模电DA转换器ppt课件.ppt

1 1 掌握倒T型电阻网络D A转换器的组成和工作原理2 了解D A转换器的电压输出方式3 了解A D转换一般过程 四步 采样 保持 量化 编码 4 了解并行 逐次比较A D转换电路的组成 原理掌握双积分A D转换器的组成和工作原理 基本要求 数电10 模数与数模转换器 概述 A D转换 模拟量 数字量 D A转换 数字量 模拟量 2 应用举例 3 应用举例 1 数字控制系统 发送端 接收端 2 数字通信系统 4 10 1数 模转换器 一 D A转换的基本原理 1 需解决的问题 把输入的数字量 n位二进制代码 转换成与之成正比的模拟量 电流 电压 2 思路 1 将每一位二进制码按其权的大小转换成相应的模拟量 2 将各位代码转换的模拟量求和 5 n位D A转换器方框图 N位数字量控制N位模拟开关的状态 N位模拟开关状态控制解码网络是否把相应位的权对应的模拟量 求和电路 6 T型电阻网络 有 各支路电流分别为 3 分类 1 按解码网络 2 按电子开关形式 权电流型 倒T型电阻网络型 T型电阻网络型 CMOS开关型 双极型开关型 7 10 1 1倒T形电阻网络D A转换器 R 2R电阻解码网络呈倒T形 D3 D0 输入数字量 S3 S0 模拟开关 Si受Di控制 Di 1时 Si接运放反相端 Di 0时 Si将2R接地 运放A接成反相比例运算电路 外接 VREF 参考电压 vo 输出模拟电压 1 电路组成 8 2 工作原理 由 虚地 可知 开关状态不影响电阻支路电流 即有 各支路电流分别为 9 流入运放反相端的总电流 推广到n位 有 10 3 反相比例放大器的输出 vo RfI 输出模拟电压与输入数字量成正比 比例系数K为 11 AD7533D A转换器 使用 1 要外接运放 2 运放的反馈电阻可使用内部电阻 也可采用外接电阻 例 集成D A转换器 10位CMOS电流开关型D A转换器 12 3 倒T形电阻网络D A转换器的特点 1 模拟开关在地与输入之间转换 无论开关状态如何变化 各支路电流始终不变 即不需要电流建立时间 2 各支路电流直接流入运放的输入端 不存在传输时间差 因而提高了转换速度 并减少了动态过程中输出电压的尖峰脉冲 此种D A转换器是目前速度最高 应用最多的一种 问题 S开关导通压降若不完全相同 将影响转换精度 13 关于D A转换器精度的讨论 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 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 为提高D A转换器的精度 对电路参数的要求 3 每个模拟开关的开关电压降要相等 14 2 特点 1 共性 开关支路电流与权成正比 电流相加 2 不同 产生支路电流的方法不同 图9 1 8 P437 实际的权电流型D A电路 BJT恒流源电路 3 优点 速度快 恒流源 对开关要求低 1 分析 权电流型D A Di 1 Si接通反相输入端 Di 0 Si接通同相输入端 15 10 1 3D A转换器的输出方式 由解码网络得到的是与输入数字量成正比的电流信号 为得到电压信号 还要选择合适的输出电路 1 单极性输出 1 反相输出 若R RF vO与VREF反相 单极性 输入 无符号位二进制码输出 单极性模拟信号 VLSB 16 2 同相输出 同相比例放大器 VO与VREF同相 17 2 双极性输出 输入 有符号位的数字量 常用补码表示 输出 正 负极性的模拟电压 此时 D A转换器工作于双极性输出方式 常见的编码方式有 补码 偏移二进制码或符号 数值码等 P437 P439 不作要求 感兴趣者自学 18 10 1 4D A转换器的主要技术指标 分辨率 其定义为D A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数 n位DAC最多有2n个模拟输出电压 位数越多D A转换器的分辨率越高 分辨率也可以用能分辨的最小输出电压与最大输出电压之比给出 n位D A转换器的分辨率可表示为 1 分辨率 19 2 转换精度 转换精度是指对给定的数字量 D A转换器实际值与理论值之间的最大偏差 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 20 比例系数误差 指实际转换特性曲线的斜率与理想转换特性曲线斜率的偏差 当VREF偏离标准值 VREF时 在输出端产生的误差电压 Vo即为比例系数误差 Vo 21 失调误差 由运放的零漂引起 其大小与输入数字量无关 使输出电压的转移特性曲线发生平移 非线性误差 产生的原因有 解码网络的支路电阻误差 模拟开关导通电阻 开关压降的误差等 结论 为获得高精度的D A转换 不仅应选择位数较多的高分辨率D A转换器 而且 还需要选用高稳定度的VREF和低温漂的运算放大器等器件与之配合 22 3 转换速率 实际应用中 要实现快速D A转换 不仅需要D A转换器有较高的转换速率 还应选用转换速率较高的集成运放与之配合使用 建立时间 满量程建立时间 tset D从全0变为全1 vo从0变为Vom规定误差范围内 1 2VLSB 所需时间 D A转换器的动态参数 23 10 1 5集成D A转换器AD7533及其应用 1 符号 功能 25V 25V 5V 15V 地 外接 10k 内接 内部仅含倒T型电阻网络 电流开关 反馈电阻RF R 需外接集成运放A参考电压VREF 24 2 应用 1 单极性电压输出电路 Vom D0 D9全1 VLSB D0 1其余全0 25 2 单极性电压输出应用 阶梯波产生器 多谐振荡器 5进制计数器 D A转换器 26 3 三角波 抛物波产生器 27 10 2模数转换器 概述 