的数字量 10 2 1A D转换的一般工作过程 量化 编码 1 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 10 2 1A D转换的一般工作过程 2 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 10 2 1A D转换的一般工作过程 10 2 2并行比较型A D转换器1 电路组成 电压比较器 输入模拟电压 精密电阻网络 23个电阻 精密参考电压 D触发器 VREF 15 3VREF 15 7VREF 15 9VREF 15 11VREF 15 5VREF 15 13VREF 15 输出数字量 分压器 10 2 2并行比较型A D转换器2 工作原理 11VREF 15 9VREF 15 13VREF 15 7VREF 15 3VREF 15 VREF 15 5VREF 15 VI 8VREF 15 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 I7的优先级最高 001 vi vO vICO1CO2CO3CO4CO5CO6CO7D2D1D0 7VREF 15 vI 9VREF 150001111100 9VREF 15 vI 11VREF 150011111101 5VREF 15 vI 7VREF 150000111011 3VREF 15 vI 5VREF 150000011010 11VREF 15 vI 13VR 150111111110 13VREF 15 vI VREF 151111111111 VREF 15 vI 3VREF 150000001001 0 vI VREF 150000000000 根据各比较器的参考电压值 可以确定输入模拟电压值与各比较器输出状态的关系 比较器的输出状态由D触发器存储 经优先编码器编码 得到数字量输出 10 2 2并行比较型A D转换器2 工作原理 10 2 2并行比较型A D转换器3 电路特点 在并行A D转换器中 输入电压 I同时加到所有比较器的输入端 从 I加入到三位数字量稳定输出所经历的时间为比较器 D触发器和编码器延迟时间之和 如不考虑各器件的延迟 可认为三位数字量是与 I输入时刻同时获得的 所以它具有最短的转换时间 缺点是电路复杂 如三位ADC需比较器的个数目为7个位数越多矛盾越突出 为了解决提高分辨率和增加元件数的矛盾 可以采取分级并行转换的方法 单片集成并行比较型A D转换器的产品很多 如AD公司的AD9012 TTL工艺8位 AD9002 ECL工艺 8位 AD9020 TTL工艺 10位 等 10 2 2并行比较型A D转换器 分级并行转换10位A D转换器 图中输入模拟信号vi 经取样 保持电路后分两路 一路先经第一级5位并行A D进行转换粗转换得到输出数字量的高5位 另一路送至减法器 与高5位D A转换得到的模拟电压相减 由于相减得到差值电压小于1VLSB 为保证第二级A D转换器的转换精度 将差值放大32倍 送第二级5位并行比较器A D转换器 得到低5位输出 这种方法虽然在速度上作出了牺牲 却使元件数大为减少 在需要兼顾分辨率和速度的情况下常被采用 10 2 3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 10 2 3逐次比较型A D转换器 1 转换原理 100 0 100 0 I VREF 2 1 I VREF 2 0 10 2 3逐次比较型A D转换器 1 转换原理 010 0 010 0 I 3 4VREF 1 0 1 0 I 3 4VREF 10 2 3逐次比较型A D转换器 1 转换原理 001 0 001 0 I 5 8VREF 1 0 1 0 I 5 8VREF 1 0 10000000 A 6 84V VREF 10V 1 0 1 0 1 1 1 1 10 2 3逐次比较型A D转换器 四位逐次比较型A D转换器的逻辑电路如下图所示 图中五位移位寄存器可进行并入 并出或串入 串出操作 其F为并行置数端 高电平有效 S为高位串行输入 数据寄存器由D边沿触发器组成 数字量从Q4 Q1输出试分析电路的工作原理 1 0 0 0 0 1 11110 1 F为并行置数端 高电平有效 S为高位串行输入 D A转换器输出电压 O VREF 2 送入比较器C与 I比较 若 I O则比较器C输出 c为1 否则为0 比较结果 1或0 送至数据寄存器的D4 D1 10 2 3逐次比较型A D转换器 1 D3 1 11101 1 D1 D2 D3 0 0 10 2 3逐次比较型A D转换器 1 D2 1 11011 1 D1 D2 D3 0 D3 10 2 3逐次比较型A D转换器 1 D2 1 10111 1 D1 D2 D3 D3 D1 10 2 3逐次比较型A D转换器 小结 1 逐次比较型A D转换器输出数字量的位数越多转换精度越高 2 逐次比较型A D转换器完成一次转换所需时间与其位数n和时钟脉冲频率有关 位数愈少 时钟频率越高 转换所需时间越短 10 2 3逐次比较型A D转换器 10 2 4双积分式A D转换器 间接型 1 双积分式A D转换器的基本指导思想 用得最多的一种U T变换器 其基本原理是对输入模拟电压Ui和参考电压UR分别进行两次积分 先将输入电压Ui转换成与之大小成正比的时间间隔T2 然后在此时间间隔T2内用不变的频率计数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 3 双积分式A D转换器 2 复习积分器 积分电路如图所示 已知输入 I的波形 求 1 I改为红线所示的波形 设电路对 I的积分时间t1 60ms 对VREF积分时使 