数模转换和模数转换原理.ppt

1、第8章数模转换器和模数转换器、8.1概述、8.2数模转换器、8.3模数转换器、传感器(温度、压力、流量和其他模拟量)、模数转换器、计算机(数字量)、显示器、数模转换器、执行元件(模拟量控制)、打印机、8.1概述、能够将模拟量转换为数字量的设备称为模数转换器。能够将数字量转换为模拟量的设备称为数模转换器，简称数模转换器或数模转换器。模数转换器和数模转换器是模拟电路和数字电路之间的桥梁，也可以称为它们之间的接口。模数转换器和数模转换器的应用：D/模数转换器本质上是一个解码器。一般采用线性数模转换器，输出模拟电压uO与输入数字量Dn成正比。UREF是参考电压。1.数模转换器的基本工作原理8.2数模转

2、换器将输入的二进制数字量转换成模拟量，并以电压或电流的形式输出。uODnUREF，将每个输入的二进制码按其重量转换成相应的模拟量，然后将代表你的模拟量相加，这样得到的总模拟量与数字量成正比，从而实现从数字量到模拟量的转换。8.2数模转换器的输出电压uO等于代码为1的每个位对应的每个模拟电压之和。数模转换器一般由数字缓冲寄存器、模拟电子开关、参考电压、解码网络和求和电路组成。8.2数模转换器，数字量以串行或并行方式输入，并存储在数字缓冲寄存器中；寄存器输出的每个数字驱动相应数字上的电子开关，并将解码网络中获得的相应数字权重发送给求和电路；求和电路将每个比特的权重相加，以获得对应于数字量的模拟量。

3、1.加权电阻网络数模转换器，加权电阻网络数模转换器原理图，8.2数模转换器，2。数模转换器、加权电阻、双向模拟开关、数字输入和模拟输出的主电路形式，加权电阻的排列顺序与加权值的排列顺序相反。运算放大器，集成运算放大器，作为求和电阻网络的缓冲器，并将电流转换成电压输出。8.2数模转换器，加权电阻网络数模转换器原理分析，开关S1的位置由数据锁存器输出的数字信号di控制：当di=1时，S1将相应的加权电阻连接到参考电压UREF当di=0时，Si将相应的重量电阻接地。虚短路，8.2数模转换器，虚断路，运算放大器的总输入电流为0，运算放大器的输出电压为0，这样，射频=R/2，即输出模拟电压uO与输入数字

4、量Dn成正比，从而实现了从数字量到模拟量的转换。因此，uO的变化范围是8.2数模转换器和加权电阻网络数模转换器的特点。优点是结构简单，电阻元件少；缺点：电阻差异大，制造工艺复杂。8.2数模转换器，2。数模转换器具有倒T型电阻网络、数字输入、模拟输出和电阻解码网络，只有两种电阻，R和2R，构成倒T型电阻网络。当di=1时，相应的开关S1连接到求和点；当di=0时，相应的开关S1接地。然而，由于虚拟短路，求和点接地，因此无论开关如何转动，电阻2R总是接地。这样，倒T形网络的每个节点在上下看时的等效电阻为2R，整个网络的等效输入电阻为R.求和点，带倒T电阻网络的数模转换器原理图，8.2数模转换器，参

5、考电压UREF提供的总电流为：分流：流入求和点的各支路电流为：8.2数模转换器，流入求和点的电流为：虚断，运算放大器输出电压为：倒T电阻网络数模转换器特点：优点：电阻种类少，只有R和，而且支路电流流入求和点时没有时间差，提高了转换速度。用途：目前，它是一种高转换速度的集成数模转换器，应用广泛。例如，8位数模转换器DAC0832使用倒T型电阻网络。8.2数模转换器分辨率越高，转换过程中对输入量微小变化的响应越灵敏。分辨率与输入数字量的位数有关，n越大，分辨率越高。8.2数模转换器，1。决议3。数模转换器的主要技术指标：数模转换器的模拟输出电压可以分离的级数可以用输入数字量的位数表示；分辨率可以用

6、数模转换器的最小输出电压与最大输出电压之比来表示。8.2数模转换器，2。转换精度，数模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间的差值，即最大静态转换误差。3。转换速度，即从输入数字量突然变化到输出电压从稳定值下降到0.5LSB范围内所需的时间，称为建立时间tset。目前，单片集成数模转换器(不包括运算放大器)的建立时间只有0.1微秒。4.温度系数，即在恒定输入条件下，输出模拟电压随温度变化的变化。通常，在满量程输出条件下，当温度上升1时，输出电压变化的百分比用作温度系数。1.DAC0832结构框图，4位和8位集成DAC0832，由8位输入寄存器、8位DAC寄存器和8位数模转换器组成

