电子技术基础数字部分9.ppt

1、1,第9章,数模与模数转换器,2,考试时间,5303教室 1月5日15：00-17：00,3,常用名词,ADC = Analog to Digital Convert模数转换 DAC = Digital to Analog Convert数模转换 MSB = Most Significant Bit最高有效位 LSB = Least Significant Bit最低有效位,4,对于有权码，先将每位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现了数字/模拟转换。,D/A转换器的基本原理,5,N位数字输入,模拟量输出,输入寄存器,N位模拟开关

2、,解码网络,求和电路,基准电压,数字-模拟转换器原理方框图,按结构分类： 权电阻网络型、倒T形电阻网络型、权电流型、权电容网络型、开关树型 按工艺分类： CMOS开关型、双极性开关型（电流开关型、ECL电流开关型）,6,权电阻网络DAC,N位权电阻网络D/A转换器：,缺点：电阻种类太多,7, 所以，无论Si处于何种位置，与Si相连的2R电阻均接“地”（地或虚地）, 图中S0S3为模拟开关，由输入数码Di控制, 当Di=1时，Si接运算放大器反相输入端（虚地），电流Ii 流入求和电路, 当Di=0时，Si将电阻2R接地,电路组成： n位模拟开关 R-2R电阻网络 运放求和电路 基准电压VREF,

3、 流经电阻2R的电流与开关位置无关，只取决于电阻2R 在电阻网络中的位置, 从每个节点向左看，等效电阻均为R；流过每个2R电阻的电流按2的正倍数递减,倒T形电阻网络D/A变换器,8,基准电流 I=VREF/R，,输出电压：,将输入数字量扩展到n位，则有：,可简写为： VO=KNB 其中：,输出电压与输入数值的关系,倒T形电阻网络D/A变换器,9,倒T形电阻网络D/A变换器的特点,获得高精度性能比较困难,影响精度的因素： 基准电压 R-2R电阻网络的比值一致性 每个模拟开关的开关压降要相等，且导通电阻也相应按2的整数倍递减,10,CMOS模拟开关电路,11,为进一步提高D/A变换器的转换精度，可

4、采用权电流型D/A变换器,权电流型D/A变换器原理图,电路组成： 由一组恒流源替代R-2R电阻网络 各支路权电流的大小不受开关导通电阻和压降的影响，降低了对开关的要求，提高了变换精度,输出电压与输入数值的关系,权电流型D/A变换器,12,恒流源电路： 多发射级晶体管，各发射极电流密度相同，使各VBE相同。各恒流源权电流精确。,基准电流： 负反馈 虚地,实际的权电流D/A转换器电路,采用具有电流负反馈的BJT恒流源电路的权电流D/A转换器,13,由倒T形电阻网络分析可知：IE3=I/2，IE2=I/4，IE1=I/8，IE0=I/16，于是可得输出电压为：,基准电流：,实际的权电流D/A转换器电

5、路,输出电压与输入数值的关系,14,D/A转换器的单极性电压输出,反相输出 vO= -iRf,同相输出 vO=iR(1+R2/R1),15,补码、偏移码的D/A转换器输出,16,双极性输出D/A转换器,17,D/A转换器的主要技术指标,1分辨率：输入数字量的位数，或能分辨最小输出电压与最大输出电压之比 2转换精度：比例系数误差、失调误差、非线性误差 3转换速度：建立时间、转换速率 4温度系数：商业级、工业级、军品级、航天级等,18,比例系数误差和失调误差,实际转换特性曲线的斜率与理想特性曲线斜率的偏差 原因：如VREF的偏差等,放大器的零点漂移引起 大小与输入数字量无关，特性曲线平移,19,非

6、线性误差,无变化规律 一般用满刻度范围内偏离理想特性的最大值表示 来源： 模拟开关不同的导通电压和导通电阻 每一开关不同状态的压降和电阻不同 各支路电阻误差不同 ,20,ADC 模数变换,21,模拟信号与数字信号,模拟信号：在规定的连续时间范围内，信号的幅值可以取连续范围内的任意数值,数字信号：对模拟信号在时间和幅度上都进行量化后取得的信号，是以某种时间间隔依次出现的数字序列,模拟/数字变换： 习惯上将从时间轴的量化称为时间取样，将从幅度轴量化称为幅度量化 完成从模拟信号到数字信号转换的电路称为模拟数字变换（AnalogDigital Conversion, 简称：ADC），所以，仅从原理上讲

