模数与数模转换器.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,*,Analog Digital Converter and Digital Analog Converter,9.1 D/A转换器,9.2 A/D转换器。,9 模数与数模转换器,1,3、正确,理解D/A、A/D转换器的主要参数。,1、掌握倒T形电阻网络D/A转换器(DAC)、集成D/A转换器的工作原理及相关计算。,2、掌握并行比较、逐次比较、双积分A/D转换器(ADC),的工作原理及其特点。,教学基本要求,2,A/D,转换器,D/A,转换器,模拟,控制器,工业生产过程控制对象,模,拟,传感器,ADC和DAC,已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。,将温度、压力、流量、应力等物理量转换为模拟电量。,计算机进行数字处理（如计算、滤波）、保存等,用模拟量作为控制信号,数字控制,计算机,概述,3,4,9.1 D/A,转换器,9.1.1 D/A,转换的基本原理,9.1.2 倒T形电阻网络D/A转换器,9.1.4 D/A转换器的输出方式,9.1.3 权电流D/A转换器,9.1.5 D/A转换器的技术指标,9.1.6 D/A转换器的应用,5,将数字量转换为与之成正比模拟量。,n位,数字量,1.概述,DAC,9.1 D/A,转换器,模拟量,1、数,/,模转换器:,A,=,K D,O,=,K N,B,6,数字量是用代码按数位组合而成的，对于有权码，每位代码都有一定的权值，如能将每一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模拟量，从而实现数字量-模拟量的转换。,实现,D/A,转换的基本思想,N,D,b,4,2,4,b,3,2,3,b,2,2,2,b,1,2,1,b,0,2,0,12,4,12,3,02,2,02,1,12,0,将二进制数N,D,(11001),B,转换为十进制数。,9.1.1 D/A,转换的基本原理,7,D/A,转换器的组成:,DAC的数字数据可以并行输入也可串行输入,用存放在数字寄存器中的数字量的各位数码,由输入数字量控制,产生权电流,将权电流相加产生与输入成正比的模拟电压,8,实现,D/A,转换的原理电路,，,，,9,D/A,转换器的分类:,按解码网络结构分类,T型电阻网络DAC,倒T形电阻网络DAC,权电流DAC,权电阻网络DAC,按模拟电子开关电路分类,CMOS开关型DAC,双极型开关型DAC,电流开关型DAC,ECL电流开关型DAC,D/A 转换器,10,9.1.2 倒T形电阻网络D/A转换器,D,i,=0,S,i,则将电阻2,R,接地,D,i,=1,S,i,接运算放大器反相端，电流,I,i,流入求和电路,电阻网络,模拟电子开关,求和运算放大器,输出,模拟电压,输入4位二进制数,根据运放线性运用时虚地的概念可知，无论模拟开关S,i,处于,何种位置，与S,i,相连的2R电阻将接“地”或虚地,。,1、4,位倒T形电阻网络D/A转换器,基准电压,电阻网络,模拟电子开关,求和运算放大器,11,D/A转换器的倒T形电阻网络,基准电源,V,REF,提供的总电流为：,I,=？,流过各开关支路的电流：,I,3,=？,I,2,=？,I,1,=？,I,0,=？,I/,4,I/,8,I/,16,R,R,R,R,I/,2,I/,4,I/,8,I/,16,I/,2,I,3,I,2,I,1,I,0,流入每个2R电阻的电流从高位到低位按2的整数倍递减。,I,3,=,V,REF,/2,R,I,2,=,V,REF,/4,R,I,1,=,V,REF,/8,R,I,0,=,V,REF,/16,R,12,流入运放的总电流：,i,I,0,+,I,1,+,I,2,+,I,3,输出模拟电压：,13,4 位倒T形电阻,网络DAC,的输出模拟电压：,n,位倒T形电阻网络,DAC,有：,令：,则,O,=,K N,B,在电路中输入的每一个,二进制数N,B,，均能得到与之成正比的模拟电压输出。,14,AD7533D/A转换器,使用:1)要外接运放，,2)运放的反馈电阻可使用内部电阻,，也可采用外接电阻）,2.,集成D/A,转换器,10位CMOS电流开关型D/A转换器,15,关于,D/A转换器,精度,的讨论,(1)基准电压稳定性好；,(2)倒T形电阻网络中R和2R电阻比值的精度要高；,(3)为实现电流从高位到低位按2的整数倍递减，模拟开关,的导通电阻也相应地按2的整数倍递增。,为进一步提高D/A转换器的精度，可采用权电流型D/A转换器。,为提高,D/A转换器的,精度，对电路参数的要求：,(3)每个模拟开关的开关电压降要相等,16,D,i,=1,时，开关,S,i,接运放的反相端;,D,i,=0,时，开关,S,i,接地,。