第九章_数-模和模-数转换

第九章数 模和模 数转换 9 1概述9 2D A转换器9 3A D转换器 9 1概述 模 数与数 模转换器是计算机与外部设备的重要接口 也是数字测量和数字控制系统的重要部件 将模拟量转换为数字量的装置称为模 数转换器 简称A D转换器或ADC 传感器 模拟控制 模拟信号 数字计算机 数字控制 数字信号 ADC DAC 将数字量转换为模拟量的装置称为数 模转换器 简称D A转换器或DAC 常见数模 模数转换器应用系统 物理量 二进制信号 模拟信号 DAC和ADC主要指标 DAC 权电阻网络D A转换器倒T型电阻网络D A转换器权电流型D A转换器权电容网络D A转换器开关树型D A转换器 ADC 直接转换型间接转换型 并联比较型反馈比较型 双积分型 V T变换型 V F变换型 计数型逐次渐近型 分类 转换精度 转换速度 9 2D A转换器 DAC D A转换思路 如 1101 2 9 2 1权电阻网络D A转换器 一 电路 电阻网络 求和运放 电子开关 组成 电阻网络 电子开关 求和运放 参考电源 反相加法运算电路 二 工作原理 1 有关知识复习 2 分析 输入为n位二进制数时的表达式 当Dn dn 1dn 2 d1d0时 输出的模拟电压vo正比于输入的数字量Dn 当Dn 0时 当Dn 11 11时 特点 1 电阻数量少 结构简单 2 电阻种类多 差别大 不易集成 vo 0 vo的最大变化范围 双级权电阻网络D A转换器 9 2 2倒T型电阻网络D A转换器 一 电路 1 只有R 2R两种阻值的电阻 2 模拟开关Si不论接何位置 都相当于接地 3 从AA DD端向左看的等效电阻皆为R 电阻网络特点 二 原理 输入为n位二进制数时的表达式 电路特点 1 电阻种类少 便于集成 2 开关切换时各点电位不变 因此速度快 集成D A转换器CB7520简介 CMOS模拟开关电路 9 2 3权电流型D A转换器 利用倒T型电阻网络的权电流型D A转换器 权电流型集成数模转换器DAC0808简介 DAC0808的典型应用 双极型电路8位数字量输入需外接求和放大器需外接基准电阻RR 9 2 7DAC的转换精度与转换速度 一 转换精度 输出模拟电压应能区分0 2n 1共2n个输入数字量 有时也称为线性误差 它表示实际输出模拟电压与理想输出模拟电压间的最大误差 二 转换误差 一 分辨率 表示方法 1 用输入二进制数的位数表示 2 用输出模拟电压的最小值与最大值的比值表示 分辨率 转换误差的表示形式 1 最低有效位的倍数 如 1LSB 2 输出电压满刻度FSR FullScaleRange 的百分数 如 0 1 FSR 转换误差分析 1 参考电源引起的误差称为比例系数误差 2 运放零点漂移引起的误差称为漂移误差或平移误差 3 模拟开关的导通内阻和导通压降以及电阻网络中电阻的偏差引起的误差称为非线性误差 二 转换速度 用完成一次转换所需的时间 建立时间tset来衡量 建立时间 从输入信号的数字量发生突变开始 直到输出电压进入与稳态值相差 1 2LSB范围以内的时间 输入由全0变为全1 或由全1变为全0 所需时间最长 不包含运放的DAC tset可达0 1ms 包含运放的DAC tset可达1 5ms 9 3A D转换器 ADC 9 3 1A D转换的基本原理 A D转换的基本步骤 取样 采样 量化 由A D转换电路完成 由取样 保持电路完成 模拟量 数字量 量化编码 取样保持 保持 保持取样信号 使有充分时间将其变为数字信号 取样 把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号 保持 编码 一 取样定理 取样定理 为保证能从取样信号将原来的被取样信号恢复 必须满足 fs 2fimax fs 取样频率 fimax 输入模拟信号的最高频率分量 通常取 fs 3 5 fimax 二 量化和编码 量化单位 数字信号最低位LSB所对应的模拟信号大小 用 表示 即1 量化 把取样后的保持信号化为量化单位的整数倍 量化误差 因模拟电压不一定能被 整除而引起的误差 编码 把量化的数值用二进制代码表示 划分量化电平的两种方法 输入电压 二进制代码 代表的模拟电压 0 0 1 1 8 2 2 8 3 