1 A D转换 将随时间连续变化的模拟量转换为与之相应的数字量 模拟量是时间 幅值均连续 而数字量则为时间 幅值均离散 实现A D转换 首先必须在一系列选定的瞬间 对输入的模拟信号取样 变为时间的离散量 取样后要保持一段时间 在此时间内 将取样的电压量化为数字量 变为时间 幅值的离散量 然后 按一定的编码方式给出结果 即实现A D转换 一般要经过取样 保持 量化 编码4个过程 实际电路中 取样和保持 量化和编码往往同时进行 28 模拟信号转换成时间离散的信号取样电路 TC 取样时间 开关闭合 vO vI TS 取样周期 fS 取样频率 TS TC 开关断开 vO 0 fS 2fmax 取样保持 A 取样保持 量化编码 D 取样信号S t 频率越高 所取得的信号经低通滤波器后 越能真实地复现输入信号 合理的取样频率由取样定理决定 fmax为输入模拟电压最高频率分量的频率 29 时间离散信号与数字信号间的转换 量化 将样值化成最小单位的整数倍N的过程量化单位 量化的最小单位 D 00 1时所代表的数值 VLSB 量化误差 由于模拟电压是连续的 所以取样电压不一定能被 整除 因此 量化过程不可避免地会引入误差 称为量化误差 属于原理误差 无法消除 位数越多 误差越小 1 时间离散信号 数字信号 30 只舍不入 舍尾求整法 例 采样得到时间离散信号vi 最大值为1V 最小值为0V 要求将其转换成为3位二进制数字量 解 取量化单位 1 8V 则将vi 舍尾求整 得到vi与数字信号之间的关系是 最大量化误差 vi3位二进制数字量 31 2 有舍有入 四舍五入法 例 采样得到时间离散信号vi 最大值为1V 最小值为0V 要求将其转换成为3位二进制数字量 解 取量化单位 2 15V 则将vi 四舍五入 得到vi与数字信号之间的关系是 最大量化误差 2 vi3位二进制数字量 32 0 0 vi 0 51 0 5 vi 1 52 1 5 vi 2 53 2 5 vi 3 54 3 5 vi 4 55 4 5 vi 5 56 5 5 vi 6 57 6 5 vi 7 5 vmax 7 5 vmax 7 5 2 15V 当要转换成n位二进制数时 vmax 2n 1 0 5 vmax 2n 0 5 33 2 A D转换器的分类 1 直接A D转换器 将输入的模拟电压直接 不需要中间变量 转换为数字量 并行比较型 由电压比较器 寄存器 编码器构成 可以不附加取样 保持电路 特点 转换速度快 但随着输出代码数位的增加 电路规模急剧膨胀 34 并行A D 1 3位并行A D转换器组成 1 分压器 2 比较器 3 寄存器 4 编码器2 工作原理优先级别 I7最高 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 图8 3 3并行ADC原理框图 35 2 A D转换器的分类 1 直接A D转换器 将输入的模拟电压直接 不需要中间变量 转换为数字量 反馈比较型 由D A转换器 电压比较器 寄存器等构成 其思路是 取一个数字量加到D A转换器上 得到一个对应的模拟输出电压 将其与待转换的模拟电压相比较 若两者不等 则调整所取的数字量 直到两个模拟电压相等为止 此时所取的数字量即为转换结果 常用 典型电路为逐次比较型A D转换器 由D A转换器 电压比较器 寄存器 时钟脉冲源 控制逻辑等5部分构成 特点 转换速度较慢 数位较多时 电路规模比并行比较型小得多 是目前集成A D转换器中应用最多的一种 36 逐次比较型 其工作原理可用天平秤重作比喻 若有四个砝码共重15克 每个重量分别为8 4 2 1克 设待秤重量Wx 13克 可以用下表步骤来秤量 37 2 工作原理 1 转换前 寄存器清零D 0 v REF 0 2 转换信号到来 3 第一步 控制逻辑将寄存器最高位置1 Dn 1 1 D 100 0经D A控制v REF VREF 2与vI比较 若v REF vI 1 逐次比较A D组成框图 若v REF vI 38 4 第二步 控制逻辑将寄存器次高位置1Dn 2 1 D 100 0 第n步 D0 1 若最高位已存0 则此时v REF 1 4vREF 若最高位已存1 则此时v REF 3 4vREF 39 vI 1 2V 3 特点优点 元件少缺点 速度慢 比较n次 适于速度低 精度高的电路 40 2 间接A D转换器 电压 频率变换型 V F变换型 首先将输入模拟电压转换为与之成正比的频率信号 然后在固定的时间间隔内 对频率信号计数 其结果即为所求 41 2 间接A D转换器 电压 时间变换型 V T变换型 首先将输入模拟电压转换为与之成正比的时间间隔 然后用固定的时钟脉冲测定该时间间隔 其结果即为所求 典型电路为双积分A D转换器 42 1 电路组成 43 0 开关S2闭合 待积分电容放电完毕后 断开S2使电容的初始电压为0 此时可认为vo 0 t 0时 Cr信号将计数器清零 Qn 0 开关S1与A端相接 2 工作原理 准备阶段 44 2 第一次积分 45 VREF加到积分器的输入端 积分器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 3 第二次积分 46 T1 2nTC T2 Tc T2 t1 t2 在计数器所计的数 Qn 1 Q1Q0 就是A D转换器得到的结果 47 9 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 只要求时钟源在一个转换周期时间内保持稳定即可 48 缺点 转换速度慢 最大2n 2TCP 精度受计数器位数 运放 比较器的零点漂移 时钟频率的波动 积分电容漏电及开关导通电阻的差异等影响 49 1 转换精度 9 2 5A D转换器的主要技术指标 单片集成A D转换器的