129986197661562500第九章数模与模数转换器

1、第九章、数模与模数转换器,一般电子（控制）系统的组成,0,0,1,1,1,倒,T,型电阻网络,D/A,转换器,1,结构原理,R-2R,电阻网,电子开关,数字输入,权电流,9.1 D/A,转换器,1,4,0,4,1,4,0,4,0,0,1,1,2,2,3,3,4,4,0,3,1,2,2,1,3,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,i,i,i,REF,i,i,i,D,R,V,D,I,D,D,D,D,I,I,D,I,D,I,D,I,D,I,3,运算放大,器的输出电压,1,4,0,4,2,2,i,i,i,f,REF,f,o,D,R,R,U,R,I,U,2,输出电流,1,0,1,0,0,

2、0,1,1,1,1,2,2,2,2,2,2,2,2,2,n,i,i,i,n,REF,n,i,i,i,n,n,n,n,n,n,D,R,V,D,I,D,D,D,D,I,I,运放的输出电压,1,0,2,2,n,i,i,i,n,f,REF,f,o,D,R,R,V,R,I,U,若,R,f,R,则有,1,0,2,2,n,i,i,i,n,REF,O,D,V,U,4,推广到一般，输出电流,模拟输出电压,U,o,只与数,字量有关,D/A,转换,5,转换精度问题,由运放的输出电压一般表达式,1,0,2,2,n,i,i,i,n,f,REF,f,o,D,R,R,V,R,I,U,1,R-2R,网络精度问题,2,电子开关

3、导通时的内阻问题,制造时采用激光校准技术解决,i,采用权电流型电路解决,ii,采用把内阻归入,2R,电阻中解决,3,参考电压,V,REF,的精度，电阻,R,f,的精度,用户自己解决,2,权电流型,D/A,转换器,1,结构原理,权电,流源,3,0,4,2,2,i,i,i,f,f,O,D,R,I,R,I,U,1,0,2,2,n,i,i,i,f,n,O,D,R,I,U,一般表,达式,2,运放输出电压,256,255,REF,V,256,129,REF,V,256,128,REF,V,256,127,REF,V,256,1,REF,V,256,0,REF,V,MSB,数字,量,LSB,模拟量,1,1,

4、1,1,1,1,1,1,1,0,0,0,0,0,0,1,1,0,0,0,0,0,0,0,0,1,1,1,1,1,1,1,0,0,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0,0,0,0,3,D/A,转换器的输出方式,1,单极性,输出,8,位,输出极性取决与,参考电压,极性,I,Rf,D,0,D,1,D,n-1,V,RE,F,V,o,D/A,2,反向输出,输出,Vo,的极性与参考电压,V,REF,极性正好相反,十进,制数,2,的补码,模拟,D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0,127,0,1,1,1,1,1,1,1,127,126,0,1,1,1,1,1,1,0,126,1,0,0,0,

5、0,0,0,0,1,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,127,1,0,0,0,0,0,0,1,127,128,1,0,0,0,0,0,0,0,128,3,双极性输出,1,2,的补码,正数：补码原码,负数：补码反码,1,符号位,十进,制数,偏移二进制码,模拟量,D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0,127,1,1,1,1,1,1,1,1,127,126,1,1,1,1,1,1,1,0,126,1,1,0,0,0,0,0,0,1,1,0,1,0,0,0,0,0,0,0,0,1,0,1,1,1,1,1,1,1,1,127,0,0,0,0,0

6、,0,0,1,127,128,0,0,0,0,0,0,0,0,128,2,偏移二进制码,编码为正,2,2,2,2,1,7,0,8,1,1,REF,i,i,i,REF,REF,O,V,D,V,V,V,V,V,偏移二进制码,D,编码为负,2,2,2,7,0,8,1,REF,i,i,i,REF,V,D,V,V,双极性,输出电,路实现,4 D/A,变换器的主要技术指标,一般,用输入数字量的有效位数来表示分辨率,一,分辨率,二,线性度,通常用非线性误差的大小表示,D/A,变换器的线,性度。把偏离理想的输入输出特性的偏差与满,刻度输出之比的百分数定义,为非线性误差,三,输出电压,电流,的建立时间,1,2,