3 8 4 4 8 5 5 8 6 6 8 7 7 8 输入电压 二进制代码 代表的模拟电压 最大量化误差 1 8 V 2 1 15 V 9 3 2取样 保持电路 一 电路组成及工作原理 当vL为高电平 T导通 CH充电至 vO vC vI 当vL为低电平 T截止 CH基本不放电 vO保持 矛盾 为使CH充电快 RI越小越好 为使电路输入电阻高 RI越大越好 二 改进电路 LF198 及工作原理 当vL 1时 S闭合 vO v O vI vC vI 当vL 0时 S断开 vO保持 D1D2的作用 限制v O在vI vD以内 起保护作用 电路结构 典型接法 工作原理 9 3 3直接A D转换器 一 并联比较型A D转换器 比较器 寄存器 编码器 CP 1 电路 2 原理 特点 速度快 转换时间小于50ns 不需取样 保持电路 电路复杂 需要很多电压比较器和触发器 代码转换表 思路 二 反馈比较型A D转换器 将一数字量加到DAC上 得到一个对应的输出模拟电压 将该模拟电压与输入模拟电压相比较 若不相等 则修改数字量 直到两模拟电压相等 此时对应的数字量就是转换结果 1 计数型A D转换器 数字量由计数器提供 vL 0计数器清零vL 1启动转换 特点 1 电路简单 2 速度慢 最长转换时间可达2n 1倍时钟信号周期 1 基本框图 2 逐次渐近型A D转换器 数字量由逐次渐近寄存器提供 思路 从输出数字量的最高位起 逐位判断该位的值 0 1 基本原理 寄存器清零 寄存器最高位置成1 输出100 0 模拟电压vo 若vO vI 将最高位的1清除 即置0 若vO vI 将最高位的1保留 同样的方式将次高位置成1 并确定是否应该保留 此时 寄存器中的状态就是所要求的数字量 直至最低位 2 电路图 清零QAQBQC 000设初值Q1Q2Q3Q4Q5 00001 第1个CP到来后 Q1Q2Q3Q4Q5 10000 寄存器右移一位 FA置1FB置0FC置0 vo DAC vB 1 vB 0 第2个CP到来后 Q1Q2Q3Q4Q5 01000 FB置1门1打开 FA置0 FA的 1 保留 第3个CP到来后 Q1Q2Q3Q4Q5 00100 FC置1门2打开 FB置0 FB的 1 保留 第4个CP到来后 Q1Q2Q3Q4Q5 00010 门3打开 FC置0 FC的 1 保留 第5个CP到来后 Q1Q2Q3Q4Q5 00001 FA FB FC的状态作为转换结果输出 一般地 当输出为n位时 需n 2个时钟周期可完成转换 特点 速度较快 电路也不太复杂 00001 000 5 9 0 0 5 0 000 10000 100 4 3 5 0 000 01000 110 6 5 5 0 000 00100 111 7 6 5 1 000 00010 110 6 5 5 0 000 00001 110 6 5 5 0 110 举例 9 3 4间接A D转换器 1 电路组成 一 双积分型A D转换器 基本原理 对输入模拟电压vI和基准电压 VREF进行两次积分 先对输入模拟电压进行积分 将其变换成与输入模拟电压成正比的时间间隔T1 再利用计数器测出此时间间隔 则计数器所计的数字量就正比于输入的模拟电压 接着对基准电压进行同样的处理 2 工作原理 电压波形图 相关计算 若T1 N1TC 2nTC 电路实现 1 性能稳定 转换精度高 转换结果与R C 时钟周期无关 2 抗干扰能力强 3 工作速度低 完成一次转换时间不小于2n 1TC 3 特点 二 V F变换型A D转换器 9 3 5A D转换器的转换精度和转换速度 一 转换精度 分辨率 能区分的最小输入模拟电压 如最大输入电压为5V的10位A D的分辨率为 转换误差 表示实际输出与理想输出数字量的差别以相对误差的形式 LSB的倍数 给出 如 相对误差不大于 1 2 LSB 二 转换速度 并联比较型 逐次渐近型 间接A D转换器 双积分型 用二进制或十进制位数表示 当位数为n位时 能区分的最小电压为FSR 2n 几种A D转换器的性能比较 一 A D类型 直接ADC 反馈比较型 逐次渐近型 计数型 间接ADC 电压 时间变换型 V T 双积分型 电压 频率变换型 V F 并联比较型 二 性能比较 优点 缺点 并联比较型 转换速度高 转