《数字电子技术-刘汉华》第11章数模模数转换

1,第11章数模和模数转换,本章的重点：1D/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；2A/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；3D/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7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,图11.1.2为一个温度控制系统：,4,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（VT变换型）,VF变换型,计数型,逐次渐进型,分类：,5,11.2D/A转换器,D/A转换的目的：,D/A转换器的原理框图,6,一、权电阻网络D/A转换器,1.电路构成,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,2.工作原理：,7,3.双级权电阻网络克服上面的缺点,8,二、倒T型电阻网络D/A转换器,1.结构及原理：,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。,9,倒T型,10,3.集成D/A转换器CB7520简介：（十位）,2.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：,11,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。,12,每个VE相等,向右看等效R,故IEC=IEO=IE1/2=IE2/4=IE3/8=IREF/16,13,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：09.96V。,权电流型集成数模转换器DAC0808简介,参考四位时的公式：,有：,14,四、具有双极性输出的D/A转换器(以3位补码为例),带符号数以补码形式给出。输出为正、负极性的模拟电压。,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D=100时，原本输出电压为4V。,因此：,三位DAC的输出,取反,IB如何取？,15,五、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（理论精度）：输出模拟电压应能区分02n-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)用输出模拟电压的非零最小值与最大值的比值表示。,该比值显然等于：,如10位D/A转换器的分辨率为,16,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：0.1FSR。,2.转换误差（实际精度）：,17,3.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或失调误差。,18,(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。,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。,总误差：,19,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:,现要求：,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,20,（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,21,（三）温度系数,指输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高1C，输出电压变化的百分数作为温度系数,22,第三节A/D转换器,一、A/D转换的基本原理,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,23,1.取样、保持,取样定理（奈奎斯特采样定理）：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。,输入信号最高频率,24,2.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：,25,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,26,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,27,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。,二.取样保持电路,为高电平时，场效应管T导通，VI对CH充电，充电结束：,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。,1.取样,2.保持,28,3.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。,自学,29,直接转换法,间接转换法,直接法是通过一套基准电压与取样保持电压进行比较，从而直接将模拟量转换成数字量。其特点是工作速度高，转换精度容易保证，调准也比较方便。,间接法是将取样后的模拟信号先转换成中间变量时间t或频率f,然后再将t或f转换成数字量。其特点是工作速度较低，但转换精度可以做得较高，且抗干扰性强。间接A/D转换器有单次积分型、双积分型等。,ADC分两大类,三、并联比较型A/D转换器（直接转换法）,并联比较型,反馈比较型,单次积分型,双积分型,将输入模拟电压直接转换为数字量，不经过中间变量。,30,并联比较型A/D转换器,2.工作原理：,采用第二类量化方法,图11.3.7,1.电路结构：,a.电压比较器判断vI属于哪一范围，有八种可能,b.寄存器存储判断结果。兼有保持电路的作用,c.代码转换器把判断结果编码成3位二进制代码,电压比较器,寄存器,代码转换器,编码器,31,并联比较型A/D转换器-工作原理,32,并联比较型A/D转换器,速度快，转换时间小于50ns；,电路复杂。,不需取样保持电路；,特点：,33,四、反馈比较型A/D转换器（直接转换法）,1.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。,34,2.计数型A/D转换器,数字量由计数器提供。（初态为000）,启动转换,量化引起的误差为1LSB，也就是1.属于第一种量化方法,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。,a.电路结构,b.工作原理,35,3.逐次渐近型A/D转换器,可提高转换速度。虽然也是反馈比较型A/D转换器，但D/A转换器的数字量的给出方式不同。,工作思路：,如13g的重物，有砝码8g、4g、2g、1g。比较过程如表所示,36,3.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（类似与天平称重）:,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。(P534图11.3.10),电路结构框图,37,时，该位为1,否则该位为0.,原理说明,38,图11.3.10,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，QAQBQCd2d1d0，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,39,40,五、双积分型A/D转换器(间接A/D转换器),1.属于V-T变换型。,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）；,2.电路结构。,积分器,时钟脉冲控制门,过零比较器,41,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，Vo的变化速度由VREF,R和C决定。,积分器,时钟脉冲控制门,过零比较器,42,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：,43,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,44,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。,45,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。,46,六.V-F变换型A/D转换器,压控振荡器输出脉冲频率与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。,图11.3.14,47,ADC常用指标,（1）.分辨率,（2）.转换速率,（3）.量化误差,（4）.偏移误差,（5）.满刻度误差,（6）.线性误差,48,七、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。（理论精度）,用输出数字量的位数表示。当位数为n位时，能区分的最小电压为FSR/2n。FSR-(FullSc