数模与模数转换器.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,*,数模与模数转换器,数字信号转换成模拟信号或是模拟信号转换成数字信号是常用的信号转换技术，在实际中有着广泛的应用。本章先介绍各种数模转换器，然后介绍模数转换器，除介绍工作原理与转换器技术参数外，还介绍几种实际的转换器,1,数模转换,数字（,Digital,）,信号转换成模拟（,Analog,）,信号，简称为,D/A,转换。在很多电子系统中，,D/A,转换是不可缺少的重要组成部分，。,运算放大器符号与电路如图,11-1,所示。,1.1,权电阻,D/A,转换器,权电阻数,/,模转换器电路如图,11-2,所示。图中开关分别受数字信号,D,3,D,0,控制，当数字信号为,1,时，开关的动触点连接,V,REF,，,数字信号为,0,时，开关的动触点连接地线。,*,1.2,输出电压型,R/2R,电阻网络,D/A,转换器,图,11-5,显示的是,4,位输出电压型,R/2R,梯形电阻,D/A,转换器电路。,使用的,R/2R,电阻网络,D/A,转换器电路如图,11-10,所示,1.3,输出电流型,R/2R,电阻网络,D/A,转换器,图,11-11,所示是,4,位输出电流型,R/2R,电阻网络,D/A,转换器电路,1.5,D/A,转换器的技术指标,1,台阶电压,1.6,D/A,转换器,0832,1,内部结构,该芯片的内部结构如图,11-18,所示。,1,内部结构,该芯片的内部结构如图,11-18,所示，图中,8,位输入寄存器用,8D,触发器构成，常用于连接单片机，接收单片机送来的数字信号；,8,位,D/A,转换寄存器也是用,8D,触发器构成的，该寄存器接收输入寄存器送来的数字信号，锁存后直接送到,8,位,D/A,实现,D/A,转换；,双缓冲的第一个优点是，可以按照数据源的时序随时更新,D/A,转换器输入寄存器的数据，第二个优点可以使一个系统中用一个触发信号同时更新多个,D/A,转换器输出的模拟电压。,D/A,转换器,0832,内部电路如图,11-19,所示,2,模数转换器,模拟（,Analog,）,信号转换成数字（,Digital,）,信号，简称为,A/D,转换。在很多系统中，,A/D,转换是不可缺少的重要组成部分，本节将介绍几种常用的,A/D,转换器。,*,2.2,流水线型,A/D,转换器,2.3,双斜率,A/D,转换器,在数字仪表或其他测量仪器中，例如数字万用表，经常使用的模数转换器是双积分,A/D,转换器。双积分,A/D,转换器原理框图如图,11-29,所示。,*,2.4,-,型,A/D,转换器,图,11-34,显示的是,Delta-Sigma,型,A/D,转换器原理框图。工作原理介绍如下。,从图中可以看出，它由逐次近似寄存器、,D/A,转换器和比较器组成。,如果在转换器的输入端加,5.1V,的模拟电压，则工作过程如下。,逐次近似寄存器,2,3,位置位，同时,D/A,转换器的,2,3,位置,1,，,D/A,转换器输出,8V,电压，由于比较器的反相端电压（,8V,）,高于同相端电压（,5.1V,），,所以输出低电平，逐次近似寄存器中该位被复位，输出,0000,。,逐次近似寄存器,2,2,位置位，同时,D/A,转换器的,2,2,位置,1,，,D/A,转换器输出,4V,电压，由于比较器的反相端电压（,4V,）,低于同相端电压（,5.1V,），,所以输出高电平，逐次近似寄存器中该位被保留，输出,0100,。,逐次近似寄存器,2,1,位置位，同时,D/A,转换器的,2,1,位置,1,，这时,D/A,转换器的输入数字量为,0110,，所以输出,6V,电压，由于比较器的反相端电压（,6V,）,高于同相端电压（,5.1V,），,所以输出低电平，逐次近似寄存器中该位被复位，输出,0100,。