第八章-数模和模数转换器.ppt

第8章数模和模数转换器 8 1概述 一 数模和模数转换器的作用 由此可见 模拟 数字转换器和数字 模拟转换器是数字系统和模拟系统相互联系的桥梁 是数字系统中不可缺少的组成部分 数模转换是把数字量转换为模拟量的过程 实现数模转换的电路称数模转换器 Digital AnalogConverter 简称D A转换器 模数转换是把模拟量转换为数字量的过程 实现模数转换的电路称模数转换器 Analog DigitalConverter 简称A D转换器 二 数模和模数转换的概念 8 2D A转换器 输出模拟电压uO应正比于输入数字量的大小 即 uO KD K Dn 12n 1 Dn 22n 2 D121 D020 可见 uO D uO的大小反映了数字量D的大小 数模转换的基本原理 输入数字量D Dn 1Dn 2 D1D0 2 Dn 12n 1 Dn 22n 2 D121 D020 比例系数K是与电路结构有关的常数 也是输入数字量最低位D0 1 其余各位均为0时的模拟输出电压 一 电路组成 8 2 1权电阻网络D A转换器 模拟开关Si受各位输入数字量控制 当Di 1时 开关Si接到1端 电阻Ri与基准电压VREF相连 当Di 0时 开关Si则接到0端 电阻Ri接地 当电子开关S0 S3都接1端时 流入求和运算放大器输入端的总电流i 为 对于n位权电阻D A转换器 则有 由于i iF 故运算放大器的输出电压uO为 二 工作原理 输出电压正比于输入二进制数 从而实现数模转换 如图所示权电阻网络D A转换器中 设n 4 VREF 10v RF R 2 试求 当输入数字量D3D2D1D0 0001时 输出电压的值 当输入数字量D3D2D1D0 1001时 输出电压的值 当输入数字量D3D2D1D0 1111时 输出电压的值 解 三 权电阻网络D A转换器的优缺点 权电阻D A转换器的优点是电路简单 转换速度也比较快 它的缺点是各个电阻的阻值相差很大 而且随着输入二进制代码位数的增多 电阻的差值也随之增加 难以保证电阻精度的要求 这给电路的转换精度带来很大影响 也不利于集成化 8 2 2R 2R倒T形电阻网络D A转换器 模拟开关Si打向1侧时 相应2R支路接虚地 打向0侧时 相应2R支路接地 故无论开关打向哪一侧 倒T型电阻网络均可等效为下图 从A B C D节点向左看去 各节点对地的等效电阻均为R 二 工作原理 故流入求和运算放大器输入端的总电流i 为 对于n位倒T形电阻网络D A转换器 则有 故运算放大器的输出电压uO为 由于倒T形电阻网络D A转换器中各支路的电流恒定不变 直接流入运算放大器的反相输入端 它们之间不存在传输时间差 因而提高了转换速度 所以 倒T形电阻网络D A转换器的应用非常广泛 8 2 3权电流型D A转换器 在讨论倒T形电阻网络D A转换时 电子模拟开关看成是理想的 然而在实际上 这些开关都存在一定的 大小不等的电阻 其上会产生大小不一的电压 这就不可避免地会引起转换误差 为了提高转换精度 可采用权电流型D A转换器 一 电路组成 8 2 3权电流型D A转换器 i位电子模拟开关Si由相应输入数据Di控制 当Di 1时 Si接1 恒流源接运算放大器的反向端 并提供恒流Ii 当Di 0时 Si接0 恒流源接地 当电子开关Si都接1端时 最高位代码对应支路的恒流源电流为I 2 相邻位支路的恒流源电流依次减半 故运算放大器的输出电压uO为 对于n位权电流型D A转换器 则有 二 工作原理 8 2 4D A转换器主要参数 一 转换精度 D A转换器的最低位有效数字量 00 01 对应输出的模拟电压ULSB与最大数字量 11 11 输出满刻度电压UFSR的比值 由此可见 D A转换器的位数n越多 分辨率值就越小 能分辨的最小输出电压值也越小 分辨能力就越强 对于一个10位的D A转换器 分辨率为0 000978 1 分辨率 2 转换误差 指D A转换器从输入数字信号开始转换到输出模拟电压达到稳定值时所需的时间 转换时间越短 转换速度就越高 指D A转换器输出模拟电压与理论输出模拟电压的最大差值 在D A转换过程中 产生误差的原因很多 常见的原因有运放的零点漂移 电子模拟开关接通时的导通压降 基准电压VREF的波动 R 2R倒T形电阻网络中电阻阻值的误差等 二 转换时间 转换误差一般不大于ULSB 2 常用集成D A转换器有两类 一类内部仅含有电阻网络和电子模拟开关两部分 