数电数模和模数转换器.ppt

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,链接演示文稿主页面,第 8 章 数模和模数转换器,数电数模和模数转换器,8.1 概述,主要要求：,理解数模和模数转换器的概念和作用。,一、数模和模数转换的概念和作用,数模转换即将数字量转换为模拟电量(电压或电流)，使输出的模拟电量与输入的数字量成正比。,实现数模转换的电路称数模转换器,Digital-Analog Converter,，,简称 D/A 转换器或 DAC。,模数转换即将模拟电量转换为数字量，使输出的数字量与输入的模拟电量成正比。,实现模数转换的电路称模数转换器,Analog-Digital Converter,，,简称 A/D 转换器或 ADC。,模拟量,数字量,模拟量,数字量,传感器,被控对象,自然界物理量,为何要进行数模和模数转换？,二、数模和模数转换器应用举例,数字,信号,物理量,模拟信号,压力传感器,温度传感器,流量传感器,四,路,模,拟,开,关,数,字,控,制,计,算,机,DAC,模拟控制器,模拟控制器,液位传感器,DAC,DAC,模拟控制器,模拟控制器,生 产 控 制 对 象,DAC,ADC,二、数模和模数转换器应用举例,其中，并联比较型 ADC 属于直接转换型，其转换速度最快，但价格贵；,其中，并联比较型 ADC 转换速度最快，但,双积分型 ADC 属于间接转换型，其速度慢，但精度高、抗干扰能力强；,采样信号是否会丢失原信号的信息呢？,后两者转换速度快，性能好，因而被广泛采用，,能分辨的最小输出电压值也越小。,二、并联比较型 ADC,调节 VREF 可调节 DAC 的输出电压。,其中，并联比较型 ADC 转换速度最快，但,它是一个综合指标，不仅与 DAC 中元件参数的精度有关，而且与环境温度、求和运算放大器的温度漂移以及转换器的位数有关。,量化是对样值脉冲进行分级，编码是将分级后的信号转换成二进制代码。,二、R-2R 倒 T 形电阻网络 DAC,即 I3=23 I0，I2=22 I0，I1=21 I0，I0=20 I0,中最高频率的两倍时，采样信号可以,位数越多，能分辨的最小模拟电压值就越小。,主要要求：,了解数模转换的基本原理。,了解常用 D/A 转换器的类型和主要参数。,了解,R,-,2,R,倒 T 形电阻网络 D/A 转换器的,电路与工作原理。,8.2 D/A,转换器,中最高频率的两倍时，采样信号可以,不失真地恢复为原模拟信号。,打向“0”侧时，相应 2R 支路接地。,中电位器 R1 用于调,其中，后两者转换速度快，,DAC 的最小输出电压变化量，也即 DAC 的最小输出电压值,3 A/D 转换器,实现数模转换的电路称数模转换器,n 位二进制数输出D=Dn-1 Dn-2 D1 D0,打向“0”侧时，相应 2R 支路接地。,Di=0 时，开关合向“0”侧，Ii 流入地而不能输出。,其中，并联比较型 ADC 属于直接转换型，其转换速度最快，但价格贵；,基准电压 VREF 和量化方法有关。,量化是对样值脉冲进行分级，编码是将分级后的信号转换成二进制代码。,其中，并联比较型 ADC 属于直接转换型，其转换速度最快，但价格贵；,一、数模转换的基本原理,输出模拟电压,u,O,=,D,=(,D,n,-,1,2,n,-,1,+,D,n,-,2,2,n,-,2,+,+,D,1,2,1,+,D,0,2,0,),可见，,u,O,D,，,u,O,的大小反映了数字量,D,的大小。,DAC,D,0,D,1,D,n,-,2,D,n,-,1,u,O,n,位二进制数输入,模拟电压输出,一、数模转换的基本原理,LSB Least Significant Bit,输入数字量,D,=(,D,n,-,1,D,n,-,2,D,1,D,0,),2,=,D,n,-,1,2,n,-,1,+,D,n,-,2,2,n,-,2,+,+,D,1,2,1,+,D,0,2,0,是 DAC 能输出的最小电压值，称为 DAC 的单位量化电压，它等于,D,最低位,(,LSB,),为 1、其余各位均为 0 时的模拟输出电压,(,用,U,LSB,表示,),。,S,0,+,+,-,u,O,S,1,S,2,S,3,D,3,D,2,D,1,D,0,i,R,F,I,I,3,I,2,I,1,I,0,V,REF,2,R,2,R,I,0,2,R,I,1,2,R,I,2,2,R,I,3,0,1,1,1,1,0,0,0,R,R,R,(一),电路组成与转换原理,二、,R,-,2,R,倒,T,形电阻网络,DAC,由倒 T 型电阻网络、模拟开关和一个电流电压转换电路,(,简称,I,/,U,转换电路,),组成。