第七章AD与DA转换器.ppt

第七章A D与D A转换器 A DandD Aconverter 7 1概述 7 2D A转换器 7 3A D转换器 7 1概述 A D 模拟信号转换成数字信号 实现A D转换的电路称为A D转换器 D A 数字信号转换成模拟信号 实现D A转换的电路称为A D转换器 7 2D A转换器7 2 1D A转换器及主要参数1 D A转换器的输入是数字量 输出是模拟量 输出模拟量与输入数字量之间应有这样的关系 数字量大 输出的模拟量也大 数字量小 输出的模拟量也小 即模拟量和输出量之间应满足如下关系 A KD 那么怎样才能实现这一关系呢 我们把二进制数D按位权展开即 D dn 1 2n 1 dn 2 2n 2 d1 21 d0 20A K dn 1 2n 1 dn 2 2n 2 d1 21 d0 20 这就是D A转换器的转换特性表达式 从转换特性表达式可看出 实现D A转换的组成部分如下 1 求和运算放大器 实现求和 通常接成反相比例求和 2 模拟开关 控制d 0或d 1时 求和电路的项数 3 译码网络 用来实现2n 1 20 4 基准电源 保证系数K的一致性 要求精度高 D A转换器的主要技术指标1 转换精度 1 分辨率 D A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数 电路所能分辨的最小输出电压ULSB 输入的数字代码最低有效位为1 其余各位都为0 与满刻度输出电压Um 输入的数字代码的各位均为1 之比 即分辨率 例如 n 10的D A转换器的分辨率为1 1023 0 000987若Um 5V 则ULSB 5 0 000987 5mV 分辨率还可以直接用输入数字量的位数来表示 输入数字量位数越多 分辨率越高 所以 在实际应用中 常用字量的位数表示D A转换器的分辨率 此外 也可用D A转换器的最小输出电压与最大输出电压之比来表示分辨率 N位D A转换器的分辨率可表示为1 2n 1 2 转换误差 绝对误差和非线性误差 绝对误差 输入端加满刻度的数字量时 D A转换器输出的理论值与实际值之差 一般来说 绝对误差应低于USLB 2 其影响因素主要有电子开关导通的电压降 电阻网络阻值偏差 参考电压偏离 集成运放漂移产生的误差 非线性误差 在满刻度范围内偏离转换特性的最大值称为非线性误差 它与满刻度之比称为非线性度 常用百分比表示 2 转换速度 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 2 转换速率 SR 在大信号工作状态下模拟电压的变化率 3 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 一般用满刻度输出条件下温度每升高1 输出电压变化的百分数作为温度系数 根据译码网络的不同权电阻网络型T型电阻网络型倒T型电阻网络型权电流型 3 D A转换器的分类 7 2 2倒T型电阻网络D A转换器 1组成及其工作原理 如果是n位的D A转换器 则UO的表达式为 Uo VREF 2n dn 1 2n 1 dn 2 2n 2 d1 21 d0 20 倒T型电阻网络D A转换器的特点是 1 模拟开关在地与虚地之间转换 不论开关状态如何变化 各支路的电流始终不变 因此 不需要电流建立时间 2 各支路电流直接流入运算放大器的输入端 不存在传输时间差 因而提高了转换速度 并减小了动态过程中传输电压的尖峰脉冲 以国产5G7520为例 n 10 采用倒T型电阻译码网络和CMOS模拟电子开关 反馈电阻RF 10K已集成在片内 求和运算放大器A 基准电源 10V 10V 及模拟开关的电源 5V 15V 均需外接 2 集成D A转换器 7 2 3CMOS模拟电子开关 1 要求在D A转换器中使用的模拟电子开关是受输入数字信号的状态控制的 因为传输的是模拟信号 所以要求模拟开关应接近于理想开关 其接通和断开应不影响被传送模拟信号的数值 CMOS电子开关双极型电子开关 前面第二章讲双向模拟开关 但它能够传输的是电压信号 而我们现在需要传送的是电流信号 2 分类 3 CMOS模拟电子开关 3 CMOS模拟电子开关 3 CMOS模拟电子开关 若d1 1 则VN1截止 VN2导通 流过2R的电阻流入反馈电阻 若d1 0 则VN2截止 VN1导通 流过2R的电阻流入地 D A转换器 8位的D A转换器常用的有DAC0832 DAC0808 都属于R 2RT型电阻网络型 刚才所介绍的AD7520为AD公司的产品 7 3A D转换器 7 3 1A D转换器的步骤及分类 A D转换的一般步骤模拟信号在时间上是连续的 我们不可能对所有的时间点的信号进行采样 只能在一系列选定的瞬间 即时间坐标轴上的一些规定点 对输入的模拟信号采样 将这些特殊点的模拟量转换成数字量 通常A D转换须经过采样 保持和量化 编码这两大步骤完成 1 