第九章--模数与数模转换(介绍).ppt

AnalogDigitalConverterandDigitalAnalogConverter 第一节概述 第二节D A转换器 第九章模数与数模转换器 第三节A D转换器 22 作业 9 49 59 13 22 3 正确理解D A A D转换器的主要参数 1 掌握倒T形电阻网络D A转换器 DAC 集成D A转换器的工作原理及相关计算 2 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 教学基本要求 22 ADC和DAC已成为计算机系统中不可缺少的接口电路 将温度 压力 流量 应力等物理量转换为模拟电量 计算机进行数字处理 如计算 滤波 保存等 用模拟量作为控制信号 第一节概述 22 22 模拟放大 数模放大 典型数控系统结构框图 22 第二节D A转换器 将数字量转换为与之成正比模拟量 概述 数 模转换器 A KD uO KNB 22 一 D A转换器的基本原理 对于有权码 先将每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总模拟量 从而实现了数字 模拟转换 22 数字量是用二进制数码按数位组合而成的 对于有权码 每位数码都有一定的权值 如能将每一位数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 从而实现数字量 模拟量的转换 1 实现D A转换的基本思想 ND b4 24 b3 23 b2 22 b1 21 b0 20 1 24 1 23 0 22 0 21 1 20 将二进制数NB 11001 B转换为十进制数ND 22 2 D A转换器的组成 DAC的数字数据可以并行输入也可串行输入 用来存放数字量的各位数码 由输入数字量控制 产生权电流 将权电流相加产生与输入成正比的模拟电压 22 3 实现D A转换的原理电路 22 二 几种常见的D A转换器 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 D A转换器 22 ECL emitter coupledlogic射极耦合逻辑 一 权电阻网络D A转换器 权电阻D A转换器电路十分简单 但是 当数字量的位数增多时 权电阻数目增多 阻值范围越来越大 权电阻阻值的种类太多 集成电路制造 权电阻的匹配都比较困难 所以权电阻D A转换器的转换精度受到了限制 22 所以 无论Si处于何种位置 与Si相连的2R电阻均接 地 地或虚地 这样流经某一2R电阻的电流与开关的位置无关 是个确定值 图中S0 S3为模拟电子开关 由输入数码Di控制 当Di 1时 Si接运算放大器反相输入端 虚地 电流Ii流入求和电路 当Di 0时 Si将电阻2R接地 电流的参考方向 电流的真实方向也如此 二 倒T形电阻网络D A转换器 4位 22 输出电压 则流过各开关支路 从右到左 的电流分别为I 2 I 4 I 8 I 16 于是得总电流 将输入数字量扩展到n位 则有 可简写为 uO KNB其中 K 可算出 基准电流I UREF R 常用的CMOS开关倒T形电阻网络D A转换器的集成电路有AD7520 10位 等 22 AD7520是10位CMOS电流开关型D A转换器 芯片内含有倒T形电阻网络 CMOS电流开关和反馈电阻 R 10K 该集成D A转换器在应用时必须外接参考电压源和运算放大器 其内部电阻网络组成的D A转换电路如图所示 AD7520的引脚图如图所示 CMOS开关倒T形电阻网络D A转换器AD7520 22 22 要使D A转换器具有较高的精度 对电路中的参数有以下要求 1 基准电压稳定性好 2 倒T形电阻网络中R和2R电阻的比值精度要高 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的整倍数递减 模拟开关的导通电阻也相应地按2的整数倍递增 由于在倒T形电阻网络D A转换器中 各支路电流直接流入运算放大器的输入端 它们之间不存在传输上的时间差 电路的这一特点不仅提高了转换速度 而且也减少了动态过程中输出端可能出现的尖脉冲 它是目前广泛使用的D A转换器中速度较快的一种 关于D A转换器精度的讨论 22 Di 1时 开关Si接运放的反相端 Di 0时 开关Si接地 用恒流源代替倒T型电阻网络 三 权电流型D A转换器 为进一步提高D A转换器的转换精度 可采用权电流型D A转换器 22 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 22 采用具有电流负反馈的BJT恒流源电路的权电流D A转换器 IE3 I 2 IE2 I 4 IE1 I 8 IE0 I 16 22 由图可见 T3 T0的基极是接在一起的 三极管的发射结压降UBE相同 则它们的发射极处于相同的电位 在计算各支路的电流时 可以认为所有2R电阻的上端都接到了同一个电位上 因而电路的工作状态与倒梯形电阻网络的工作状态一样 这时流过每个2R电阻的电流自左而右依次减少1 2 为了保证所有三极管的发射结压降相等 在发射极电流较大的三极管中按比例地加大了发射结的面积 