,9.1.3 权电流D/A转换器,1.4位权电流D/A转换器,17,在恒流源电路中，各支路权电流的大小均不受开关导通电阻和压降的影响，这样降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。,18,实际的权电流,D/A,转换器电路,电压恒定,各BJT的 发射结电压相等,基准电流产生电路,+,+,-,19,9.1.4 D/A转换器的输出方式,8位D/A转换器在单极性输出时的输入/输出关系,0,0,0,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0,0,0,1,1,1,1,1,1,1,0,0,0,0,0,0,0,0,1,1,0,0,0,0,0,0,1,1,1,1,1,1,1,1,1,模拟量,数字量,MSB LSB,20,常用双极性编,码,十进,制数,2的补码,偏移二进制码,模拟量,D,7,D,6,D,5,D,4,D,3,D,2,D,1,D,0,D,7,D,6,D,5,D,4,D,3,D,2,D,1,D,0,0,/V,LSB,127,0,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,127,126,0,1,1,1,1,1,1,0,1,1,1,1,1,1,1,0,126,1,0,0,0,0,0,0,0,1,1,0,0,0,0,0,0,1,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0,0,0,0,-1,1,1,1,1,1,1,1,1,0,1,1,1,1,1,1,1,-1,-127,1,0,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0,0,0,1,-127,-128,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,-128,*表中,V,LSB,=,V,REF,/256,21,22,9.1.5 D/A转换器的主要技术指标,分辨率：其定义为D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。n位DAC最多有2,n,个模拟输出电压。位数越多D/A转换器的分辨率越高。,分辨率也可以用能分辨的最小输出电压与最大输出电压之比给出。n位D/A转换器的分辨率可表示为,1、分辨率,23,2、转换精度：,转换精度是指对给定的数字量，D/A转换器实际值与理论值之间的最大偏差。,产生原因：由于D/A转换器中各元件参数值存在误差，如基准电压不够稳定或运算放大器的零漂等各种因素的影响。,几种转换误差：有如比例系数误差、失调误差和非线性误差等,24,9.1.6 集成D/A转换器的应用,(1),数字式可编程增益控制电路,D,2,D,7,u,O,D,0,D,1,2R,2R,2R,2R,R,R,R,D,8,D,9,R,R,R,u,I,2R,2R,2R,-,+,R,F,I,OUT1,I,OUT,2,V,REF,25,D,2,D,7,u,O,D,0,D,1,2R,2R,2R,2R,R,R,R,D,8,D,9,R,R,R,u,I,2R,2R,2R,-,+,R,F,I,OUT1,I,OUT,2,V,REF,u,O,-,+,R,u,I,OUT2,I,I,OUT1,倒T形电阻网络,O,V,I,A,u,u,=,I,out1,I,0,+,I,1,+,I,2,+,I,9,根据虚断有:,26,(2),脉冲波产生电路,74163具同步清零功能,74163和与非门构成十进制计数器：00001001,27,9.2.6 集成A/D转换器及其应用,9.2 A/D,转换器,9.2.1 A/D转换的一般工作过程,9.2.2 并行比较型A/D转换器,9.2.3 逐次比较型A/D转换器,9.2.4 双积分式A/D转换器,9.2.5 A/D转换器的主要技术指标,28,概述,ADC,D,n,D,0,输出数字量,输入模拟电压,能将模拟电压成正比地转换成对应的数字量。,1.A/D功能:,9.2 A/D,转换器,29,2.A/D转换器分类,并联比较型,特点:转换速度快,转换时间 10ns 1,s,但电路复杂。,逐次逼近型,特点:转换速度适中,转换时间 为几,s 100,s,转换精度高，在转换速度和硬件复杂度之间达到一个很好的平衡,。,双积分型,特点:转换速度慢,转换时间 几百,s 几ms,但抗干扰能力最强。,30,取样,时间上离散的信号,保持、量化,量值上也离散的信号,编码,模拟信号,时间上和量值上都连续,数字信号,时间上和量值上都离散,9.2.1 A/D转换的一般工作过程,A/D转换器一般要包括,取样，保持，量化及编码,4个过程,。,31,1.取样与保持,采样是将随时间连续变化的模拟量转换为在时间离散的模拟量,。,采样信号,S(t),的频率愈高，所采得信号经低通滤波器后愈能真实地复现输入信号。合理的采样频率由采样定理确定,。