,逐次近似寄存器,2,0,位置位，同时,D/A,转换器的最低位（,LSB,）,置,1,，这时,D/A,转换器的输入数字量为,0101,，所以输出,5V,电压，由于比较器的反相端电压（,5V,）,低于同相端电压（,5.1V,），,所以输出高电平，逐次近似寄存器中该位被保留，输出,0101,。,当逐次近似寄存器的,4,位触发器都置过,1,以后，转换完成，这时逐次近似寄存器中存有二进制数据,0101,，这就是,5.1V,输入模拟电压的近似二进制数表示。,一个转换周期完成后，将逐次近似寄存器清零，开始下一次转换。,逐次比较式,A/D,转换器的转换时间取决于转换中数字位数,n,的多少，完成每位数字的转换需要一个时钟周期，由前面分析可知，第,n,个时钟脉冲作用后，转换完成，所以该转换器的转换最小时间是,nT,C,，,这里,T,C,是时钟脉冲的周期。,2.6,A/D,转换器的技术指标,1,分辨率,3,偏移误差,偏移误差是指理想转换直线原点与实际转换曲线原点之间的距离，该误差示意如图,11-38,所示。,由图可以看出，当,A/D,转换器的输入电压逐步增加，使,A/D,转换器输出数字从,000,跳到,001,，这时的输入电压与,1/2 LSB,代表电压之差就是偏移误差，偏移误差可以通过移动输入电压范围的方法消除。,5,非线性误差,积分非线性、微分非线性与增益非线性等都是非线性误差，如果不详细区分误差原因，则非线性误差是实际转换曲线与理想转换直线之间的最大纵向偏移。非线性误差示意图如图,11-40,所示。,6绝对精度与相对精度,对于某,A/D,转换器输出的任何数字，其对应的实际模拟输入电压与理想模拟输入电压之间差别的最大值称为绝对精度。,对应某,A/D,转换器输出数字的实际模拟输入电压与理想模拟输入电压之间差别的最大值除以满度模拟输入电压称为相对精度。,7,A/D,转换器转换速率,A/D,转换器的转换速率是每秒转换的次数，主要取决于转换器的类型，不同的转换器的转换速率相差很多。,并联型与流水线,A/D,转换器的转换速率最快，如8位二进制数据输出的并联型,A/D,转换器的转换速率可达50,ns,以内。,逐次比较式,A/D,转换器的转换速率排第二，多数产品的转换速率都在10100,m,s,以内。个别8位转换器转换时间小于1,m,s。,双积分与,Delta-Sigma,型,A/D,转换器的转换速率很慢，一般在数十毫秒至数百毫秒之间。,2.7,A/D,转换器,0804,A/D,转换器,0804,是一个,8,位逐次比较式,A/D,转换器，该转换器的符号如图,11-41,所示。,该转换器的主要参数：,电源电压为,5,V,，,范围为,4.5,6.3,V,，,极限为,6.5,V,。,分辨率为,8,位，在,V,REF,/2=2.5V,时的最大不可调整误差,1,LSB,。,典型时钟频率为,640,kHz,，,典型转换时间,100,m,s,。,逻辑接口电平兼容,TTL,，,灌电流能力,1.6,mA,，,拉电流能力,360,m,A,。,芯片自带时钟发生电路（需要外接电阻和电容）。为与单片机的总线进行连接，该芯片的数据输出端具有三态输出功能。,*,2.8,A/D,转换器组成的数据采集系统,1,数据采集系统的组成,A/D,转换器常用于数据采集系统中，图,11-44,所示的就是数据采集系统框图。,2采样,/,保持电路,（,1,）采样定理,A/D,转换器转换是需要时间的，在,A/D,转换过程中，需要,A/D,输入端的电压保持稳定，但是实际上输入信号经常是变化的，为在,A/D,转换期间保持输入到,A/D,转换器的输入信号电压稳定，常采用的方法就是,A/D,转换与输入信号之间增加采样,/,保持电路。