常用于一般的电子电路 另一类内部除含有电阻网络和电子模拟开关外 还带有数据锁存器 并具有片选控制和数据输入控制端 便于和微处理器进行连接 多用于微机控制系统中 8 2 5集成D A转换器AD7520介绍 一 电路组成 基准电压输入端VREF可正可负 内部反馈电阻RF 倒T形电阻网络 CMOS电子模拟开关 输出模拟电压uO为 开关管 两级反相器 电平偏移电路 当i位数据Di 1时 V1截止 V3导通 输出低电平0 经V4 V5组成的反相器后输出高电平1 使V9导通 同时 V6 V7组成的反相器输出低电平0 使V8截止 这时 2R支路电阻经V9接位置1 当Di 0时 则V8导通 V9截止 2R支路电阻接位置0 从而实现了单刀双掷开关的功能 二 电子模拟开关 8 3A D转换器 8 3 1A D转换的一般过程 取样 将模拟信号转换为在时间断续变化 在幅度上等于取样期间模拟信号大小的一串脉冲 保持 保持取样信号 使其有充分时间转换为数字信号 量化 把取样保持电路输出的样值电压变为量化单位整数倍的过程 编码 把量化的结果用二进制代码表示 为了能较好地恢复原来的模拟信号 根据取样定理 要求取样脉冲uS的频率fs必须大于等于输入模拟信号uI频谱中最高频率fI max 的2倍 即fs 2fI max 一 取样 保持电路 当取样脉冲uS为高电平时 NMOS管导通 输入电压uI经其对C迅速充电 使电容C上的电压uC跟随输入电压uI变化 在tW期间uC uI 当取样脉冲uS为低电平时 NMOS管截止 电容C上的电压uC在TS tW期间保持不变 直到下一个取样脉冲到来 输出电压uO始终跟随电容C上的电压uC变化 要将取样 保持电路输出的样值电压变换成与其成正比的数字量 还必须对样值电压进行量化 通常用数字信号最低位 LSB 1对应的模拟电压作为量化单位 用 表示 将样值电压变为量化单位整数倍的过程称为量化 在量化时 样值电压一般不能被 整除 非整数部分的余数被舍去 这必然会产生误差 称为量化误差 A D转换器的位数越多 量化单位越小 则量化误差也越小 二 量化与编码 划分量化电平的两种方法 最大量化误差 1 8 VREF 最大量化误差 2 1 15 VREF 8 3 2并联比较型A D转换器 电阻构成分压器 当0V uI 1 15 VREF时 D2D1D0 000 当 1 15 VREF uI 3 15 VREF时 D2D1D0 001 8 3 2并联比较型A D转换器 8 3 2并联比较型A D转换器 当 3 15 VREF uI 5 15 VREF时 D2D1D0 010 8 3 2并联比较型A D转换器 当 5 15 VREF uI 7 15 VREF时 D2D1D0 011 8 3 2并联比较型A D转换器 当 7 15 VREF uI 9 15 VREF时 D2D1D0 100 8 3 2并联比较型A D转换器 当 9 15 VREF uI 11 15 VREF时 D2D1D0 101 8 3 2并联比较型A D转换器 当 11 15 VREF uI 13 15 VREF时 D2D1D0 110 8 3 2并联比较型A D转换器 当 13 15 VREF uI 1VREF时 D2D1D0 111 逐次渐近型A D转换器的转换原理与天平称物体重量的过程相似 先放一个最重的砝码与被称物体重量进行比较 如砝码比物体轻 则砝码保留 如砝码比物体重 则去掉 换上一个次重量的砝码 再与被称物的重量进行比较 按照此办法 直加到最轻的一个砝码为止 将所有留下的砝码重量相加 就是最渐近被称物体的重量 根据这一思路可构成逐次渐近A D转换器 8 3 3逐次渐近型A D转换器 一 电路组成 二 工作原理 01000 100 uO uI uC 1uO uI uC 0 转换控制信号uS为高电平时 转换开始 Q5 0 G7 G9被封锁 无数码输出 二 工作原理 Q5 0 无数码输出 二 工作原理 Q5 0 无数码输出 二 工作原理 二 工作原理 这时 FF6 FF8的状态就是所要求转换的结果 由于Q5 1 故FF6 FF8的状态通过G7 G9输出 Q5 0 G7 G9重新被封锁 输出的数字信号消失 二 工作原理 8 3 4双积分型A D转换器 一 电路组成 积分器是A D转换器的核心部分 通过开关S2对被测模拟电压uI和与其极性相反的基准电压 VREF进行两次方向相反的积分 时间常数 RC 8 3 4双积分型A D转换器 检零比较器在积分器之后 