7、，它包括取样器和量化器两个部分。,模拟/数字变换概念,Vi(t)：输入模拟信号,V*i(t)：取样信号,VO：输出数字信号,时域：时间-幅度 频域：频率-幅度,22,理想取样：,理想取样器原理示意图,设一个模拟开关，每隔T秒短暂地闭合一次，将模拟信号通道接通，则对输入信号实现一次取样。模拟开关每次闭合的时间为秒，并且切断和闭合的过渡时间为0。这样的模拟开关可以被称为理想取样器 理想取样指的是当理想取样器的闭合时间为无限短，即趋于零时的极限情况下的取样,Shannon取样定理：,设取样信号P(t)的频率为fs（取样率）,输入模拟信号Vi(t)的带宽为fimax，为使变换后的数字信号能不失真地复现

8、原模拟信号，fs和fimax必须满足下面的公式：,仙/香农（Shannon）取样定理,*,23,Shannon取样定理：,为使变换后的数字信号能不失真地复现原模拟信号，fs和fimax必须满足下面的公式：,满足Shannon取样定理的取样系统的输入-输出信号的频谱,不满足Shannon取样定理的取样系统输出信号的频谱,设输入信号的频谱为W(f)，取样后的输出信号频谱会发生周期性的延拓现象。也就是说，时域中的取样过程形成了在频域中的周期函数，频域中的周期等于时域中的取样频率。 不满足Shannon取样定理的取样系统，其输出信号的频谱将会发生所谓的“混迭”（Aliasing）现象。因而，不可能无失

9、真地恢复原模拟输入信号。,Shannon取样定理的物理意义,24,Shannon取样定理在时域的理解,25,将取样电路每次取样取得的模拟信号转换为数字信号都需要一定时间。为了给后续的量化过程提供一个稳定值，一般是通过一个取样-保持电路将每次取得的模拟信号保持一段时间。,电路特点：,A1、A2设均要求为高输入阻抗，低输出阻抗，且一般有：A1A2=1,S,Vi(t),取样-保持电路原理示意图,Vo(t),A1,A2,开关驱动,取样-保持 控制电路,CH,电路组成： 输入放大器（A1） 输出放大器（A2） 保持电容（CH） 开关驱动电路,工作原理： 设开关S为理想开关，闭合时电阻极小，断开时电阻无穷

10、大。 t0-t1: 取样阶段，开关S闭合，输出电压跟随输入电压 t1-t2: 保持阶段，开关S断开，输出电压保持在t1时刻的电压值,取样-保持电路（模拟存储器） (Sample-Hold Amplifier，简称：SHA),26,设输入模拟信号的满量程电压值为FSR（Full Scale Range），ADC的位数为n，量化电平用Q（或LSB）表示，则有：,量化电平,误差 = 量化值 实际值,量化方法, 截断法：采用不大于实际采样值的最大量化值来近似采样值。, 舍入法：采用最靠近实际采样值的量化值来近似采样值。,量化误差,舍入法: A点的取值为011，误差范围为0Q/2；B点的取值为010，误

11、差范围为-Q/20。因此，舍入法量化的误差范围为（-Q/2 Q/2） 截断法：模拟信号的A、B两点量化后取值均为010，误差的范围为（-Q0）,量化理论,27,取样/保持 电路,量化电路,编码及输出电路,时序控制电路,ADC原理方框图,28,ADC的类型,29,电路组成： 由阶梯电阻网络组成的参考电压网络 2n-1个高速比较器 寄存器 译码逻辑电路,工作原理： 阶梯电阻网络为2n-1个高速比较器提供了阈电平，输入模拟信号同时送入所有的高速比较器输入端，输入信号幅度大于阈电平的比较器翻转，输出一个所谓的温度计码。每个时钟脉冲将当前的温度计码暂存在D寄存器中，并经过编码后输出。 舍入法量化方法。,

12、特点：,高速，目前速度最快的ADC(10MSPS2GSPS) 高功耗，高成本 精度不高（48位分辨）,Flash ADC 原理电路图,MSPS: Mega Sample Per Second；GSPS: Giga Sample Per Second,并行比较型ADC (Flash ADC),30,ADC基本类型Flash ADC,3位并行比较型ADC输入/输出关系对照表,31,ADC基本类型计数器型ADC,32,转换原理：,Gd3g3+ d2g2+ d1g1+ d0g0,有效砝码的总重量逐次逼近重物的重量：,逐次比较型ADC（Successive Approximation ADC，简称：SA