每采样一次，实现一次,A/D,转换，因此采样时间反映了采集系统的实时性能，采样时间由模拟信号频率、输入通道数和每个周期的采样数确定。,由奈奎斯特（,Nyquist,）,采样定理，采样频率至少是输入信号最高有效频率的,2,倍。实际中，通常取采样频率为信号频率的,7,10,倍。,在,A/D,转换器与模拟输入信号接通的时间（称为孔径时间）里，输入模拟信号值是变化的，因此使转换结果包含孔径误差。就像用秤称东西时，当所称东西不断变化，无法称准一样。为消除孔径误差，需要在,A/D,转换器与输入模拟信号之间串联采样,/,保持电路。若是输入信号变化缓慢，则可以不用采样,/,保持电路。,（,2,）基本的采样,/,保持电路,基本的采样,/,保持电路如图,11-45,所示。图中运放,A,接成电压跟随器，目的是提高输入阻抗，减小输入电流。,图中,S,是由场效应管组成的模拟开关，,C,H,是保持电容，,A,是缓冲放大器。当控制信号,V,L,为采样电平时，开关,S,导通，保持电容,C,H,充电，这时输出电压,V,O,跟随输入电压,V,IN,变化；当控制信号,V,L,为保持电平时，开关,S,断开，保持电容,C,H,保存输入电压,V,IN,值，使放大器输出电压,V,O,等于,S,断开瞬间时的输入电压值。,采样阶段，电容,C,H,电压达到稳定值所需要的时间称为捕捉时间，只有采样周期大于捕捉时间，才能保证在采样阶段采集到输入模拟信号,V,IN,。,保持阶段，输出电压,V,O,的下降是由于流过电容,C,H,的漏电流引起的，这些漏电流包括缓冲放大器的输入电流、模拟开关的漏电流以及电容自身的泄漏电流。若要减少输出电压,V,O,的下降率,V,O,/,t,，,则要选择高输入阻抗的缓冲放大器、优质电容器与漏电流小的模拟开关。,（,3,）实际的采样,/,保持电路,图,11-46,所示的是采样,/,保持芯片,LF398,内部结构图与应用电路。,图,11-46,（,a,）,中，,S,是模拟开关，,L,是模拟开关,S,的控制电路，在输入,V,REF,引脚接地时，采样,/,控制引脚,V,L,与,TTL,电平兼容。,在图,11-46,（,b,）,中，若,C,H,为,0.01,m,F,的低泄漏电容时，电压下降率为,10,-,3,mV/s,。,3多通道模拟信号采集,如图11-47所示，多路模拟开关用于实现“多选一”，就是输入为多路模拟信号，只有一个公共输出端连接采样保持器或是,A/D,转换器。,实际的多路模拟开关,CD4051：,CD4051,是8通道输入、单公共通道输出的模拟开关，具有3位二进制数据通道选择端和使能控制端。当电源信号范围（,V,DD,V,SS,）,为315,V,时，模拟信号范围（,V,DD,V,EE,）,可达15,V,P,-,P,，,例如,V,DD,=5V，,V,SS,=0V，,V,EE,=,-,5V，,则数字信号为05,V，,模拟信号范围为,-,5,V+5V。,CD4051,模拟开关的内部结构如图11-48所示。,CD4051,的导通电阻,R,ON,、,信号电压,V,IS,与电源电压之间的关系如图11-49所示。可以看出电源电压越高，导通电阻不仅平坦而且小。,图11-49,CD4051,的导通电阻,R,ON,、,信号电压,V,IS,与电源电压之间的关系图,4,集成多路,A/D,转换器,0809,（,1,）,A/D,转换器,0809,的内部逻辑结构,A/D,转换器,0809,内部结构方框图如图,8-50,所示，是由一个,8,路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个,A/D,转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通,8,个模拟通道，允许,8,路模拟量分时输入，公用,A/D,转换器进行转换。