,模拟开关 S,i,打向,“,1,”,侧时，相应 2,R,支路接虚地；打向,“,0,”,侧时，相应 2,R,支路接地。故无论开关打向哪一侧，倒 T 型电阻网络均可等效为下图：,I,I,3,I,2,I,1,I,0,V,REF,2,R,2,R,I,0,2,R,I,1,2,R,I,2,2,R,I,3,R,R,R,A,B,C,从 A、B、C 节点向左看去，各节点对地的等效电阻均为 2,R,。,因此，,I,=,V,REF,R,I,3,=,I,2,=2,3,()，,I,2,4,I,2,=,I,3,2,=2,2,()，,I,2,4,=,I,4,I,1,=,I,2,2,=2,1,()，,I,2,4,=,I,8,I,0,=,I,1,2,=2,0,(),I,2,4,=,I,16,可见，支路电流值,I,i,正好代表了二进制数位,D,i,的权值 2,i,。,即,I,3,=2,3,I,0,，,I,2,=2,2,I,0,，,I,1,=2,1,I,0,，,I,0,=2,0,I,0,T 形电阻网络 DAC、R-2R 倒 T 形电阻网络 DAC,指 DAC 在输入数字信号开始转换，到输出的模拟信号达到稳定值所需的时间。,一、A/D 转换的基本原理和一般步骤,一、数模转换的基本原理,即 I3=23 I0，I2=22 I0，I1=21 I0，I0=20 I0,双积分型 ADC 属于间接转换型，其速度慢，但精度高、抗干扰能力强；,一、数模转换的基本原理,二、R-2R 倒 T 形电阻网络 DAC,不失真地恢复为原模拟信号。,二、数模和模数转换器应用举例,8 位数据输入端，其电平与 TTL 电平兼容。,当 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0=11111111 时，输出为满度值。,另一类内部除含有电阻网络和电子模拟开关外，还带有数据锁存器，并具有片选控制和数据输入控制端，便于和微处理器进行连接，多用于微机控制系统中。,常用 DAC 主要有权电阻网络 DAC、R-2R,性能好，因而被广泛采用，权电流网络 DAC 转换,模拟开关 S,i,受相应数字位,D,i,控制。当,D,i,=1 时，开关合向,“,1,”,侧，相应支路电流,I,i,输出；,D,i,=0 时，开关合向,“,0,”,侧，,I,i,流入地而不能输出。,S,0,+,+,-,u,O,S,1,S,2,S,3,D,3,D,2,D,1,D,0,i,R,F,I,I,3,I,2,I,1,I,0,V,REF,2,R,2,R,I,0,2,R,I,1,2,R,I,2,2,R,I,3,0,1,1,1,1,0,0,0,R,R,R,u,0,=,-,i,R,F,=,-,D,I,0,R,F,=,-,D,i,=,D,3,I,3,+,D,2,I,2,+,D,1,I,1,+,D,0,I,0,=,(,D,3,2,3,+,D,2,2,2,+,D,1,2,1,+,D,0,2,0,),I,0,=,D,I,0,对,n,位,DAC，,u,O,=,-,D,若取,R,F,=,R,，则,u,O,=,-,D,n,位 DAC 将参考电压,V,REF,分成 2,n,份，,u,O,是每份的,D,倍。调节,V,REF,可调节 DAC 的输出电压。,u,O,=,-,D,三、常用,DAC,的类型和主要参数,(一),常用 DAC 的类型,常用 DAC 主要有权电阻网络 DAC、,R,-,2,R,T 形电阻网络 DAC、,R,-,2,R,倒 T 形电阻网络 DAC,和权电流网络 DAC。其中，后两者转换速度快，,性能好，因而被广泛采用，权电流网络 DAC 转换,精度高，性能最佳。,(二),主要参数,1.,分辨率,DAC 的最小输出电压变化量，也即 DAC 的最小输出电压值,表示满度输出电压值，FSR 即 Full Scale Range,指 D/A 转换器模拟输出所能产生的最小电压变化量与满刻度输出电压之比。,U,FSR,=,u,O,|,D,=11,1,=(2,n,1),U,LSB,n,位均为 1,例如，一个 10 位的 DAC，分辨率为 0.000 978。,DAC,的位数越多，分辨率值就越小，,能分辨的,最小输出电压值也越小。,要获得较高精度的 D/A 转换结果，除了正确选用 DAC 的位数外，还要选用低漂移高精度的求和运算放大器。,3.,转换时间,指 DAC 在输入数字信号开始转换，到输出的模拟信号达到稳定值所需的时间。,转换时间越小，转换速度就越高。,2.,转换精度,指 DAC 实际输出模拟电压与理想输出模拟电压间的最大误差。,它是一个综合指标，不仅与 DAC 中元件参数的精度有关，而且与环境温度、求和运算放大器的温度漂移以及转换器的位数有关。,通常要求 DAC的误差小于,U,LSB,/2。