O 0的时刻为t2 计算t1时刻 O t2 t1 2 若 I改为蓝线所示的波形 再计算t1 60ms时的 O和t2 t1的值 解 1 t2 t1 30ms 60 110 6 3 t ms O V t1 t2 100 90 t ms 3 8 t3 I V 3 双积分式A D转换器 2 复习积分器 积分电路如图所示 已知输入 I的波形 求 1 I改为红线所示的波形 设电路对 I的积分时间t1 60ms 对VREF积分时使 O 0的时刻为t2 计算t1时刻 O t2 t1 2 若 I改为蓝线所示的波形 再计算t1 60ms时的 O和t2 t1的值 解 1 t2 t1 30ms 60 110 6 3 t ms O V t1 t2 100 90 t ms 3 8 4 t3 P I V 3 双积分式A D转换器 2 复习积分器 解 t3 t1 40ms 60 110 6 3 t ms O V t1 t2 100 90 t ms 3 8 4 t3 P 结论 1 t1一定 P与 1成正比 2 t1 VREF一定 t2 t1与 I成正比 2 若 S1改为蓝线所示的波形 t 60ms 计算 O t2 t1 1 0 0 0 10 2 4双积分式A D转换器 积分器 积分器是转换器的核心部分 它的输入端所接开关S1由定时信号Qn控制 当Qn为不同电平时 极性相反的输入电压vI和参考电压VREF将分别加到积分器的输入端 进行两次方向相反的积分 积分时间常数 RC 过零比较器 过零比较器用来确定积分器输出电压vO的过零时刻 当vO 0时 比较器输出vC为低电平 当vO 0时 vC为高电平 比较器的输出信号接至时钟控制门 G 作为关门和开门信号 计数器和定时器 它由n 1个接成计数型的触发器FF0 FFn串联组成 触发器FF0 FFn 1组成n级计数器 对输入时钟脉冲CP计数 以便把与输入电压平均值成正比的时间间隔转变成数字信号输出 当计数到2n个时钟脉冲时 FF0 FFn 1均回到0状态 而FFn反转为1态 Qn 1后 开关S1从位置A转接到B 时钟脉冲控制门 时钟脉冲源标准周期TC 作为测量时间间隔的标准时间 当vC 1时 与门打开 时钟脉冲通过与门加到触发器FF0的输入端 10 2 4双积分式A D转换器 0 1 准备阶段 工作原理 CR信号将计数器清零 开关S2闭合 待积分电容放电完毕后 断开S2 10 2 4双积分式A D转换器 10 2 4双积分式A D转换器 2 第一次积分 1 t t0时 开关S1与A端接通 正的被测电压 I加到积分器的输入端 积分器开始对 I积分 此阶段称为采样阶段 10 2 4双积分式A D转换器 工作原理 0 10 2 4双积分式A D转换器 2 第二次积分 1 1 VREF加到积分器的输入端 积分器开始向相反方向进行第二次积分 当t t2时 积分器输出电压 O 0 比较器输出 C 0 时钟脉冲控制门G被关闭 计数停止 工作原理 10 2 4双积分式A D转换器 0 10 2 4双积分式A D转换器 T1 2nTC T2 Tc T2 t1 t2 在计数器中所计的数 Qn 1 Q1Q0 就是A D转换器得到的结果 10 2 4双积分式A D转换器 优点 1 由于转换结果与时间常数RC无关 从而消除了积分非线性带来的误差 2 由于双积分A D转换器在T1时间内采的是输入电压的平均值 因此具有很强的抗工频干扰的能力 T1 2nTC 3 不需要稳定的时钟源 只要时钟源在一个转换周期时间内保持稳定即可 1 转换精度 10 2 5A D转换器的主要技术指标 单片集成A D转换器的转换精度是用分辨率和转换误差来描述的 分辨率 说明A D转换器对输入信号的分辨能力 通常以输出二进制 或十进制 数的位数表示 一般来说 位数愈多 则每一位二进制代码所代表的模拟量越小 其分辨率也越高 10 2 5A D转换器的主要技术指标 转换误差 表示A D转换器实际输出的数字量和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 常用最低有效位的倍数表示 10 2 5A D转换器的主要技术指标 2 转换时间 指A D转换器从转换控制信号到来开始 到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间 A D转换器的转换时间与转换电路的类型有关 并行比较A D转换器的转换速度最高 逐次比较型A D转换器次之 间接A D转换器 如双积分A D 的速度最慢 10 2 5A D转换器的主要技术指标 例10 2 1某信号采集系统要求用一片A D转换集成芯片在1秒钟内对16个热电偶的输出电压分时进行A D转换 已知热电偶输出电压范围为0 0 025V 对应于0 450 温度范围 需要分辨的温度为0 1 试问应选择多少位的A D转换器 其转换时间为多少 解 由题意可知分辨率为 12位A D转换器的分辨率为 故必须选用13位的A D转换器 系统的采样速率为每秒16次 采样时间为62 5ms 对于这样慢速的采样任何一个A D转换器都可达到 10 2 6集成A D转换器及其应用 1 ADC0804引脚及使用说明 ADC0804是用CMOS集成工艺制成的逐次比较型模数转换芯片 分辨率8位 转换时间100 s 输入电压范围为0 5V 增加某些外部电路后 输入模拟电压可为 5V 以ADC0804介绍集成A D转换器及其应用 该芯片内有输出数据锁存器 当与计算机连接时 转换电路的输出可以直接连接在CPU数据总线上 无需附加逻辑接口电路 10 2 6集成A D转换器及其应用 引脚功能说明 VIN VIN ADC0804的两模拟信号输入端 用以接收单极性 双极性和差动输入信号 D7 D0 A D转换器数据输出端 该输出端具有三态特性 能与微机总线相接 AGND 模拟信号地