13、ADC）,33,电路组成： 取样/保持电路(SHA) 高速比较器（Comparator） 逐次比较寄存器（SAR） 高速数字/模拟变换器（DAC） 控制和定时逻辑（Control & Timing）,工作原理： 将输入模拟信号与不同的参考电压做多次比较，使变换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量对应值,特点：,n位ADC完成一次变换需要n个时钟周期（100KSPS10MSPS ） 低功耗，低成本 816位分辨,SAADC 原理电路图,逐次比较型ADC,34,逐次比较型ADC,35,4位逐次比较行A/D转换器的逻辑电路,36,电路组成： 积分器 过零比较器 计数器和定时器 时钟脉冲控制门,工作

14、原理： 在两次积分时，待测电压信号积分时在电容上的充电电荷被参考电压的反向积分放掉，由于两者的积分电流大小不同，因此两次积分的时间不同，这反映在计数器上的计数不同。由于待测电压信号的幅度总是小于、最多等于参考电压，所以参考电压积分时的计数（Tc）总是小于，最多等于待测电压积分时的计数（即满量程计数2n），其比值与待测电压信号幅度与参考电压幅度的比值相同。即有：,特点：,主要用于直流电压的变换 低功耗，低成本 高精度 抗工频干扰,双积分型ADC,37,工作原理：,（2）第一次积分阶段,（1）准备阶段 计数器清零，积分电容放电，vO=0V,t=0时，开关S1与A端接通，输入电压vI加到积分器的输入

15、，积分器从0开始积分：,由于vO0V，过零比较器输出vC=1，控制门G打开。计数器从0开始计数。,经过2n个时钟脉冲后，触发器FF0FFn1都翻转到0态，而Qn=1，开关S1由A点转到B点，第一次积分结束。第一次积分时间为：,t=T1=2nTC,第一次积分结束时，积分器的输出电压VP为：,38,（3）第二次积分阶段,当t=t1时，S1转接到B点，基准电压VREF加到积分器的输入端；积分器开始反向积分：,同时，N级计数器又从0开始计数,当t=t2时，积分器输出电压vO0V，比较器输出vC=0，控制门G被关闭，计数停止,在此阶段结束时vO的表达式可写为：,设T2=t2t1，于是有：,设在此期间计数

16、器所累计的时钟脉冲个数为，则：,T2=TC,39,双积分型ADC的优缺点,优点 工作性能稳定 转换结果与R、C参数无关 转换结果与时钟信号周期无关 可以用精度较低的元器件制成高精度的双积分型ADC 抗干扰能力强 对平均值为0的噪声抑制能力强，常用的T1时刻选择为20ms、40ms等用于抑制50Hz的工频干扰 缺点 工作速度低 转换速度一般每秒几十次,40,ADC的主要技术指标,41,变换速度,变换速度是ADC最为重要的基本指标之一，常用的有两种表述方法： 变换速度：指的是从变换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。常用的单位为：ms，s和ns 取样率：也称为采样率。指的是A

17、DC每秒钟取样（AD变换）的次数。常用的单位为：KSPS、MSPS、GSPS 这是目前最为通用的指标 KSPS： Kilo Samples Per Second MSPS：Mega Samples Per Second GSPS：Giga Samples Per Second,42,变换精度,变换精度也是ADC最为重要的基本指标之一，常用的有两种表述方法： 分辨率： ADC的分辨率说明该ADC对输入信号的分辨能力，以量化电平Q（最小量化单位）来表示，也就是一个最小位（LSB）的大小。理论上，它表明该ADC能区分的输入电压信号的最小值 实际应用时， ADC的分辨率常用输出二进制数的位数n表示。这是因为， ADC的位数与量化电平有着固定的关系，而且使用方便。Q=FSR/2n，位数越多，量化电平越小，分辨率越高 有效位： 用ADC位数表示变换精度是不够严谨的，因为这样只考虑了量化误差的影响。事实上，影响ADC变换精度的因素很多，如电子学噪声。因此，通常用考虑到其它影响后，一个ADC实际能达