7、，数模转换器采用倒T型R-2R电阻网络。8.2数模转换器，2。DAC0832引脚功能，di7di0: 8位输入数据信号。Rfb:反馈电阻(包括反馈电阻)的端子。DAC0832中没有运算放大器，它是一个电流输出，因此必须使用外部运算放大器。只要此引脚连接到运算放大器的输出端，芯片中就会设置Rfb。如果运算放大器增益不够，必须增加一个反馈电阻。8.2数模转换器，任何导线都可以理解为电阻，因此，虽然“接地”连接在一起，但每个位置的电压并不一致。对于数字电路来说，“地”的形式通常不需要考虑，因为它的噪声容限很高，但是对于模拟电路来说，这个不同地方的“地”对测量精度有影响，所以它通常是数字电路部分，3。

8、DAC0832特性参数，8.2数模转换器，分辨率：8位，建立时间：1s，增益温度系数：20 ppm/(ppm-百万分之一，10-6)，输入电平：TTL功耗：20mW，4。在DAC0832工作模式下，当ILE、CS和WR1同时有效时，输入数据DI7DI0，并在WR1的上升沿实现数据锁存。当WR2和XFER同时有效时，输入寄存器的数据进入数模转换器寄存器。并在WR2的上升沿实现数据锁存。八位数模转换电路将数模转换器寄存器的数据转换成模拟信号，并随时输出。DAC0832有三种工作模式：双缓冲型、单缓冲型和直通型。DAC0832、8.2数模转换器和(b)单缓冲模式三种工作模式：适用于不需要同时输出多个

9、数模的情况。此时，只需要一次写操作就可以开始转换，这提高了数模转换器的数据吞吐量.(一)双缓冲模式：采用第二缓冲模式，在输出的同时收集下一个数据，提高转换速度；当多个转换器同时工作时，还可以实现多通道数模的同步转换输出。直接模式：输出可随时随着输入的变化而切换。模数转换是将模拟信号转换成数字信号。转换过程由四个步骤完成：采样、保持、量化和编码。8.3模数转换器，1。模数转换器的基本工作原理，模拟输入、数字输出、采样(也称采样)是将时间上连续变化的信号转换成时间上离散的信号，即把时间上连续变化的模拟信号转换成一系列等间隔的脉冲，而脉冲的幅度取决于输入的模拟信号。1.采样保持、8.3模/数转换器、

10、采样过程、采样脉冲、输入模拟信号、采样输出信号、采样模拟信号后获得一系列采样脉冲。通常，采样脉冲宽度非常短。在下一个采样脉冲到达之前，所获得的采样脉冲幅度应暂时保持以供转换。因此，a8.3模数转换器。在采样脉冲S(t)到来的时间内，VT被接通，UI(t)对电容器C充电。假设充电时间常数远小于，则存在UO(t)US(t)UI(t)。采样，当采样结束时，VT被关闭，电容器c上电压保持充电电压UI(t)不变，直到下一个采样脉冲到达。保持，FET VT是采样门，电容C是保持电容，运算放大器是跟随器，起缓冲隔离的作用。采样保持电路和输出波形。在输入模拟电压被采样和保持之后，获得阶梯波。然而，阶梯波仍然是

11、一个可以连续取值的模拟量，但N位数字量只能代表2n个值。因此，当使用数字量来表示连续变化的模拟量时，存在类似于舍入的近似问题。8.3模数转换器，2。量化和编码，它将采样的样本电平标准化为与其接近的离散电平。这个过程被称为量化。分配的离散级别称为量化级别Uq。用二进制数表示每个量化级别的过程称为编码。两个量化级别之间的差异称为量化单位。比特越多，量化级别越精细，它就越小。采样和保持后的未量化Uo值通常不等于量化级Uq值，这种差异称为量化误差，即=Uo-Uq。通常有两种量化方法：放弃的唯一方法和放弃并进入的方法。8.3模数转换器，1)请勿输入方法。当使用Uo的尾数时，尾数被舍入。这个方法总是积极的