即T3 T0发射结面积之比为8 4 2 1 在图中T3 T0均采用了多发射极晶体管来表示 其发射极个数是8 4 2 1 这样 在各BJT电流比值为8 4 2 1的情况下 T3 T0的发射极电流密度相等 结面积的比值8 4 2 1 可使各发射结电压VBE相同 由于T3 T0的基极电压相同 所以它们的发射极e3 e2 e1 e0就为等电位点 在计算各支路电流时将它们等效连接后 流入每个2R电阻的电流从高位到低位依次减少1 2 各支路中电流分配比例满足8 4 2 1的要求 电流的参考方向 电流的真实方向也如此 22 参考电压源UREF 运算放大器A2 R1 Tr R与VEE组成基准电流IREF产生电路 A2和R1 Tr的cb结组成电压并联负反馈电路 以稳定输出电压 即Tr的基极电压 Tr的集电结 电阻R到VEE为反馈电路的负载 由于电路处于深度负反馈 根据虚短的原理 其基准电流为 可推得n位倒T形权电流D A转换器的输出电压 22 特点输出电压仅与基准电压和R1有关 而与电阻网电阻无关 三 D A转换器的输出方式 单极性输出方式 当数字量为正值 根据电路形式或基准电压的极性 使输出电压值为0 正满度值 或为0 负满度值 如0 10V 单极性输出方式 数字输入量采用自然二进制码 双极性输出方式 把不同极性的二进制数字量转换为正负极性的模拟电压的方式 如 5V 5V 双极性输出方式 数字输入量常采用2的补码 22 DAC0808D A转换器输出与输入的关系 设UREF 10V 一 单极性输出方式 二进制数没有符号位 全是数值位 22 8位D A转换器输出与输入的关系 设UREF 10V 22 反相输出 同相输出 8位D A转换器的单极性输出方式 22 二 双极性输出方式 因为在数字系统中数值通常是带符号的 所以希望D A转换器能够把带符号的二进制数输入转换成正负极性的模拟电压输出 22 输入为3位二进制补码时要求D A转换器的输出 二 双极性输出方式 如果按单极性输出电路 转换如下 22 偏移二进制码输出 或者称双极性输出 实现方法 将输入数字量的补码转换为偏移二进制码 再送入D A转换电路 常用双极性编码 22 原码的2的补码 22 8位D A转换器的双极性输出方式 双极性输出D A转换器 22 设NB 00010110 双极性输出D A转换器 22 设NB 10010110 四 D A转换器的主要技术指标 分辨率 其定义为D A转换器对输入微小量的敏感程度 是D A转换器在理论上可以达到的精度 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 一 转换精度 22 输入数字量位数越多 输出电压可分离的等级越多 即D A转换器的分辨率越高 2 转换误差 转换误差是指对给定的数字量 D A转换器实际转换值与理想值之间的偏差 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 22 二 转换速度 当输入的数字量发生变化时 输出的模拟量并不能立即达到所对应的量值 它要延迟一段时间 一般用建立时间和转换速率来描述 2 转换速率 SR 在大信号工作状态下模拟电压的变化率 1 建立时间 tset 当输入的数字量发生变化时 输出电压变化到相应稳定电压值所需时间 最短可达0 1 S 22 三 温度系数 在输入不变的情况下 输出模拟电压随温度变化产生的变化量 一般用温度每升高1 C 数出电压变化的百分数来表示 22 1 数字式可编程增益控制电路 AD7520 五 D A转换器AD7520应用举例 22 Iout1 I0 I1 I2 I9 根据虚断有 22 2 波形产生电路 74163具同步清零功能 74163和与非门构成十进制计数器 0000 1001 22 阶梯波产生电路 六 D A转换器DAC0808应用举例 DAC0808是8位权电流型D A转换器 其中D0 D7是数字量输入端 用这类器件构成的D A转换器时 需要外接运算放大器和产生基准电流用的电阻R1 22 22 当UREF 10V R1 5k Rf 5k 时 输出电压为 22 六 D A转换器DAC0808应用举例 第三节A D转换器 一 A D转换的一般工作过程 二 A D转换器的基本工作原理 三 A D转换的主要技术指标 四 集成A D转换器 23 概述 23 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 2 A D转换器分类 23 取样 时间上离散的信号 保持 量化 量值上也离散的信号 编码 一 A D转换的一般工作过程 A D转换器一般要包括取样 保持 量化及编码4个过程 23 一 取样定理 取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 取样信号S t 的频率愈高 所取得信号经低通滤波器后愈能真实地复现输入信号 合理的取样频率由取样定理确定 取样定理 设取样信号S t 的频率为fs 输入模拟信号uI t 的最高频率分量的频率为fimax 则应满足 fs 2fimax S t 1 开关闭合S t 0 开关断开 23 