A-D与D-A转换.ppt

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,*,*,Digital Logic Design and Application,(,数字逻辑设计及应用,),补充：,数,/,模（,D/A,）,转换电路,模,/,数（,A/D,）,转换电路,1,随着大规模集成电路和计算机技术的飞速发展，数字技术渗透到各个技术领域，各种以数字技术为基础核心的装置和系统层出不穷，如数字仪表、数字控制、数字通信、数字电视等。但是自然界中大多数物理信号和需要处理的信息却以模拟信号的形式出现，如语音、温度、位移、压力等。所以，要想用数字技术对这些信号进行处理和加工，就必须首先把模拟信号转换成数字信号，这就是模数转换（,ADC,）；,另一方面，在许多情况下为了显示直观或便于控制，必须将数字量转换成模拟量，这就是数模转换（,DAC,）。,引言,Digital Logic Design and Application,(,数字逻辑设计及应用,),2,数,/,模与模,/,数转换器是计算机与外部设备的重要接口,也是数字测量和数字控制系统的重要部件。随着电子技术的发展，数,/,模与模,/,数转换器的应用领域越来越广，对数,/,模与模,/,数转换器的要求也越来越高，新型的数,/,模与模,/,数转换器也不断地涌现。,模拟信号,数字信号：,A/D,转换器,(ADC,Analog Digital Converter),数字信号,模拟信号：,D/A,转换器,(DAC,Digital Analog Converter),3,数模转换电路（,DAC,或,D/A,）基本,DAC,电路常用,DAC,芯片及其应用,DAC,的,主要性能参数及芯片选用的方法,Digital Logic Design and Application,(,数字逻辑设计及应用,),4,(1)D/A,功能,:,将数字量,成正比,地转换成模拟量,D/A,n=,4,位,8,位,10,位,12,位,16,位,n,位,数字量,模拟量,05V,或,010V,D/A,转换器原理,Digital Logic Design and Application,(,数字逻辑设计及应用,),5,D/A,功能,(,续,),4,位数据,:0000 0V,1111 5V,分辨率,:,5V/15=0.333V,/,每,1,个最低有效位,8,位数据,:00000000 0V,11111111 5V,分辨率,:,5V/255=0.0196V,/,每,1,个最低有效位,Digital Logic Design and Application,(,数字逻辑设计及应用,),6,(2)D/A,的组成,由三部分电路组成,电阻网络,模拟电子开关,求和运算放大器,Digital Logic Design and Application,(,数字逻辑设计及应用,),7,权电阻,D/A,变换器,这种变换器由“电子模拟开关”、“权电阻求和网络”、“运算放大器”和“基准电源”等部分组成。,8,电子模拟开关,(S,0,-S,3,),由电子器件构成，其动作受二进制数,D,0,-D,3,控制。当,D,K,1,时，则相应的开关,S,K,接到位置,1,上，将基准电源,U,R,经电阻,R,k,引起的电流接到运算放大器的虚地点（如图中,S,0,、,S,1,）；当,D,k,0,时，开关,S,k,接到位置,0,，将相应电流直接接地而不进运放（如图中,S,2,、,S,3,）。,9,T,1,T,2,S,D,a,电子模拟开关的,简化原理电路,当,D,=1,时，,T,2,管饱和导通，,T,1,管截止，则,S,与,a,点通；,当,D,=0,时，,T,1,管饱和导通，,T,2,管截止，则,S,被接地。,前者相当于开关,S,接到,“,1,”,端，后者则 相当于开关,S,接到“,0,”,端。,Digital Logic Design and Application,(,数字逻辑设计及应用,),10,U,o,=-,U,R,R,F,R,（,）,D,3,D,0,D,1,D,2,2,3,2,0,2,1,2,2,根据反相比例运算公式可得：,显然，输出模拟电压的大小直接与输入 二进制数的大小成正比，从而实现了数字量 到模拟量的转换。,11,T,形解码网络,D/A,变换器(以4位为例),由于解码网络的电路结构和参数匹配，使得上图中,D,、,C,、,B,、,A,四点的电位逐位减半,.,和权电阻网络相比，,T,形解码网络中电阻的类型少，,只有,R,、,2R,两种，电路构成比较方便。,12,U,D,=U,R,U,C,=U,R,/,2,U,B,=U,R,/,4,U,A,=U,R,/,8,即：,因此，每个,2R,支路中的电流也逐位减半。,13,I=I,3,+I,2,+I,1,+I,0,U,R,2,R,=,D3,U,R,16,R,D0,U,R,8,R,D1,U,R,4,R,D2,+,+,+,=,U,R,16,R,(,8,D,3,+,4,D,2,+,2,D,1,+1D,0,),=,U,R,R,F,16,R,(,8,D,3,+,4,D,2,+2D,1,+,1,D,0,),u,o,-,14,权电流型,DAC,转换,器,（本小段内容自学为主，讲解从略）,和权电阻网络相比，权电流,DAC,仅将,VREF,和电阻的组合变成了基准电流源的,2,的负整,数次幂的组合，其它关系未发生任何变化，,电路构成比较简单。,Digital Logic Design and Application,(,数字逻辑设计及应用,),15,DAC,的主要性能参数及选用方法,指输入数字量的最低有效位（,LSB,）,变化,1,个字所引起的输出电压变化值相对于满刻度值（最大输出电压）的百分比。,有时也用输入数字量的有效位数（,n,）,来表示分辨率。,一、转换精度,1,、分辨率,Digital Logic Design and Application,(,数字逻辑设计及应用,),16,2,、转换误差,转换误差有,绝对误差,和,相对误差,两种表示方法。