7、1,n,1,2,n,REF,O,V,V,mV,V,V,O,6,19,1,2,5,8,D/A,转换的速度，例如,1,次,1us,5,8,位,D/A,转换器,DAC 0832,及其应用,D/A,变换器集成电路有多种型号。下面仅,以,DAC0832,为例来介绍集成电路,D/A,变换器,它是八位的,D/A,变换器,即在对其输入八,位数字量后，通过外接的运算放大器，可以,获得相应的模拟电压值,DAC 0832,简化电路框图,八位,寄存器,1,输入,八位,寄存器,2,输入,八位,变换器,U,R,R,fb,I,out1,I,out2,AGND,V,CC,u,o,DGND,ILE,CS,WR,1,WR,2,X

8、FER,A/D,D,7,D,0,1,1,DAC 0832,管脚图,CS,WR,1,WR,2,AGND,D,4,D,5,D,6,D,7,D,0,D,1,D,2,D,3,U,CC,U,R,R,f,b,DGND,ILE,XFER,I,out2,I,out1,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,19,18,17,16,15,14,13,12,11,20,CS,片选端,WR,1,WR,2,写入端,D,7,D,0,数据输入端,XFER,转移控制端,ILE,锁存使能端,I,out2,I,out1,电流输出端,U,R,参考电压端,R,f b,内部反馈电,阻输出端,功,能,数据,D,7,D,0,输,入到寄

9、存器,1,数据由寄存器,1,转送寄存器,2,从输出端取,模拟量,控,制,条,件,CS,ILE,WR,1,WR,2,XFER,说,明,0,1,WR,1,0,时存入数据,WR,1,1,时锁定,WR,2,0,时存入数据,WR,2,1,时锁定,0,无控制信号,随时可取,DAC0832,功,能,表,例,1. DAC,的连接工作,例,2,集成,DAC,应用,可编程电源,1,ADC,的组成,9.2 A/ D,转换器,1,采样保持,采样：就是将一个,连续,变化的,模拟,量在时间轴上,离散,化,保持：采样结果存储起来，直到下次采样。采样器和保持,电路一起总称为,采样保持,电路,I,u,C,u,I,T,CP,s,

10、A,I,u,2,采样保持,示意图,3,采样保持,电路图,CP,s,的频率（采样频,率,f,s,必须满足,fs2f,imax,这样才能将采样保,持后的,不失真地,恢复成输入电压,t,u,I,t,u,I,采样,CPS=1,T,导通，电,容,C,充电，运放输出,跟踪输入电压,u,I,t,t,u,I,保持,CPS=0,T,截止，电容,C,无路,放电，运放输出,t,u,t,u,C,I,4,量化编码,量化,将介于两个离,散电平之间的采样值,归并到这两个离散电,平之一上,编码,将量化后的有,限个整量值用,n,位一,组数字代码来描述以,形成数字量,5,量化方式,和量化误差,1,只舍不入法,量化误差为,S,量化

11、单位,000,000,011,101,100,2,四舍五入法,量化误差为,S/2,000,001,100,110,100,A/D,转换器分为,并,行比较型、逐次逼近型,和双积分型,三种,9. 3,几种典型,的,A/D,转换器,1,并行,ADC,工作原理,量化,电阻串分压构成,比较,输入模拟电压,u,I,通,过器与量化单位比较,存储,比较结果由,D,触发器,存储,数字量,D,触发器输出通,过编码器形成数字量,三位并行,ADC,转换真值表,对于,n,位输出二进制码，并行,ADC,就需要,2,n,1,个比较器,并行,ADC,适用于速度要求很高，而输出位数较少的场合,2,逐次逼近型,ADC,逐次逼近：

12、采用,对分搜索,策略,每次以剩余段的中间数与输入值,比较。当该数小于输入时，留下,反之弃之。而后再取去剩余段的,中间数进行比较直至末位，以逼,近值代替输入值,1)START,和,CP,到达，时,序分配器置数,01111,使,Q,3,Q,2,Q,1,Q,0,1000,D/A,输出,比较,与输入,I,u,R,U,逐次逼近式,ADC,原理,0 1 1 1 1,1,0,0,0,若,0,1,G,F,u,U,I,R,2,第,2,个,CP,到分配器输出,10111,使,Q,3,Q,0,1100,D/A,输出再与,u,I,比较，若,则,1,0,G,F,u,U,I,R,1 0 1 1 1,1 1 0 1 1,1