采样 保持到底采多少个点或者说隔多长时间采样一次 应以采样后的信号能不失真地反映原来的信号 对于一个频率有限的模拟信号 可以由采样定理确定采样频率为 其中fs为采样频率 fimax为输入模拟信号的上限值 通常选择采样频率fs 2 5 3 fimax 应该是采样频率越高越好 但要付出代价 如外接的存储器的容量要大 1024 8 1024 8 2 由于采样时间极短 采样输出为一串断续的窄脉冲 而要把一个模拟采样信号数字化需要一定的时间 因此在前后两次采样之间 应将采样的模拟信号保持下来 否则采样的模拟信号已发生了变化 可见 进行A D转换时所用的输入电压 实际上是每次取样结束时的vI值 采样保持电路的电路图如下所示 还是上一个例子 这种方法产生的最大误差为1 15V 步骤 1 采样时 使UL为高电平 S闭合 UO UI 此时 UCH UI 2 采样结束时 S断开 由于A2的输入阻抗很高 Ch上的电压基本保持不变 3 当下一个采样控制信号到来后 S又闭合 电容Ch上的电压又跟随此时的输入信号UI而变化 采样 保持电路的输出信号已成阶梯状 但阶梯幅值仍是连续可变的 要想变成数字量 就需要把幅值进行量化 就类似于用尺子去度量一根绳子 然后取整 量化就是将离散的阶梯幅值转化为某规定的最小单位的整数倍 量化的方法有两种 一种是只舍不入 另一种是有舍有入 只舍不入的方法是 取最小量化单位 Um 2n 将0 之间的模拟电压归并到0 将 2之间的模拟电压归并到1 依次类推 这种方法产生的最大量化误差为 2 量化 编码 例 将0 1V的模拟电压转换成3位二进制数 按前面所讲 Um 8 这种方法产生的最的误差为1 8V 有舍有入的方法是 取最小量化单位 Um 2n 1 将0 2之间的模拟电压归并到0 将 2 3 2之间的模拟电压归并到1 依次类推 这种方法产生的最大量化误差为 2 2 A D转换器的分类A D转换器的种类很多 但从转换过程看可以分为两大类 并联比较型A D转换器直接型反馈比较型计数型逐次渐进型间接型电压时间变换 U T 型积分型电压频率变换 U F 型 直接型特点 工作速度高 调整较方便 间接型特点 速度较慢 但精度可以做得较高 且抗干扰性强 学习目的 逐次渐进型A D转换器属直接型A D 通过这部分内容的学习 同学们一要掌握A D转换器的原理 二要掌握数字时序逻辑电路的的分析方法 为今后分析和设计更复杂的电路打基础 1 工作原理 类似天平称物体的原理 天平的一端放被称的物体 另一端加砝码 各砝码的重量按二进制关系设置 一个比一个小一半 称重时 将各种重量的砝码从大到小逐一放在天平上加以试探 经天平比较加以取舍 一直到天平基本平衡为止 这样就以一系列二进制码的重量之和表示了被称物体的重量 7 3 2逐次渐进型A D转换器 顺序脉冲发生器 依次产生各种重量的砝码 组成 控制电路 决定本次所放砝码的取舍 寄存器 把顺序脉冲发生器和控制电路处理后的二进制数暂时存放起来 D A转换器 寄存器输出的数字量转换成模拟量 电压比较器 将D A转换器的输出电压与被转换的电压进行比较 输出用来控制控制电路 结论 3位A D转换器转换完成用了5个CP脉冲 n位A D转换器用n 2个脉冲 优点 精度高 转换速度快 转换时间固定简化了与计算机同步 所以常常用作微机接口 2 常用的A D转换器芯片有ADC0809 ADC0804 AD574A 仅介绍ADC0890 CMOS器件 除了有8位A D转换器外 还有8路模拟开关以及地址锁存与译码 有三条地址输入线ADDA ADDB ADDC 可决定选通一路 该芯片内还有便于与微机数据总线连接的三态输出锁存器 UI3UI4UI5UI6UI7STARTEOCD3OECLKVCC VREFGNDD1 UI2UI1UI0ADDAADDBADDCALED7D6D5D4D0 VREFD2 它属于间接型 基本原理是 通过两次积分 先把模拟电压UI转换成与之大小相对应的时间T 再在时间间隔T内用计数频率不变的计数器计数 计数器所计数字量就正比于输入模拟电压 7 3 3双积分型A D转换器 1 原理框图 2 工作原理 uc 2 工作原理 1 初始化 令US 0 则Fn 1Fn 1 F1F0FC 00 000 D1 1 计数器不工作 D2 1 开关S0闭合使积分电容充分放电 由于QC 0 使开关S1接至ui一侧 2 第一次积分阶段 采样阶段 也叫定时积分 令US 1 则D2 0开关S0断开 D1 cp 积分器在固定时间T1内进行积分 T1 2nTc3 第二次积分 开关S1接至 UR 积分器开始反向积分 计数器又从零开始计数 经过时间T2后积分电压回升到0 比较器输出uc为低电平 将门D1封锁 停止计数 转换结束 优点 具有较强的抗干扰能力 体现在以下两个方面 1 采用了测量输入电压在采样时间T1内平均值的原理 因此对于周期等于T1或T1 n的对称干扰 从理论上讲具有无穷大的抑制能力 在工业系统中