数模转换讲解

1 第九章数模和模数转换 本章的重点 1 D A转换器的基本工作原理 包括双极性输出 输入与输出关系的定量计算 2 A D转换器的主要类型 并联比较型 逐次渐近型 双积分型 它们的基本工作原理和综合性能的比较 3 D A A D转换器的转换速度与转换精度及影响它们的主要因素 由于目前使用的D A A D期间都是LSI电路 所以讲授的重点是在转换原理及器件应用方法上 而不在于器件内部详细的结构及工作过程 本章的难点 本章的难点在一些A D转换器内部电路结构和详细工作过程上 但这不是本章学习的重点 2 第九章数模和模数转换 第一节概述 数模转换 将数字量 Digital 转换为模拟量 Analog 简称D A转换 模数转换 将模拟量 Analog 转换为数字量 Digital 简称A D转换 被控对象 传感器 A D转换器 计算机 D A转换器 驱动电路 3 主要指标 转换精度 转换速度 D A转换器 权电阻网络D A转换器 倒T型电阻网络D A转换器 权电容网络D A转换器 权电流型D A转换器 开关树型D A转换器 A D转换器 直接转换型 并联比较型 反馈比较型 间接转换型 双积分型 V T变换型 V F变换型 计数型 逐次渐进型 分类 4 一 权电阻网络D A转换器 第二节D A转换器 1 原理 由四部分组成 权电阻网络 求和放大器 模拟开关 参考电源 权电阻网络 求和放大器 模拟开关 任务 求出输出模拟电压与输入数字量d3d2d1d0间的关系 2 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 LeastSignificantBit MostSignificantBit 输入数字量 输入数字量 5 二 倒T型电阻网络D A转换器 1 原理 电阻网络特点 模拟开关Si不论接何位置 都相当于接地 任意节点向左看的等效电阻皆为R 公式推导 6 倒T型 7 集成D A转换器CB7520简介 十位 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 可外接反馈电阻R 需外接运放 模拟开关电路 8 在权电阻网络D A转换器和倒T型电阻网络D A转换器中 若模拟开关不是理想开关 其导通电阻和导通压降将影响转换精度 权电流型D A转换器可解决这一问题 三 权电流型D A转换器 恒流源如图 但电阻REi的种类多 因此 经常用倒T型电阻网络的分流作用来实现 9 10 双极型电路 8位数字量输入 外接求和放大器 外接电阻 则 输入数字量 此时 输出模拟电压范围为 0 9 96V 权电流型集成数模转换器DAC0808简介 参考四位时的公式 有 11 带符号数以补码形式给出 输出为正 负极性的模拟电压 四 具有双极性输出的D A转换器 当输入数字量是带符号数时 就需要双极性输出的D A转换器 当d2 1时 对应输出电压为4V IB应等于I 2 因此 三位DAC的输出 12 五 D A转换器的转换精度与转换速度 一 转换精度 通常用分辨率和转换误差来描述 1 分辨率 输出模拟电压应能区分0 2n 1共2n个输入数字量 表示方法 1 用输入二进制数的位数表示 如8位 2 用输出模拟电压的最小值与最大值的比值表示 该比值显然等于 13 由于电路各部分都有误差 还要给出误差来表示实际能达到的转换精度 转换误差有时也称为线性误差 它表示实际的D A转换特性和理想转换特性之间的最大偏差 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 2 转换误差 14 3 转换误差分析 D A转换器的四个组成部分 均可引起转换误差 但具有不同的特点 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 15 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 非线性误差有时导致转换特性局部非单调性 从而引起系统不稳定 注意 运放和参考电源多为外接 电阻网络和模拟开关在集成DAC内部 16 例 在10位倒T型电阻网络DAC中 VREF 10V 为保证VREF偏离标准值所引起的误差小于1 2LSB 计算VREF相对稳定度应取多少 解 1 计算1 2LSB 当输入数字量D 1时 输出电压为LSB 故 2 计算当VREF变化量为时所引起的输出变化量的最大值 而 即 0 05 这里VREF 10V 允许的参考电源变化量小于5mV 输入数字量的最大值 17 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 从输入信号变化开始到输出电压进入与稳态值相差1 2LSB范围以内的时间 输入信号由全0变为全1所需时间最长 不包含运放的DAC建立时间可达0 1 当外接运放时 转换时间还应加上运放的上升 下降 时间 转换时间 建立时间 输出模拟电压最大值 运放输出转换速率 18 第三节A D转换器 一 A D转换的基本原理 在A D转换器中 由于输入模拟信号在时间上是连续的 而输出数字信号是离散的 所以转换只能在一系列选定的瞬间对输入模拟信号采样 然后再把这些采样值转换成输出数字量 A D转换的基本步骤 采样 取样 保持 量化 编码 由取样 保持电路完成 由A D转换电路完成 取样 保持 19 1 取样 保持 取样定理 为保证从取样信号恢复被取样信号 必须满足 取样信号频率 在实际的取样保持电路中有一个取样控制信号 它的频率就是取样信号频率 取样定理又称为香农定理 Shannon 下面通过取样信号的幅频特性与滤波器的幅频特性的关系说明取样定理 输入信号最高频率 20 