12、，麦克斯。2)有一种舍入方法。当Uo的尾数为/2时，四舍五入；当Uo的尾数为/2时，四舍五入为整数。此方法可以是正的或负的，但| max|=/2。可以看出，其误差较小。模数转换器可分为直接转换法和间接转换法。直接法是将一组参考电压与采样保持电压进行比较，从而直接将模拟量转换成数字量。其特点是工作速度快，转换精度容易保证，调整方便。直接模数转换器包括计数型、连续比较型和并行比较型。间接法是将采样的模拟信号转换成中间可变的时间t或频率f，然后将t或f转换成数字量。它的特点是工作速度低，但转换精度高，抗干扰能力强。间接模数转换器包括单积分型和双积分型。8.3模数转换器，2。模数转换器的主电路形式，8

13、.3模数转换器，1。并行比较模数转换器。量化级别根据不同分为7个级别。量化单位为=(2/15)UREF，量化误差为| max |=(1/15) uref。8.3模数转换器和并行比较模数转换器真值表，例如，uI4.2V和UREF6V。3.6V4.4V，数字输出d2d1d0101。优点：转换速度非常快，所以也被称为高速模数转换器。带寄存器的模数转换器具有采样保持功能，因此不需要额外的采样保持电路。缺点：电路复杂。对于具有N位二进制输出的并行比较模数转换器，需要n -1个电压比较器和2n -1个触发器，并且随着N的增加，编码电路变得相当复杂，转换精度也受到分压网络和电压比较器灵敏度的限制。因此，该转

14、换器适用于高速和低精度场合。8.3模数转换器，并行比较模数转换器特性：2。逐次逼近型模数转换器、8.3模数转换器、逐次逼近型模数转换器原理图、8.3模数转换器，转换前将逐次逼近寄存器合成孔径雷达清零；转换开始后，第一个时钟脉冲首先将寄存器的最高位置设置为1，使输出数为1000。这个数字由数模转换器转换成相应的模拟电压uo，偏移/2后得到UOO /2，送到比较器与uI比较。如果uIuo，则表示该数字太大，因此最高有效位1被清除并设置为零；如果uuo表示该数字不够大，则该位应该保留。然后，根据相同的方法，下一个最高位置被设置为1，并且在比较之后，确定该1是保留的还是清除的。这种比较一点一点地进行，

15、直到最低位。在.之后，解：量化单位为，失调电压为/20.125伏，转换结果为：d3d2d1d01010。双积分模数转换器的转换原理是将模拟电压UI转换成与其大小成正比的时间间隔T，然后利用参考时钟脉冲通过计数器将T转换成数字量。8.3模数转换器，3。双积分模数转换器，它有很多优点。首先，转换结果与时间常数RC无关，这消除了由斜坡电压的非线性引起的误差，并允许积分电容在宽范围内变化而不影响转换结果。其次，因为输入信号被长时间积分并且是固定值T1，并且T2与T1内输入信号的平均值成比例，所以它具有很强的抑制叠加在输入信号上的干扰信号的能力。最后，这种模数转换器不需要使用具有高稳定性的时钟源，它只需

16、要时钟源在一个转换周期(T1 T2)内保持稳定。这种转换器广泛用于要求高精度但转换速度低的仪器中。分辨率=，1。分辨率分辨率是指模数转换器对输入模拟信号的分辨率。理论上，具有N位二进制数输出的模数转换器应该能够区分2n个不同阶的输入模拟电压，并且输入模拟电压的最小差值可以是(满量程输入的1/2n)。8.3模数转换器，3。模数转换器的主要技术指标，例如，如果模数转换器的输出为12位二进制数，最大输入模拟信号为10V，则分辨率为2。转换时间转换时间是指从模数转换器接收到转换开始信号到输出端获得稳定数字信号之间经过的时间。模数转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型，不同类型模数转换器的转换速度差异

17、很大。双积分模数转换器的转换速度最慢，大约需要几百毫秒。逐次逼近型模数转换器的转换速度很快，需要几十微秒。并行比较模数转换器的转换速度最快，只需几十纳秒。8.3模数转换器，8.3模数转换器，3。转换误差表示模数转换器的实际输出数字量和理论输出数字量之间的差值。它通常表示为最低有效位的倍数。例如，转换错误。结果表明，实际输出数字量与理论输出数字量之间的误差小于最低半个字。信号采集系统需要一个模数转换集成芯片在1秒内对16个热电偶的输出电压分数进行模数转换。众所周知，热电偶的输出电压范围为025毫伏(对应于0450的温度范围)，待解析的温度为0.1。应该选择多少个模数转换器？什么是转换时间？解决方案：分辨率=，12位模数转换器的分辨率=，因此需要13位模数转换器。转换时间=，8.3 A/D