,四、集成 DAC应用举例,四、集成 DAC 应用举例,1.集成 DAC 简介,常用集成 DAC 有两类：一类内部仅含有电阻网络和电子模拟开关两部分，常用于一般的电子电路。另一类内部除含有电阻网络和电子模拟开关外，还带有数据锁存器，并具有片选控制和数据输入控制端，便于和微处理器进行连接，多用于微机控制系统中。,2.8 位 CMOS 集成 D/A 转换器 CDA7524 简介,数据锁存器,20 k,20 k,20 k,20 k,20 k,10 k,10 k,10 k,10 k,V,DD,V,REF,15,12,13,CS,WR,4,5,6,11,D,7,(,MSB,),D,6,D,5,D,0,(,LSB,),S,0,S,1,S,2,S,7,OUT,1,1,2,3,16,i,R,FB,OUT,2,GND,基准电压输入端,V,REF,可正可负,片选控制端,电源电压范围+5 V +15 V,8 位数据输入端，其电平与 TTL 电平兼容。MSB 表示最高位，LSB 表示最低位。,接地端,内部反馈电阻,R,F,的引出端,两个输出端，一般将,OUT,2,接地，,OUT,1,接运放反向端。,写信号控制端,例,右图为,CDA7524 的单极性,输出应用电路。图,中电位器,R,1,用于调,整运放增益，电容,C,用以消除运放的,自激。已知,U,LSB,=,V,REF,/256，试求满,度输出电压及满度,输出时所需的输入,信号。,CDA7524,4,5,7,8,9,10,6,11,12,13,D,7,D,6,D,4,D,3,D,2,D,1,D,5,D,0,CS,3,14,V,DD,15,16,1,2,V,REF,=,10V,+,+,-,OUT,1,OUT,2,u,O,C,2 k,R,2,R,1,1 k,15 pF,WR,解：,当,D,7,D,6,D,5,D,4,D,3,D,2,D,1,D,0,=,11111111,时，输出为满度值。,u,O,=,-,U,FSR,-,9.961 V。,主要要求：,了解模数转换的基本原理。,了解,A/D,转换器的主要参数。,了解常用,A/D,转换器。,8.3 A/D,转换器,一、,A/D,转换的基本原理和一般步骤,“,”,表示取整。,基本原理,ADC,D,0,D,1,D,n,-2,D,n,-1,u,I,模拟输入信号,n,位二进制数输出,D,=,D,n,-1,D,n,-2,D,1,D,0,可见，输出数字量,D,正比于输入模拟量,u,I,。,称为 ADC 的单位量化电压或量化单位，它是 ADC 的最小分辨电压。,采样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。,保持：保持采样信号,，,使有充分时间转换为数字信号。,量化：把采样保持电路的输出信号用单位量化电压的 整数倍表示。,编码：把量化的结果用二进制代码表示。,A/D,转换的一般步骤,u,I,(,t,),C,量化编码,电路,D,n,-,1,D,1,D,0,u,I,(,t,),S,采样保持电路,输入模拟量,输出数字量,采样信号是否会丢失原信号的信息呢？,对信号进行量化会引起误差吗？,量化误差大小与 ADC 的位数、,基准电压,V,REF,和量化方法有关。,采样定理：当采样频率不小于输入模拟信号频谱,中最高频率的两倍时，采样信号可以,不失真地恢复为原模拟信号。,量化误差：因模拟电压不一定能被,U,LSB,整除，,量化时舍去余数而引起的误差。,划分量化电平的两种方法,最大量化误差=(1/8)V,最大量化误差=/2=(1/15)V,1=1/8V,4=4/8V,0,(6/8)V,(7/8)V,000,001,010,011,100,101,110,111,模拟,电平,二进制,代码,代表的,模拟电平,0=0V,2=2/8V,3=3/8V,5=5/8V,6=6/8V,7=7/8V,(5/8)V,(4/8)V,(3/8)V,(2/8)V,(1/8)V,(8/8)V,模拟,电平,二进制,代码,代表的,模拟电平,0=0V,1=2/15V,2=4/15V,3=6/15V,4=8/15V,5=10/15V,6=12/15V,7=14/15V,(13/15)V,0,000,001,010,011,100,101,110,111,(11/15)V,(15/15)V,(9/15)V,(3/15)V,(7/15)V,(1/15)V,(5/15)V,V,REF,u,I,R,R,/2,R,R,R,R,R,R,D,2,(MSB),CP,1D,1D,1D,1D,1D,1D,1D,D,1,D,0,(LSB),比较器,寄存器,编码器,编,码,器,二、并联比较型,ADC,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,u,I,电阻构成分压器,V,REF,u,I,R,R,/2,R,R,R,R,R,R,D,2,(MSB),CP,1D,1D,1D,1D,1D,1D,1D,D,1,D,0,(LSB),比较器,寄存器,编码器,编,码,器,二、并联比较型,ADC,0,0,0,0,0,0,1,0,0,1,u,I,V,REF,u,I,R,R,/2,R,R,R,R,R,R,D,2,(MSB),CP,1D,1D,1D,1D,1D,1D,1D,D,1,D,0,(LSB),比较器,寄存器,编码器,编,码,器,二、并联比较型 