为低电平时 T截止 取样电容CH上的电荷无泄放回路 将保持 取样 保持电路 取样电路输出信号的幅频特性 滤波器的幅频特性 显然要满足 为高电平时 场效应管T导通 进行取样 电路缺点 输入电阻RI过大会降低取样速度 过小又加重信号源负载 改进方法 在输入端加隔离放大器 下面通过集成取样保持电路LF198介绍改进的取样 保持电路 此时无法用滤波器恢复输入波形 21 集成取样保持电路LF198 调零 输入模拟电压 取样控制信号 外接保持电容 在取样阶段 开关S接通 运放AI A2构成两级电压跟随器 在保持阶段 S断开 电容CH上电荷保持不变 使输出电压保持不变 二极管D1 D2和电阻R1构成保护电路 在取样阶段 S接通 D1 D2截止 保护电路不起作用 在保持阶段 S断开 保持不变 但在变 使达到正 负 最大值 使开关S承受过高的电压 接上保护电路后可使基本等于输入电压 22 2 量化和编码 量化 把输出数字量为1时对应的输入模拟电压称为量化单元 记做 当输出数字量为D时 对应的输入模拟电压应为D 即量化单元的整数倍 因此 对于任意输入模拟电压 首先应把它量化为的整数倍 这就是量化 编码 用二进制代码表示量化后的输入模拟电压 量化和编码是在同一个电路中完成的 下图说明了两种量化方法 23 当输入电压不为的整数倍时 必然产生误差 称为量化误差 量化误差 量化误差 1 15V 若用此范围表示001会更准确 24 输入为双极性时 输出一般采用二进制补码表示 可用下图表示 1V 二进制补码 量化后输出的二进制补码 25 二 直接A D转换器 1 并联比较型A D转换器 将输入模拟电压直接转换为数字量 不经过中间变量 介绍并联比较型和反馈比较型两大类 采用第二类量化方法 转换过程 将要输入模拟电压加在输入端 然后加一个CP脉冲 输出端就出现转换结果 编码情况可用下表说明 特点 速度快 转换时间小于50ns 电路复杂 不需取样 保持电路 26 d2 Q4 d1 Q6 Q4Q2 d0 Q7 Q6Q5 Q4Q3 Q2Q1 公式化简过程请同学自己解决 27 2 反馈比较型A D转换器 1 计数型A D转换器 思路 将一数字量加到D A转换器上 再把D A转换器输出的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 数字量由计数器提供 启动转换 由于量化引起的误差为1LSB 第一类量化方法 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 28 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 以输出四位数字量a3a2a1a0为例 1 输入1000到逐次渐近寄存器 以确定a3的值 2 输入a3100到逐次渐近寄存器 以确定a2的值 3 输入a3a210到逐次渐近寄存器 以确定a1的值 4 输入a3a2a11到逐次渐近寄存器 以确定a0的值 可见 主要转换步骤只需4个时钟周期就可完成 实际转换器还要增加两个时钟周期时间 下面结合具体电路说明工作过程 28页 29 时 该位为1 否则该位为0 27页 30 移位寄存器初始状态 Q1Q2Q3Q4Q5 10000 CP1后 移位寄存器为01000 QAQBQC 100 CP2后 移位寄存器为00100 QAQBQC d210 确定d2值 CP3后 移位寄存器为00010 QAQBQC d2d11 确定d1值 CP4后 移位寄存器为00001 QAQBQC d2d1d0 确定d0值 同时输出d2d1d0 CP5后 移位寄存器为10000 QAQBQC d2d1d0 但对下一步无影响 一般 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 因此 逐次渐近型A D转换器是集成A D转换器用的最多的一种 第二种量化方法 31 三 间接A D转换器 1 双积分型A D转换器 中间变量为时间T的 称为V T变换型 电压 时间变换型 中间变量为频率F的 称为V F变换型 电压 频率变换型 属于V T变换型 第一次积分 对输入模拟电压定时积分 时间为T1 由控制逻辑电路决定 第二次积分 对参考电源VREF定速积分 的变化速度由VREF R和C决定 电容C上电压 32 t1时刻电容电压即值为 第二次积分结束时积分器输出电压为0 即 故 33 设时钟周期为TC 输出数字量为D 则 代入上式得 可使T1 2nTC T2 DTC的电路如下图 至于T1 若满足 34 影响精度因素 计数器位数 比较器灵敏度 比较器零点漂移 运放零点漂移 积分电容漏电 TC瞬间波动 35 特点 性能稳定 转换结果与R C无关 也与时钟周期无关 这是两次积分的结果 抗干扰能力强 积分器对平均值为0的干扰有很强的抑制能力 如电网干扰 若取第一次积分时间为交流电网电压周期的整数倍 理论上可完全抑制电网干扰 缺点是速度慢 完成一次转换时间不小于2n 1TC 在要求速度不高的场合有广泛的应用 如数字电压表等 36 2 V F变换型A D转换器 压控振荡器输出脉冲频率于输入电压有很好的线性关系 寄存器可防止输出数字跳动 影响精度的因素 压控振荡器的稳定度和线性度 计数器的位数 特点 VCO输出是调频信号易于传输 且抗干扰能力强 适用于遥测 遥控系统中 一般将VCO放在发射端 其他部分放在接收端 由于高精度的VCO不易得到 因此精度不易提高 速度慢 这是由于计数型原理决定的 37 四 A D转换器的转换精度和转换速度 一 A D转换器的转换精度 采用分辨率和转换误差来描述 1 分辨率 能区分的最小输入模拟电压 用输出数字量的位数表示 当位数为n位时 能区分的最小