取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 在取样电路后要求将所取样的模拟信号保持一段时间 取样 S闭合 保持 S断开 二 取样与保持电路及工作原理 一般取样和保持同时完成 23 N沟道MOS管T作为开关用的取样 保持电路 当控制信号uL为高电平时 T导通 uI经电阻Ri和T向电容Ch充电 则充电结束后uO uI uC 当控制信号返回低电平后 T截止 Ch无放电回路 所以uO的数值可被保存下来 23 三 量化与编码 数字信号在数值上是离散的 取样 保持电路的输出电压还需按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上 任何数字量只能是某个最小数量单位的整数倍 这个最小量化单位用 表示 它是数字信号最低位为1时所对应的模拟量 量化后的数值最后还需通过编码过程用一个代码 二进制代码或其他代码 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 1 量化 2 编码 23 在量化过程中由于所取样电压不一定能被 整除 所以量化前后一定存在误差 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 只舍不入量化方式四舍五入的量化方式 3 量化误差 量化前的电压与量化后的电压差 4 量化方式 23 a 只舍不入量化方式 量化中把不足一个量化单位的部分舍弃 对于等于或大于一个量化单位部分按一个量化单位处理 最大量化误差为 最小量化单位 1 8V 1LSB 1 8V 例 将0 1V电压转换为3位二进制代码 23 b 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 最大量化误差为 最小量化单位 1LSB 2 15V 例 将0 1V电压转换为3位二进制代码 23 二 A D转换器的工作原理 电压比较器 输入模拟电压 精密电阻网络 精密参考电压 UREF 15 3UREF 15 7UREF 15 9UREF 15 11UREF 15 5UREF 15 13UREF 15 输出数字量 一 并行比较型A D转换器 23 uI 8UREF 15 1 1 1 1 0 0 0 001 9UREF 15 23 uICO1CO2CO3CO4CO5CO6CO7D2D1D0 7UREF 15 uI 9UREF 150001111100 9UREF 15 uI 11UREF 150011111101 5UREF 15 uI 7UREF 150000111011 3UREF 15 uI 5UREF 150000011010 11UREF 15 uI 13UREF 150111111110 13UREF 15 uI UREF1111111111 UREF 15 uI 3UREF 150000001001 0 uI UREF 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 23 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 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 所以它的转换时间最短 缺点是电路复杂 如三位ADC需7个比较器 7个触发器 8个电阻 位数越多 电路越复杂 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 23 1 逻辑电路 二 逐次比较型A D转换器 23 逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似 2 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 23 2 转换原理 第一个CP 23 2 转换原理 第二个CP 23 2 转换原理 第三个CP 23 23 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 23 三 双积分式A D转换器 1 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 双积分式A D转换器也称为电压 时间 数字式积分器 23 2 电路组成 积分器 过零比较器 计数器 时钟脉冲控制器 23 0 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使电容的初始电压为0 3 工作原理 1 准备阶段 23 2 第一次积分 23 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 23 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 23 4 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 23 三 A D转换器的主要技术指标 1 分辨率 说明A D转换器对输入信号的分辨能力 一般以输出二进制 或十进制