数模和模数转换概要PPT课件

Chapt10数模和模数转换 学习要点 数模和模数转换的基本原理 6 1概述 能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器 简称A D转换器或ADC 能将数字量转换为模拟量的电路称为数模转换器 简称D A转换器或DAC 10 1概述 10 2D A转换器 将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量 然后将代表各位的模拟量相加 所得的总模拟量就与数字量成正比 这样便实现了从数字量到模拟量的转换 基本原理 转换特性 D A转换器的转换特性 是指其输出模拟量和输入数字量之间的转换关系 图示是输入为3位二进制数时的D A转换器的转换特性 理想的D A转换器的转换特性 应是输出模拟量与输入数字量成正比 即 输出模拟电压uo Ku D或输出模拟电流io Ki D 其中Ku或Ki为电压或电流转换比例系数 D为输入二进制数所代表的十进制数 如果输入为n位二进制数dn 1dn 2 d1d0 则输出模拟电压为 1 分辨率分辨率用输入二进制数的有效位数表示 在分辨率为n位的D A转换器中 输出电压能区分2n个不同的输入二进制代码状态 能给出2n个不同等级的输出模拟电压 分辨率也可以用D A转换器的最小输出电压与最大输出电压的比值来表示 10位D A转换器的分辨率为 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 输出建立时间从输入数字信号起 到输出电压或电流到达稳定值时所需要的时间 称为输出建立时间 3 D A转换器的构成 不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端 虚地 还是接到地 也就是不论输入数字信号是1还是0 各支路的电流不变的 设RF R 2 分别从虚线A B C D处向右看的二端网络等效电阻都是R 不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端 虚地 还是接到地 也就是不论输入数字信号是1还是0 各支路的电流不变 4 集成D A转换器及其应用 小结 D A转换器的功能是将输入的二进制数字信号转换成相对应的模拟信号输出 D A转换器根据工作原理基本上可分为二进制权电阻网络D A转换器和T型电阻网络D A转换器两大类 由于T型电阻网络D A转换器只要求两种阻值的电阻 因此最适合于集成工艺 集成D A转换器普遍采用这种电路结构 如果输入的是n位二进制数 则D A转换器的输出电压为 10 3A D转换器 模拟电子开关S在采样脉冲CPS的控制下重复接通 断开的过程 S接通时 ui t 对C充电 为采样过程 S断开时 C上的电压保持不变 为保持过程 在保持过程中 采样的模拟电压经数字化编码电路转换成一组n位的二进制数输出 t0时刻S闭合 CH被迅速充电 电路处于采样阶段 由于两个放大器的增益都为1 因此这一阶段uo跟随ui变化 即uo ui t1时刻采样阶段结束 S断开 电路处于保持阶段 若A2的输入阻抗为无穷大 S为理想开关 则CH没有放电回路 两端保持充电时的最终电压值不变 从而保证电路输出端的电压uo维持不变 1 分辨率A D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示 位数越多 误差越小 转换精度越高 例如 输入模拟电压的变化范围为0 5V 输出8位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V 2 8 20mV 而输出12位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V 2 12 1 22mV 2 相对精度在理想情况下 所有的转换点应当在一条直线上 相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差 3 转换速度转换速度是指完成一次转换所需的时间 转换时间是指从接到转换控制信号开始 到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间 0 ui VREF 14时 7个比较器输出全为0 CP到来后 7个触发器都置0 经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0 000 VREF 14 ui 3VREF 14时 7个比较器中只有C1输出为1 CP到来后 只有触发器FF1置1 其余触发器仍为0 经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0 001 4 A D转换器的构成 3VREF 14 ui 5VREF 14时 比较器C1 C2输出为1 CP到来后 触发器FF1 FF2置1 经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0 010 5VREF 14 ui 7VREF 14时 比较器C1 C2 C3输出为1 CP到来后 触发器FF1 FF2 FF3置1 经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0 011 依此类推 可以列出ui为不同等级时寄存器的状态及相应的输出二进制数 转换开始前先将所有寄存器清零 开始转换以后 时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1 使输出数字为100 0 这个数码被D A转换器转换成相应的模拟电压uo 送到比较器中与ui进行比较 若ui uo 说明数字过大了 故将最高位的1清除 若ui uo 说明数字还不够大 应将这一位保留 然后 再按同样的方式将次高位置成1 并且经过比较以后确定这个1是否应该保留 这样逐位比较下去 一直到最低位为止 比较完毕后 寄存器中的状态就是所要求的数字量输出 原理框图 基本原理 3位逐次逼近型A D转换器 转换开始前 先使Q1 Q2 Q3 Q4 0 Q5 1 第一个CP到来后 Q1 1 Q2 Q3 Q4 Q5 0 于是FFA被置1 FFB和FFC被置0 这时加到D A转换器输入端的代码为100 并在D A转换器的输出端得到相应的模拟电压输出uo uo和ui在比较器中比较 当若ui uo时 比较器输出uc 1 当ui uo时 uc 0 第二个CP到来后 环形计数器右移一位 变成Q2 1 Q1 Q3 Q4 Q5 0 这时门G1打开 若原来uc 1 则FFA被置0 若原来uc 0 则FFA的1状态保留 与此同时 Q2的高电平将FFB置1 第三个CP到来后 环形计数器又右移一位 一方面将FFC置1 同时将门G2打开 并根据比较器的输出决定FFB的1状态是否应该保留 第四个CP到来后 环形计数器Q4 1 Q1 Q2 Q3 Q5 0 门G3打开 根据比较器的输出决定FFC的1状态是否应该保留 第五个CP到来后 环形计数器Q5 1 Q1 Q2 Q3 Q4 0 FFA FFB FFC的状态作为转换结果 通过门G6 G7 G8送出 工作原理 基本原理 对输入模拟电压和基准电压进行两次积分 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 原理电路 5 集成A D转换器及应用 A D转换器的功能是将输入的模拟信号转换成一组多位的二进制数字输出 不同的A D转换方式具有各自的特点 并联比较型A D转换器转换速度快 主要缺点是要使用的比较器和触发器很多 随着分辨率的提高 所需元件数目按几何级数增加 双积分型A D转换器的性