用以检查积分器输出电压uO的过零时刻 当uO 0时 输出uC 0 当uO 0时 输出uC 1 一 电路组成 一 电路组成 8 3 4双积分型A D转换器 时钟控制门有三个输入端 第一个接检零比较器的输出uC 第二个接转换控制信号uS 第三个接标准时钟脉冲源CP 当uC 1 uS 1时 G1打开 计数器对时钟脉冲CP计数 当uC 0时 G1关闭 计数器停止计数 一 电路组成 8 3 4双积分型A D转换器 当n位二进制计数器计到2n个时钟脉冲时 计数器由11 1回到00 0状态 并送出进位信号使定时触发器FFn置1 即Qn 1 开关S2接基准电压 VREF 计数器由0开始计数 将与输入模拟电压uI成正比的时间间隔转换成数字量 1 转换准备 8 3 4双积分型A D转换器 转换控制信号uS 0 G2输出1 一是使开关S1闭合 电容C充分放电 二是使计数器清零 FFn输出Qn 0 使开关S2接输入模拟电压uI 二 工作原理 8 3 4双积分型A D转换器 2 第一次积分 取样阶段 二 工作原理 8 3 4双积分型A D转换器 2 第一次积分 取样阶段 由于积分器uO 0 过零比较器输出uC 1 这时时钟控制门G1打开 计数器开始对周期为TC的时钟脉冲CP进行计数 经时间T1 2nTC后 计数器计满2n个CP脉冲 各计数触发器自动返回0状态 同时给定时触发器FFn送出一个进位信号 FFn置1 使开关S2接 VREF 二 工作原理 2 第一次积分 取样阶段 8 3 4双积分型A D转换器 二 工作原理 8 3 4双积分型A D转换器 3 第二次积分 比较阶段 在时间t t1 T1 时 第一次积分结束 开关S2接 VREF 电容C开始放电 积分器对 VREF进行反向积分 第二次积分 二 工作原理 8 3 4双积分型A D转换器 3 第二次积分 比较阶段 由于积分器uO 0 检零比较器输出uC 1 计数器从0开始第二次计数 当积分器输出电压uO t 上升到uO t 0时 由uC 0 G1关闭 计数器停止计数 二 工作原理 二 工作原理 8 3 4双积分型A D转换器 3 第二次积分 比较阶段 二 工作原理 8 3 4双积分型A D转换器 3 第二次积分 比较阶段 8 3 5A D转换器的主要参数 1 分辨率 指A D转换器输出数字量的最低位变化一个数码时 对应输入模拟量的变化量 例如最大输出电压为5V的8位A D转换器的分辨率为5V 28 19 53mA 分辨率也可用A D转换器的位数表示 位数越多 能分辨的最小模拟电压值就越小 指A D转换器实际输出的数字量与理论输出数字量之间的差值 通常用最低有效位LSB的倍数来表示 2 相对精度 3 转换速度 例如相对误差 1LSB 2 即说明实际输出数字量和理想上得到的输出数字量之间的误差不大于最低位1的一半 转换时间是指A D转换器完成一次转换所需的时间 即从接到转换控制信号开始到输出端得到稳定数字量所需的时间 转换时间越小 转换速度越高 8 3 6集成A D转换器CC7106介绍 一 CC7106的引脚功能 VREF VREF 基准电压正负端CREF 基准电容端COM 模拟信号公共端TEST 数字地和测试端IN IN 模拟电压输入端AZ 外接校零电容端BUF 外接积分电阻端INT 外接积分电容端OSC1 OSC3 时钟振荡器外接元件端 VDD VEE 电源正 负端a1 g1 个位笔段驱动端a2 g2 十位笔段驱动端a3 g3 百位笔段驱动端bc4 千位b c笔段驱动端PM 负极性显示输出端BP 液晶显示器背面公共输出端 8 3 6集成A D转换器CC7106介绍 二 CC7106的组成 8 3 6集成A D转换器CC7106介绍 二 CC7106的组成 8 3 6集成A D转换器CC7106介绍 三 应用举例 D A转换是将输入的数字量转换为与之成正比的模拟电量 常用的D A转换器主要有权电阻网络型 R 2R倒T形电阻网络型 权电流网络型转换器 R 2R倒T形电阻网络D A转换器所需电阻种类少 转换速度快 便于集成化 但转换精度较低 权电流网络D A转换器转换速度和转换精度都比较高 本章小结 A D转换是将输入的模拟电压转换为与之成正比的数字量 常用A D转换器主要有并联比较型 双积分型和逐次渐近型 其中 并联比较型A D转换器属于直接转换型 其转换速度最快 但价格贵 双积分型A D转换器属于间接转换型 其速度慢 但精度高 抗干扰能力强 逐次渐近型也属于直接转换型 其速度较快