数模和模数转换器学习教案

1、会计学1数模和模数转换器数模和模数转换器第一页，共46页。模拟量（温度(wnd)）A/D转换器微处理器显示(xinsh)打印(d yn)报警A/D转换器微处理器D/A转换器加热器模拟量（温度）测量控制11.1 概述设定温度第1页/共46页第二页，共46页。 权电阻网络D/A转换器 倒T形电阻网络D/A转换器 权电流型D/A转换器 开关(kigun)树型D/A转换器 权电容网络D/A转换器 具有双极性输出的D/A转换器11.2 D/A转换器D/A转换器的分类(fn li) 第2页/共46页第三页，共46页。D/A转换器功能(gngnng): 将数字量成正比地转换成模拟量。N位数字量模拟量D/A转

2、换器一个n位二进制数可以(ky)表示为：Dn = dn-1dn-2. d0dn-1：最高位（MSB），其权为2n-1d0：最低位（LSB），其权为20100011221122222niiinnnndddddD102niiidkkDA第3页/共46页第四页，共46页。权电阻(dinz)网络D/A转换器第4页/共46页第五页，共46页。倒T型电阻(dinz)网络D/A转换器第5页/共46页第六页，共46页。CB7520（AD7520）的电路(dinl)原理图第6页/共46页第七页，共46页。权电流(dinli)型D/A转换器第7页/共46页第八页，共46页。利用倒T型电阻网络(wnglu)的权电流

3、型D/A 转换器第8页/共46页第九页，共46页。VREF已知VREF=10V，RR=5k， RF=5k试写出输出(shch)电压的表达式第9页/共46页第十页，共46页。开关(kigun)树型D/A转换器对负载(fzi)要求？对开关要求？第10页/共46页第十一页，共46页。权电容(dinrng)网络D/A转换器第11页/共46页第十二页，共46页。转换开始前令SD，S0S3接地(jid)，电容放电断开SD假设(jish)d3d2d1d0=1000yccccc0012令REFtREFyREFyyoVccVcccVcccv3333111)2222(2001122334ddddVvREFo第12

4、页/共46页第十三页，共46页。1.输出电压精度只与各电容器电容量的比例有关，而与电容量的绝对值无关。2.输出电压的稳态值不受开关电阻(dinz)及参考电压源内阻的影响，降低了对开关电路及参考电压源的要求。3.稳态下权电容网络不消耗功率。权电容(dinrng)网络D/A转换器第13页/共46页第十四页，共46页。具有(jyu)双极性输出的DA转换器 目的：能够把以补码形式输入的正、负数分别转换成正、负极性的模拟(mn)电压补码输入补码输入对应的对应的十进制数十进制数要求的要求的输出电压输出电压d2 d1 d00 1 1+3+3V0 1 0+2+2V0 0 1+1+1V0 0 000V1 1 1

5、-1-1V1 1 0-2-2V1 0 1-3-3V1 0 0-4-4V原码输入原码输入无偏移时无偏移时的输出的输出偏移偏移4V后的输出后的输出d2 d1 d01 1 1+7V+3V1 1 0+6V+2V1 0 1+5V+1V1 0 0+4V0V0 1 1+3V-1V0 1 0+2V-2V0 0 1+1V-3V0 0 00V-4V第14页/共46页第十五页，共46页。具有(jyu)双极性输出电压的D/A转换器第15页/共46页第十六页，共46页。能够分辨出来的最小输出(shch)电压和最大输出(shch)电压之比。也可以用输入二进制数码的位数表示。转换精度：通常由分辨率和转换误差(wch)来描述

6、。分辨率：表示DA转换器在理论上能达到的精度。分辨率的表示方法：第16页/共46页第十七页，共46页。转换误差：描述(mio sh)DA转换器实际能达到的精度转换误差产生的原因：参考电压的波动。运算放大器的零点(ln din)漂移。模拟开关的导通电阻和导通压降，电阻网络中电阻阻值的偏差以及三极管的特性的不一致等。第17页/共46页第十八页，共46页。NoImageREFnnoVDv211第18页/共46页第十九页，共46页。第19页/共46页第二十页，共46页。非线性误差：模拟开关的导通电阻(dinz)和压降不同造成第20页/共46页第二十一页，共46页。NoImage建立时间：从输入的数字量

7、开始(kish)突变开始(kish)，直到输出电压进入与稳态相差0.5LSB范围以内的这段时间。第21页/共46页第二十二页，共46页。如何(rh)进行A/D转换？时间上幅度上离散(lsn)的数字量时间(shjin)上幅度上连续的模拟量11.3 A/D转换器 vsvitt第22页/共46页第二十三页，共46页。A/D转换一般包括采样、保持(boch)、量化、编码四个步骤。 A/D转换的一般(ybn)步骤 采样保持：完成对模拟信号时间(shjin)上的离散化。量化：将采保电路得到的模拟信号转换为相应的数字信号。编码：将数字信号按照一定的编码形式输出。第23页/共46页第二十四页，共46页。一.