,采样定理：设采样信号,S,(,t,)的频率为,f,s,，输入模拟信号,I,(,t,)的最高频率分量的频率为,f,imax,，,则,f,s,2,f,imax,S(t)=1:开关闭合,S(t)=0:开关断开,32,采得模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，为了给后续的量化编码过程提供一个稳定的值，在取样电路后要求将所采样的模拟信号保持一段时间。,采样,保持,取样与保持,电路及工作原理,33,2.量化与编码,数字信号在数值上是离散的。采样,保持电路的输出电压还需按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上，任何数字量只能是某个最小数量单位的整数倍。,量化后的数值最后还需通过编码过程用一个代码表示出来。经编码后得到的代码就是,A/D,转换器输出的数字量。,量化,3.编码,34,在量化过程中由于所采样电压不一定能被,整除，所以量化前后一定存在误差，此误差我们称之为量化误差，用,表示。,量化误差属原理误差，它是无法消除的。A/D转换器的位数越 多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。,两种近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。,4.量化误差：量化前的电压与量化后的电压差,5.量化方式,35,0,1,111,110,101,100,011,010,001,000,0,=0,v,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,输入信号,编码,量化后,电压,a)只舍不入量化方式:量化中把不足一个量化单位的部分舍弃；,对于等于或大于一个量化单位部分按一个量化单位处理。,最大量化误差为：,最小量化单位,1/8V,=1LSB=,1/8,V,例：将01V电压转换为3位二进制代码,36,b)四舍五入量化方式:量化过程将不足半个量化单位部分舍弃，,对于等于或大于半个量化单位部分按一个量化单位处理。,最大量化误差为：,最小量化单位：,0,1,111,110,101,100,011,010,001,000,0,=0,v,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,输入信号,编码,模拟,电平,=,1,LSB,=,2/15,V,1/15V,例：将01V电压转换为3位二进制代码,37,9.2.2 并行比较型A/D转换器,电压比较器,输入模拟电压,精密电阻网络,精密参考电压,V,REF,/15,3V,REF,/15,7V,REF,/15,9V,REF,/15,11V,REF,/15,5V,REF,/15,13V,REF,/15,输出数字量,1、电路组成,38,V,I,=8V,REF,/15,1,1,1,1,0,0,0,0,0,1,39,v,I,C,O1,C,O2,C,O3,C,O4,C,O5,C,O6,C,O7,D,2,D,1,D,0,7V,REF,/15,v,I,9V,REF,/15,0 0 0 1 1 1 1 1 0 0,9V,REF,/15,v,I,11V,REF,/15,0 0 1 1 1 1 1 1 0 1,5V,REF,/15,v,I,7V,REF,/15,0 0 0 0 1 1 1 0 1 1,3V,REF,/15,v,I,5V,REF,/15 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0,11V,REF,/15,v,I,13V,R,/15,0 1 1 1 1 1 1 1 1 0,13V,REF,/15,v,I,V,REF,/15,1 1 1 1 1 1 1 1 1 1,V,REF,/15,v,I,3V,REF,/15,0 0 0 0 0 0 1 0 0 1,0,v,I,V,REF,/15,0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与各比较器输出状态的关系。比较器的输出状态由D触发器存储，经优先编码器编码，得到数字量输出。,40,3、电路特点：,在并行,A/D,转换器中，输入电压,I,同时加到所有比较器的输入端。如不考虑各器件的延迟，可认为三位数字量是与,I,输入时刻同时获得的。所以它的转换时间最短。,缺点是电路复杂，如三位,ADC,需,7,个比较器、,7,个触发器、,8,个电阻。位数越多，电路越复杂。,为了解决提高分辨率和增加元件数的矛盾，可以采取分级并行转换的方法。,单片集成并行比较型,A/D,转换器的产品很多，如,AD,公司的,AD9012(TTL,工艺,8,位,),、,AD9002(ECL,工艺，,8,位,),、,AD9020(TTL,工艺，,10,位,),等。