数模与模数转换电路.ppt

第七章数模与模数转换电路 在现代控制 通信及检测领域中 对信号的处理广泛采用了数字计算机技术 而系统的实际处理对象往往都是一些模拟量 如温度 压力 位移 图像等 因而 就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路 模数转换电路和数模转换电路 在本章中 将介绍几种常用A D与D A转换器的电路结构 工作原理及其应用 7 1数模 D A 转换器能将模拟信号转换成数字信号的电路 称为模数转换器 简称A D转换器 而将能把数字信号转换成模拟信号的电路称为数模转换器 简称D A转换器 一 D A转换器的基本原理数字量是用代码按数位组合起来表示的 对于有权码 每位代码都有一定的权 为了将数字量转换成模拟量 必须将每1位的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 这就是构成D A转换器的基本思路 右图为D A转换器的输入 输出关系框图 D0 Dn 1是输入的n位二进制数 vo是与输入二进制数成比例的输出电压 输入为3位二进制数时D A转换器的转换特性如图 它具体而形象地反映了D A转换器的基本功能 二 权电阻网络D A转换器 1 权电阻网络D A转换器电路权电阻网络D A转换器电路如下图所示 它由理想运算放大器 电阻网络 电子模拟开关等组成 当di 1时 i 0 1 2 3 电子模拟开关接VREF 当di 0时 电子模拟开关接地 2 权电阻D A转换原理 当取反馈电阻 时 对n位D A转换器 仍取反馈电阻 Dn为n位数字量 因此 输出电压与输入数字量成正比关系 满足D A转换要求 3 电压变化范围及特点 电压变化范围为 特点 该电路结构简单 但各电阻阻值差别大 转换二进制位数多时 电阻种类过多 转换精度受电阻分散性影响较大 4 双级权电阻网络D A转换器 三 倒T形电阻网络D A转换器在集成D A转换器中 使用最多的是倒T形电阻网络D A转换器 1 倒T形电阻网络D A电路四位倒T形电阻网络D A转换器的原理图如图 于是可得总电流 输出电压 n位倒T形电阻网络D A转换器输出模拟量 或 vO KDn 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 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的整倍数递增 倒T形电阻网络D A转换器是目前广泛使用的D A转换器中速度较快的一种 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 DAC1210 12位 和AK7546 16位高精度 等 四 权电流型D A转换器倒T形电阻网络D A转换器具有较高的转换速度 但转换精度仍需要提高 可采用权电流型D A转换器 1 原理电路 采用了恒流源电路之后 各支路权电流的大小均不受开关导通电阻和压降的影响 这就降低了对开关电路的要求 提高了转换精度 2 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 该电路特点为 基准电流仅与基准电压VREF和电阻R1有关 而与BJT R 2R电阻无关 这样 电路降低了对BJT参数及R 2R取值的要求 对于集成化十分有利 由于在这种权电流D A转换器中采用了高速电子开关 电路还具有较高的转换速度 采用这种权电流型D A转换电路生产的单片集成D A转换器有AD1408 DAC0806 DAC0808等 这些器件都采用双极型工艺制作 工作速度较高 五 权电流型D A转换器应用举例1 D A转换器DAC0808的电路结构框图 d0 d7是8位数字量输入端IO是求和电流的输出端 VREF 和VREF 接基准电流发生电路中运算放大器的反相输入端和同相输入端 COMP供外接补偿电容之用 VCC和VEE为正负电源输入端 2 DAC0808D A转换器的典型应用 用DAC0808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 如图 在VREF 10V R1 5k Rf 5k 的情况下 输出电压为 输出模拟电压的变化范围为0 9 96V 六 D A转换器的主要技术指标1 分辨率分辨率是指D A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数 