8、采样(ci yn)：采样(ci yn)定理(max)2isff 为了能正确无误地用取样信号表示模拟信号，取样信号必须有足够高的频率。可以(ky)证明，为了保证能从取样信号将原来的被取样信号恢复，必须满足(max)if为输入模拟信号的最高频率分量的频率其中vivs)(A f(max)if(max)isff f第24页/共46页第二十五页，共46页。采样保持电路: 基本(jbn)形式信号保持精度取样速度(sd)输入阻抗第25页/共46页第二十六页，共46页。改进的采样保持(boch)电路LF198 第26页/共46页第二十七页，共46页。A1A2LR1R2SCh30030k1D2DiuLuo uo

9、u D1和D2两个(lin )二极管起到什么作用？ 第27页/共46页第二十八页，共46页。二. 量化和编码(bin m) 数字信号不仅仅在时间上是离散的，而且在幅度上也是离散的，任何一个数字量的大小只能是某个(mu )最小数量单位的整数倍。将一个取样信号转换为一个最小数量单位的整数倍这样的过程，称为量化。这个(zh ge)最小数量单位叫量化单位，用表示，数字信号的最低有效位（LSB）的1所代表的数量大小就为 。连续的模拟信号和离散的数字信号之间的误差称为量化误差。第28页/共46页第二十九页，共46页。111110101100011010001000111110101100011010001

10、000输入信号1V7/8V6/8V5/8V4/8V3/8V2/8V1/8V0二进制代码输入信号二进制代码1V13/15V11/15V9/15V7/15V5/15V3/15V1/15V0代表的模拟电压7=7/8（V）6=6/8（V）5=5/8（V）4=4/8（V）3=3/8（V）2=2/8（V）1=1/8（V）0 =0 （V）代表的模拟电压7=14/15（V）6=12/15（V）5=10/15（V）4= 8/15（V）3= 6/15（V）2= 4/15（V）1= 2/15（V）0 = 0 (V）要求：将01V的模拟电压(diny)信号转换成3位二进制代码=1/8V=2/15V第29页/共46页第

11、三十页，共46页。 A/D转换器的分类(fn li) A/D转换器直接型并行比较型反馈比较型逐次逼近型计数型间接型电压-时间型（VT）型-双积分型电压-频率型（VF）型第30页/共46页第三十一页，共46页。REFViVCP)(2MSBd)(0LSBd1d电压比较器寄存器代码转换器9.3.3 直接A/D转换器并行(bngxng)比较型例：若Vi处于(chy)(3/155/15) VREF之间110000011101000010第31页/共46页第三十二页，共46页。逻辑(lu j)状态关系表寄存器状态(zhungti)(01/15) VREFQ7d2d0d1编码器输出(shch)输入电压Vi0

12、00000000000 000011 110000011 11 11 1111111111111111 111111111110000000000000000000111(1/153/15) VREF(3/155/15) VREF(7/159/15) VREF(9/1511/15) VREF(11/1513/15) VREF(13/151) VREFQ6Q5Q4Q3Q2Q1(5/157/15) VREF第32页/共46页第三十三页，共46页。直接A/D转换器反馈(fnku)比较型（计数器型）LvivovBv第33页/共46页第三十四页，共46页。 其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四个砝码共重

13、15克，每个重量分别为8、4、2、1克。设待秤重量Wx = 13克，可以用下表步骤(bzhu)来秤量：砝码重第一次第二次第三次第四次加4克加2克加1克8 克 砝码总重 待测重量Wx ，故保留砝码总重仍 待测重量Wx ，故撤除砝码总重 待测重量Wx ，故保留暂时结果8 克12 克12 克13 克 结 论直接A/D转换器反馈比较型（逐次(zh c)逼近型）第34页/共46页第三十五页，共46页。2Q3Q4Q5Q&11&+-2d12dd0DAC)2(2)2(1)2(0+-AQBQAFBFCQC1R1S1C1R1S1C1R1S1CF1G2G3G4G5G6G7G8GAU1DC11DC11

14、DC11DC11DC1LU9GiuBU(LSB)MSB)(CPC1Q1F2F3F4F5FBvivovLv第35页/共46页第三十六页，共46页。 9.3.4 间接(jin ji)A/D转换器双积分型第36页/共46页第三十七页，共46页。第37页/共46页第三十八页，共46页。 采样(ci yn)阶段定时积分阶段：i10i1o1d)(1URCTtRUCUT比较转换(zhunhun)阶段定电压积分阶段： i1REF2URCTVRCT1RRFi2TVUT iREF12UVNND第38页/共46页第三十九页，共46页。A/D转换器的技术指标 1.转换精度： 采用(ciyng)分辨率和转换误差两个指标

15、描述转换精度。2.分辨率：说明AD转换器对输入信号的分辨能力，通常以输出二进制的位数来表示。N位的AD转换器能够区分的输入电压的最小差异为1/2n(FSR)。例：一个10位的AD转换器，满量程电压(diny)为5V，那么它的分辨率为多少？分辨率mVV88. 42510第39页/共46页第四十页，共46页。2. 转换速度：取决于完成一次从模拟量到数字量之间转换所需要的时间，在组成高速(o s)AD转换器时还应将采样保持电路的获取时间计入转换时间内。 转换误差：表示实际输出(shch)的数字量和理论上应有的数字量之间的差别，一般以最低有效位的倍数表示。第40页/共46页第四十一页，共46页。例：电

16、路如图所示。Ux是输入被测信号，UO是D/A转换器的输出，参考(cnko)电压UREF=5V。Uc是比较器的输出，X是控制信号，DA转换器的电路开始工作时，应先对计数器清零。分析电路功能。 第41页/共46页第四十二页，共46页。例：电路如图所示，当输入信号某位Di为0时对应(duyng)的开关Si接地；Di=1时，Si接基准电压UREF。试问：UREF=10V，输入(shr)信号D4D3D2D1D0=10011，则输出模拟电压Uo=？A2R2R2R2RRRR3RiUREFUoD0D1S0S12RD2S22RIS3S4D3D4第42页/共46页第四十三页，共46页。VVVRRVRVRVUREFREFREFREFo94. 5)222(210)222(233213161321301450145）（第43页/共46页第四十四页，共46页。例：逐次(zh c)逼近型A/D转换器中的10位D/A转换