,41,所加砝码重量,结果,9.2.3 逐次比较型A/D转换器,逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似。,第一次,8 克,砝码总重 待测重量,W,x,，8克砝码保留,8 克,第二次,再加4克,砝码总重仍 待测重量,W,x,，2克砝码撤除,12 克,第四次,再加1克,砝码总重 待测重量,W,x,，1克砝码保留,13 克,1.转换原理,所用砝码重量：8克、4克、2克和1克。,设待秤重量,Wx,=13克。,42,1.转换原理,1 0 0,0,1 0 0,0,I,5V,1,A,=,6.84,V,V,REF,=,10,V,第一个CP：,43,1.转换原理,第二个CP,：,0 1 0,0,1 1 0,0,1,0,I,7.5V,I,=,6.84,V,V,REF,=,10,V,44,1.转换原理,第三个CP：,0 0 1,0,1 0 1,0,I,6.25V,1,0,1,A,=,6.84,V,V,REF,=,10,V,45,1,0,0,0,0,0,0,0,A,=,6.84,V,V,REF,=,10,V,1,0,1,0,1,1,1,1,1,1,0,0,0,0,0,0,1,0,1,0,0,0,0,0,1,0,1,1,0,0,0,0,1,0,1,0,1,0,0,0,1,0,1,0,1,1,0,0,1,0,1,0,1,1,1,0,1,0,1,0,1,1,1,1,46,小结：,1、,逐次比较型A/D转换器输出数字量的位数越多转换精度越高；,2、逐次比较型A/D转换器完成一次转换所需时间与其位数,n,和时钟脉冲频率有关，位数愈少，时钟频率越高，转换所需时间越短,；,47,9.2.4 双积分式A/D转换器,1、,双积分式A/D转换器的基本指导思想,对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到相应的数字量输出。双积分式A/D转换器也称为电压时间数字式积分器,。,48,1、电路组成,49,0,0,0,0,0,Cr信号将计数器清零；开关S,2,闭合，待积分电容放电完毕后，断开S,2,使电容的初始电压为0。,2、工作原理,准备阶段：,50,经过2,n,个CP,(2)第一次积分：,t,=,t,0,时，开关S,1,与A端相接，积分器开始对,I,积分。,经2,n,个CP后,开关切换到B，,，,=V,P。,第一积分时间为,2,n,T,C,51,V,REF,加到积分器的输入端，积分器反方向进行第二次积分；当,t,=,t,2,时积分器输出电压,O,0，比较器输出,C,=0，时钟脉冲控制门G被关闭，计数停止。,(3)第二次积分：,52,T,1,=2,n,T,C,T,2,=,T,c,T,2,=,t,1,t,2,在计数器所计的数,=,Q,n-1,Q,1,Q,0,，,就是A/D转换器得到的结果。,53,9.2.4 双积分式A/D转换器,优点：,1.由于转换结果与时间常数RC无关，从而消除了积分非线 性带来的误差。,2.由于双积分A/D转换器在T1时间内采的是输入电压的平均值，,因此具有很强的抗工频干扰的能力。,T,1,=2,n,T,C,3.只要求时钟源在一个转换周期时间内保持稳定即可。,54,1.转换精度,9.2.5 A/D转换器的主要技术指标,单片集成A/D转换器的转换精度是用分辨率和转换误差来描述的。,分辨率,:,说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。通常以输出二进制(或十进制)数的位数表示。,转换误差：,表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字,量之间的差别。,55,2.转换时间,指A/D转换器从转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。A/D转换器的转换时间与转换电路的类型有关,并行比较,A/D,转换器的转换速度最高,逐次比较型,A/D,转换器次之,间接,A/D,转换器,(,如双积分,A/D),的速度最慢。,并行比较A/D转换器(8位）,逐次比较型A/D转换器,间接A/D转换器,1050,s,50ns,10ms1000ms,56,使用,A/D,转换器时应注意以下几点：,(1)转换过程各信号的时序配合,100,s,9.2.6 集成A/D转换器及其应用,57,(2)零点和满刻度调节,(3)参考电压的调节,(4)接地,模拟电路电源,模拟电路,A/D,转换器,数字电路电源,数字电路,A,A/D,、,D/A,及采样保持芯片上都提供了独立的模拟地,(AGND),和数字地,(DGND),的引脚。,模数、数模转换电路中要特别注意到地线的正确连接，否则干扰很严重，以致影响转换结果的准确性。,在线路设计中，必须将所有器件的模拟地和数字地分别相连，然后将模拟地与数字地仅在一点上相连接。,58,2.ADC0809的典型应用,59,