输入数字量位数越多 输出电压可分离的等级越多 即分辨率越高 在实际应用中 往往用输入数字量的位数表示D A转换器的分辨率 2 转换精度D A转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想值之差 即最大静态转换误差 3 输出电压 或电流 的建立时间 转换速度 4 温度系数 7 2A D转换器一 A D转换的基本原理 A D转换 就是用数字量来表示模拟量 在A D转换器中 因为输入的模拟信号在时间上是连续量 而输出的数字 信号是离散量 所以进行转换时必须在一系列选定的瞬间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 因此 一般的A D转换过程是通过采样 保持 量化和编码这四个步骤完成的 如图 1 采样定理为了正确无误地用采样信号vS表示模拟信号vI 必须有足够高的采样频率 根据香农 Shannon 定理 为了保证能从采样信号中恢复被采样信号 模拟信号vI 应满足 式中fS为采样频率 fimax为输入vI的最高频率分量的频率 2 量化和编码我们知道 数字信号不仅在时间上是离散的 而且在数值上的变化也不是连续的 在用数字量表示采样电压时 也必须把它化成某个最小数量单位的整倍数 这个转化过程就叫做量化 所规定的最小数量单位叫做量化单位 用 表示 显然 数字信号最低有效位 LSB 中的1表示的数量大小 就等于 把量化的数值用二进制代码表示 称为编码 这个二进制代码就是A D转换的输出结果 3 量化误差模拟电压是连续的 它不一定能被 整除 因而不可避免的会引入量化误差 不同的量化方法可能得到不同的量化误差 二 采样 保持电路基本采样 保持电路如图7 13所示 N沟道MOS管T作为采样开关用 当控制信号vL为高电平时 T导通 输入信号vI经电阻Ri和T向电容Ch充电 若取Ri Rf 则充电结束后vO vI vC 当控制信号返回低电平 T截止 由于Ch无放电回路 所以vO的数值被保存下来 三 并行比较型A D转换器 单片集成并行比较型A D转换器的产品较多 如AD公司的AD9012 TTL工艺 8位 AD9002 ECL工艺 8位 AD9020 TTL工艺 10位 等 主要特点 速度快 但制造分辨率较高的集成并行A D转换器是非常困难 四 逐次比较型A D转换器逐次逼近转换过程与用天平称物体的重量非常相似 先在天平上加上最大的砝码 如不够 再加次大的砝码 如砝码太多了 则拿去刚刚加入的砝码 换成较小的砝码 直至与重物相等 转换开始后 顺序脉冲发生器的输出脉冲首先将逐次逼近寄存器的最高位置1 经DAC转换成相应的模拟电压 与输入电压进行比较 若 表示转换后的数字量过大 应将最高位置0 而将次高位置1 若 则表示转换后的数字量过小 应保留最高位 并将次高位置1 这样逐次比较下去 直至最低位为止 此时寄存器的输出就是对应输入模拟电压的数字量输出 常用的集成逐次比较型A D转换器有ADC0808 0809系列 8 位 AD575 10位 AD574A 12位 等 五 集成A D转换器ADC0809介绍ADC0809是CMOS八通道 八位逐次逼近型A D转换器 它的结构框图和引脚排列分别如图所示 ADC0809共有28个引脚 各引脚功能如下 IN0 IN7 为八通道模拟量输入端 由8选1数据选择器选择其中某一个通道送往A D转换器进行转换 A B C 为8选1数据选择器的地址信号输入端 根据A B C信号的8种不同组合 选择相应的模拟量IN0 IN7 ALE 地址锁存信号输入端 高电平有效 在该信号上升沿到来时 将ABC三信号线的信号锁存 8选1数据选择器工作 D0 D7 8位数字量输出端 EOUT 为输出允许端 当EOUT 1时 允许转换完成的数字量输出 CLOCK 为外部时钟信号输入端 在ADC0809中的典型频率为640kHz START 为启动信号输入端 该信号上升沿将内部所有寄存器清零 其下降沿使ADC0809转换开始 EOC 结束转换标志信号端 当ADC0809转换结束时 该引脚输出高电平 UDD 电源输入端 GND 接地端 UR UR 分别为正 负参考电压输入端 通常UR 接UDD UR 接地 六 双积分型A D转换器 双积分型A D转换器是一种间接A D转换器 它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