三态输出锁存器用于锁存,A/D,转换器输出的数字量，当,OE,端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。,A/D,转换器,0809,具有如下主要特性：,时钟频率：在,10,1280kHz,之间，典型值为,640kHz,。,转换时间：在时钟为,640kHz,时，转换时间为,90,116,m,s,之间；,工作电源电压,V,CC,：,+5V,；,正参考电压,V,REF+,：,+5V,；,负参考电压,V,REF,-,：,0V,；,模拟电压输入范围：单极性,0,5V,；,最大不可调整误差：,1LSB,；,逻辑电平兼容,TTL/CMOS,；,功耗：,15,mW,；,封装：引脚,28,双列直插。,a,）,8,个模拟量输入通道,IN,7,IN,0,。,A/D,转换器,0809,对输入模拟量要求：模拟量,V,IN,为单极性，其电压范围与参考电源有关，若是参考电压为,5V,，,则电压范围也可达到,5V,。,。,b,）,地址选择信号。,高电平有效的地址锁存控制信号,ALE,。当,ALE,线为高电平时，地址锁存与译码器将,ADD A,、,ADD B,、,ADD C,三条地址线的地址信号进行锁存。,c,）,8,条数字量输出线：,D,7,D,0,。,d,）,控制信号。,START,为转换启动信号。,EOC,为转换结束信号。,OE,为输出允许信号。,CLK,为时钟输入信号。典型使用频率为,640kHz,。,参考电压,V,REF,（）,、,V,REF,（）,与输出数字,N,、,输入信号,V,IN,之间的关系为：,若是,V,REF,（）,接地，则有,（,4,）,A/D,转换器,0809,实验电路A/D,转换器,0809,实验电路如图,11-53,所示。,5,采集系统的增益估算,，图,11-54,所示的数据采集系统，由压力传感器、运放和,A/D,转换器组成。,其中压力传感器测量力的范围为,200kg,，,传感器输出信号为,0,20mV,，,信号调理电路的放大倍数为,250,倍，,A/D,转换器输入信号范围为,0,5V,，,采用,8,位,A/D,转换器。,压力传感器由测力电桥构成，其灵敏度为,2mV/V,，,若是传感器电源电压为,10V,，,则传感器输出电压为,20mV,，,增益,K,C,为,20mV/200kg=0.1mV/kg,。,信号调理放大器,A,的输入为传感器的输出，若输入电压为,20mV,，,输出电压为,5V,，,则放大倍数,K,A,=250,倍。,实际上采集系统各部分的增益都不是很准的，常需要现场调节总增益。另外对于输入压力为,0,时的,A/D,转换器输出数字也常不是,0,，因此采集系统还需要校零。,校零：使传感器处于,0,压力，然后调节传感器、放大器以及,A/D,转换器中任何一个环节的零点，则可以校正总采集系统的零点。通常在放大器环节容易调节。,校准增益：使传感器处于满压力,200kg,，,然后调节传感器、放大器与,A/D,转换器中任何一个环节的增益，使,A/D,转换器输出为数字,255,，则表明总增益正确。若是调节增益后，使零点发生改变，则需要再调零点，然后再调整增益，多次反复的调节才能满足要求。,主要内容为：,（,1,）数模转换，包括权电阻,D/A,转换器、输出电压型与输出电流型,R/2R,电阻,D/A,转换器、电阻串型,D/A,转换器，以及,D/A,转换器的技术指标。,（,2,）模数转换器，包括并行,A/D,转换器、流水线型,A/D,转换器、双斜率,A/D,转换器、,D-,型,A/D,转换器、逐次比较式,A/D,转换器，以及,A/D,转换器的技术参数,。,（,3,）,A/D,转换器组成的数据采集系统，包括采样定理、采样保持电路、多通道数据采集与,A/D,转换器,0809,组成的数据采集系统举例。,