对于某个输入数字，实测输出值与理论输出值之差称为,绝对误差,。对于某个输入数字，实测输出值与理论输出值之差同满刻度之比称为,相对误差,。,3,、线性误差,通常用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（,FSR,）。,二、转换速度,Digital Logic Design and Application,(,数字逻辑设计及应用,),17,建立时间定义为：从输入数字量发生变化开始到输出进入稳态值,0.5LSB,范围之内所需要的时间。含运算放大器的,DAC,其建立时间一般小于,1.5,S,，,不,含运算放大器的,DAC,其建立时间一般小于,100nS,。,DAC,的转换速度也称,转换时间或建立时间,，主要由,DAC,转换网络的延迟时间和运算放大器的电压变化率,S,R,来决定。,18,模数转换电路（,ADC,或,A/D,）,A/D,转换的基本概念,基本,ADC,电路,ADC,的主要性能参数及芯片选用,Digital Logic Design and Application,(,数字逻辑设计及应用,),19,A/D,转换的基本概念,A/D,转换过程包括取样、保持、量化和编码四个步骤，前两步在取样,-,保持电路（,S/H,）,中完成，后两步在,A/D,转换电路中完成。,采样定理：,f,s,=2,f,max,（理论计算）,f,s,=,（,45,）,f,max,（实际应用）,采样,-,保持：将采样后的值保存下来，并在采样脉冲结束之后到下一个采样脉冲到来之前保持不变，保证,ADC,在此期间将样值转换成数字量。其原理与峰值检测电路相同，电路有,LF198,等。,量化与编码,Digital Logic Design and Application,(,数字逻辑设计及应用,),20,基本,ADC,电路,并行比较型,ADC,特点,:,转换速度快,转换时间,10ns 1,s,逐次逼近型,ADC,特点,:,转换速度中,转换时间 几,s 100,s,双积分型,ADC,特点,:,转换速度慢,转换时间 几百,s,几,ms,Digital Logic Design and Application,(,数字逻辑设计及应用,),21,并行比较型,ADC,-,+,+,-,+,+,-,+,+,-,+,+,-,+,+,-,+,+,-,+,+,u,x,E,R,R,R,R,R,R,R,R,D,2,D,1,D,0,数字输出,A,G,F,E,C,D,B,编,码,器,7,E,/8,6,E,/8,5,E/,8,4,E,/8,3,E,/8,2,E,/8,E,/8,电路由三部分组成,:,分压器,、,比较器,和,编码器,。,这种,A/D,变换器的优点是转换速度快，缺点 是所需比较器数目多，位数越多矛盾越突出。,22,比较器输入,E,u,x,7,E,/8,7,E,/8,u,x,6,E,/8,6,E,/8,u,x,5,E,/8,5,E,/8,u,x,4,E,/8,4,E,/8,u,x,3,E,/8,3,E,/8,u,x,2,E,/8,2,E,/8,u,x,1,E,/8,1,E,/8,u,x,0,A,B,C,D,E,F,G,D,2,D,0,D,1,编码器输出,输入电压,u,x,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,0,0,0,0,1,1,1,1,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,0,0,0,逻辑状态关系表,Digital Logic Design and Application,(,数字逻辑设计及应用,),23,逐次逼近型,ADC,其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四个砝码共重,15,克，每个重量分别为,8,、,4,、,2,、,1,克。设待秤重量,W,x,=13,克，可以用下表步骤来秤量：,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,W,x,，,故保留,砝码总重仍,待测重量,W,x,，,故撤除,砝码总重 待测重量,W,x,，,故保留,暂时结果,8,克,12,克,12,克,13,克,结 论,Digital Logic Design and Application,(,数字逻辑设计及应用,),24,1,0,0,0,1,0,0,0,D /A,u,x,(,待转换的模拟电压,),u,o,u,c,控,制,逻,辑,数码寄存器,移位寄存器,时钟,清,0,、置数,清,0,、置数,CP,、,(,移位命令,),“,1”,状态是否保留,控制端,原理框图,25,双积分型,ADC,双积分型,ADC,是一种电压,-,时间间接型模数转换器。其转换原理如下图所示，主要有积分器、比较器、计数器和控制电路组成，其工作过程由对基准源和样值两次积分完成。,26,ADC,的,主要性能参数及芯片选用,一、,分辨率,：以输出二进制代码的位数表示分辨率。位数越多，量化误差越小，转换精度越高。,三、,转换速度,：完成一次,A/D,转换所需要的时间，即从它接到转换命令起直到输出端得到稳定的数字量输出所需要的时间。,二、,转换误差,：转换结果相对于理论值的误差。常用,LSB,的倍数表示。,Digital Logic Design and Application,(,数字逻辑设计及应用,),27,ADC,芯片的选用方法：选用,ADC,芯片应以上述的主要性能参数为依据，兼顾如输入通道、输出编码方式、输出逻辑电平、与微机接口的形式（并行或串行）、接口的匹配等要求。,四、其它：,功率、电源电压、电压范围,等。,Digital Logic Design and Application,(,数字逻辑设计及应用,),28,