ADC,0,0,0,0,0,1,1,0,1,0,u,I,V,REF,u,I,R,R,/2,R,R,R,R,R,R,D,2,(MSB),CP,1D,1D,1D,1D,1D,1D,1D,D,1,D,0,(LSB),比较器,寄存器,编码器,编,码,器,二、并联比较型 ADC,0,0,0,0,1,1,1,0,1,1,u,I,V,REF,u,I,R,R,/2,R,R,R,R,R,R,D,2,(MSB),CP,1D,1D,1D,1D,1D,1D,1D,D,1,D,0,(LSB),比较器,寄存器,编码器,编,码,器,二、并联比较型 ADC,0,0,0,1,1,1,1,1,0,0,u,I,V,REF,u,I,R,R,/2,R,R,R,R,R,R,D,2,(MSB),CP,1D,1D,1D,1D,1D,1D,1D,D,1,D,0,(LSB),比较器,寄存器,编码器,编,码,器,二、并联比较型 ADC,0,0,1,1,1,1,1,1,0,1,u,I,V,REF,u,I,R,R,/2,R,R,R,R,R,R,D,2,(MSB),CP,1D,1D,1D,1D,1D,1D,1D,D,1,D,0,(LSB),比较器,寄存器,编码器,编,码,器,二、并联比较型 ADC,0,1,1,1,1,1,1,1,1,0,u,I,V,REF,u,I,R,R,/2,R,R,R,R,R,R,D,2,(MSB),CP,1D,1D,1D,1D,1D,1D,1D,D,1,D,0,(LSB),比较器,寄存器,编码器,编,码,器,二、并联比较型 ADC,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,u,I,三、常用,ADC,的类型和主要参数,(一),常用,ADC,的类型,常用 ADC 主要有并联比较型、双积分型和逐次,逼近型。其中，并联比较型 ADC 转换速度最快，但,价格贵；双积分型 ADC 精度高、抗干扰能力强，但,速度慢；逐次逼近型速度较快、精度较高、价格适中，,因而被广泛采用。,指 ADC 实际输出数字量与理想输出数字量之间的最大差值。通常用最低有效位 LSB 的倍数来表示。,(二),主要参数,2.相对精度,(又称转换误差),指 ADC 输出数字量的最低位变化一个数码时，对应输入模拟量的变化量。,1.,分辨率,例如 最大输出电压为 5V 的 8 位 ADC 的分辨率为：5V/2,8,=19.6 mA,分辨率也可用 ADC 的位数表示。位数越多，能分辨的最小模拟电压值就越小。,例如 转换误差不大于 1/2 LSB，即说明,实际输出数字量与理想输出数字量,之间的最大误差不超过 1/2 LSB。,3.转换时间,转换速度比较：并联比较型 逐次逼近型 双积分型,数十 ns,数十,s,数十 ms,指 ADC 完成一次转换所需要的时间，即从转换开始到输出端出现稳定的数字信号所需要的时间。,转换时间越小，转换速度越高。,D/A,转换是将输入的数字量转换为与之成正比,的模拟电量。常用的 DAC 主要有权电阻网络,DAC,、,R,-,2,R,T,形电阻网络,DAC,、,R,-,2,R,倒,T,形电阻网络,DAC,和权电流网络,DAC,。其中，,后两者转换速度快，性能好，因而被广泛采用，,权电流网络,DAC,转换精度高，性能最佳。,本 章 小 结,A/D 转换是将输入的模拟电压转换为与之成正比的数字量。常用,ADC,主要有并联比较型、双积分型和逐次,逼近型。其中，并联比较型 ADC 属于直接转换型，其转换速度最快，但价格贵；双积分型 ADC 属于间接转换型，其速度慢，但精度高、抗干扰能力强；逐次逼近型也属于直接转换型，其速度较快、精度较高、价格适中，因而被广泛采用。,A/D 转换要经过采样,-,保持和量化与编码两步实现。采样,-,保持电路对输入模拟信号抽取样值，并展宽,(保持)；,量化是对样值脉冲进行分级，编码是将分级后的信号转换成二进制代码。在对模拟信号采样时，必须满足采样定理：采样脉冲的频率,f,S,必须大于输入模拟信号最高频率分量的 2 倍。这样才能不失真地恢复出原模拟信号。,