13、,1,0,0,3,第,3,个,CP,使分配器输出,11011,使,Q,3,Q,0,1010,若,则,1,0,G,F,u,U,I,R,0,1,1 1 1 0 1,1 1 1 1 0,1 1 1 1 1,4,第,4,个,CP,使分配器输出,11101,使,Q,3,Q,0,1001,若,则,0,1,G,F,u,U,I,R,5,第,5,个,CP,使分配器输出,11110,使,Q,3,Q,0,1001,转换结束,6,第,6,个,CP,使分配器输出,1111,1,Q,3,Q,0,被打入,D,触,发器，转换结果输出,1,0,0,1,1,0,0,1,1 1 1 0 1,1 1 1 1 0,1 1 1 1 1,

14、1,0,0,1,1,0,0,1,3,双积分,ADC,S,u,I,R,A,1,u,A,A,2,U,C,C,积,分器,过,零比,较器,U,R,Q,n,F,n,R,Q,n,1,F,n,1,R,Q,1,F,1,R,Q,0,F,0,R,G,CP,u,G,启,动,D,n,1,D,1,D,0,1,采样阶段,启动脉冲使,Q,n,0,开关,S,与输入信,号,u,I,连接,A/D,转换开始。积分器对,u,I,进行反向积分,dt,u,u,t,A,1,0,1,u,A,0,比较器输出,U,C,1,G,门打开,n,位二进制计数器从,0,开始计数。一直到,CP,n,T,T,t,2,1,触发器,Fn Fn-1 F0,为,10

15、,0,开关,S,转接至基准电源,UR,采样阶段结束,I,CP,n,I,A,A,u,T,u,T,U,u,2,1,0,dt,u,u,t,A,1,0,1,2,比较阶段,积分器对,U,R,进行积分,CP,NT,T,t,T,1,2,代入上式得,0,2,1,CP,R,CP,n,A,NT,U,u,T,u,求得,n,R,I,N,U,u,2,2,1,1,1,0,1,T,t,U,u,T,dt,U,U,u,R,CP,n,t,T,R,A,A,当,u,A,0,时，过零比较器输出,U,C,0,G,门被封锁，计,数器停止计数。假设此时计数器已记录了,N,个脉冲，则,N,9.4,ADC,的主要技术指标,1,分辨率,分辨率,指

16、,ADC,对输入模拟信号的分辨能力,mV,U,m,53,19,256,5,2,8,分辨率,在最大输入电压一定时，输出位数愈多，量化,单位愈小，分辨率愈高,n,m,U,2,分辨率,输入最大值,例如,n,8,8,位的,ADC,Um,5V,其,分辨率为,2,转换误差,转换误差,表示,ADC,实际输出的数字量和理,论值之间的差别，常用最低有效位的倍数表示,例如：转换误差,LSB/2,表示误差小于最低,位的半个字,3,转换速度,并行,ADC,转换速度,最高,八位二进制输出的单片,ADC,其转换时间在,50ns,内,逐次逼近型,ADC,转换速度,次之,一般在,10150,s,双积分,式,ADC,转换速度,

17、最慢,转换时间约在几十毫秒至,几百毫秒间,实际应用中，应从系统总的位数、精度要求、输入模拟,信号的范围及输入信号极性等方面综合考虑,ADC,的选用,转换时间,指,ADC,从转换启动，到输出端得到稳定的数,据信号所经过的时间,双积分,A/D,转换器实例,TC14433(MC14433,3-1/2 Digit Analog-to-Digital Converters,GENERAL DESCRIPTION,1)The TC14433 is a low power, high,performance, mono-lithic CMOS 3-1/2,digit A/D converter. The TC14433 com,bines both analog and digital circuits on,a single IC, thus minimizing the number,of external components,2) This dual-slope A/D converter provides,automatic polarity and zero correction with,the addition of two external resistors and,two cap