第八章 数模 、 模数 变换器.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,*,第八章 数模和模数转换器,8.1 概述,8.3 模/数转换器,8.2 数/模转换器,8.1,概述,计算机,模拟信号,模拟信号,A/D,D/A,A,/,D,：,A,nalog to,D,igital,D,/,A,：,D,igital to,A,nalog,8.2 数/模 转换器(,DAC),8.,2.2,T,型电阻网络型,8.2.1 权电阻网络型,8.2.3,D/A,转换器的主要技术指标,13.2.1 权电阻,D/A,转换器,这种转换器由“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。,U,R,+,+,-,A,u,o,S,2,S,3,S,1,S,0,R,R,/2,R/,4,R/,8,R,3,R,2,R,1,R,0,R,F,D,3,D,2,D,1,D,0,0,0,1,1,5,k,R=,80,k,0,0,1,1,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,）。,+,A,u,o,S,2,S,3,S,1,S,0,R,R,/2,R/4,R/,8,R,3,R,2,R,1,R,0,R,F,D,3,D,2,D,1,D,0,0,0,1,1,U,R,5,k,R=,80,k,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。,T,1,T,2,S,D,a,1,T,2,S,a,0,T,1,S,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。,+,+,-,A,u,o,S,2,S,3,S,1,S,0,R,R,/2,R/4,R/,8,R,3,R,2,R,1,R,0,R,F,D,3,D,2,D,1,D,0,0,0,1,1,U,R,5,k,R=,80,k,8.2.2,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.,A,B,+,+,-,A,u,o,S,2,S,3,S,1,S,0,2R,2R,2R2R,R,3,R,2,R,1,R,0,R,F,D,3,D,2,D,1,D,0,0,0,1,1,U,R,2R,R,R,R,I,3,I,2,I,1,I,0,I,C,D,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。,U,D,=U,R,U,C,=U,R,/,2,U,B,=U,R,/,4,U,A,=U,R,/,8,即：,因此，每个,2,R,支路中的电流也逐位减半。,A,B,+,+,-,A,u,o,S,2,S,3,S,1,S,0,2R,2R,2R,2R,R,3,R,2,R,1,R,0,R,F,D,3,D,2,D,1,D,0,0,0,1,1,U,R,2RR,R,R,I,3,I,2,I,1,I,0,I,C,D,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,-,A,B,+,+,-,A,u,o,S,2,S,3,S,1,S,0,2R,2R,2R,2R,R,3,R,2,R,1,R,0,R,F,D,3,D,2,D,1,D,0,0,0,1,1,U,R,2R,R,R,R,I,3,I,2,I,1,I,0,I,C,D,8.2.3,D/A,转换器的主要技术指标,一、,分辨率,用输入数字量的,有效位数,来表示分辨率。,此外，,也可以用,D/A,转换器能够分辨出来的,最小输出电压,(此时输入的数字代码只有最低有效位为 1，其余各位都是 0),与,最大输出电压,(此时输入的数字代码所有各位全是 1),之比,来给出分辨率。,例如，,对一个十位,D/A,转换器来说，,2,10,1,1,1023,1,0.001,二、,转换误差,转换误差通常用输出电压满刻刻度,FSR(Full Scale Range),的百分数表示。,例如，给出转换误差为,LSB，,2,1,这就表示输出模拟 电压的绝对误差等于输入数字代码为 0001 时输出电压的一半。,造成转换误差的,原因,主要有：,参考电压,V,REF,的波动；,运算放大器的零点漂移；,模拟开关的导通内阻和导通电压；,电阻网络中的电阻值偏差；.,为了便于定量地描述,D/A,转换器的转换 速度，,定义了,建立时间,t,S,和,转换速率,SR,两 个参数。,1.建立时间,t,S,通常以大信号工作情况下,(输入由全 0 变为全 1 或者由全 1 变为 全 0),输出电压到达某一规定值所需要的时 间定为建立时间,t,S,。,建立时间最短的可达 0.1,s。,这个参数的值越小越好。,2.转换速率,SR,转换速率,SR,以大信号工作状态下 输出模拟电压的变化率表示。,D/A,转换器完成一次转换所需要的 时间应包括建立时间和上升(或下降)时 间两部分，,它的最大值为,T,TR(max),=,t,S,+V,O(max),/SR,其中,V,O(max),为输出电压的最大值。,8.3 模 数 转换器(,ADC),8.3.2 并联比较型,8.3.3 逐次逼近型,8.3.4,A/D,转换器的主要技术指标,8.3.1,A/D,转换的一般过程,因为输入的模拟量在时间上是连续的，,8.3.1,A/D,转换的一般过程,在,A/D,转换中，,而输出的数字信号是离 散量，,所以进行转换时只能在一系列选定的瞬间(亦即瞬间坐标轴上的一些规定点)对输入的模拟信号采样，,然后再把这些采样值转换为输出的数字量。,A/D,转换过程应包括：,采样、,保持、,量化、,编码,这四个步骤。,0,t,u,i,1.,采样定理,0,t,u,i,为了保证能从采样信号将原来的被采样信号恢复，,必须满足,f,S,2 f,i max,f,S,：,采样频率。,f,i max,：,u,i,的最高频分 量的频率。,2.量化和编码,数字信号不仅在时间上是离散的，,而且，,数值大小的变化也是不连续的。,这就是说，,任何一个数字量的大小只能是某个规定的最 小数量单位的整数倍。,因此，,在进行,A/D,转换时也必须把采样电压化为这个最小单位 的整数倍。,这个转化过程就叫做“,量化,”，,所取的最少数量单位叫做,量化单位,，,用,表示。,显然，数字信号最低有效位的 1 代表的数量 大小就等于 。,把量化的结果用代码(二进制或二 十 进制)表示出来，,称为“,编码,”。,3.采样 保持电路,T,+,-,u,o,u,i,U,L,R,1,R,F,C,F,当,U,L,为高电平时，,MOS,管,T,导通，,u,i,经电阻,R,1,和管,T,向电容,C,F,充电。,当,U,L,为低电平时，,MOS,管,T,截止，,忽略各种漏电流，电容,C,F,上的电压得以保持。,8.3.2 并联比较型,-,+,+,-,+,+,-,+,+,-,+,+,-,+,+,-,+,+,-,+,+,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,7E/8,6E/8,5E/8,4E/8,3E/8,2E/8,E/8,电路如左图所示，它由三部分组成：,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。,分压器,、,E,R,R,R,R,R,R,R,R,7E/8,6E/8,5E/8,4E/8,3E/8,2E/8,E/8,比较器,、,和,编码器,。,D,2,D,1,D,0,数字输出,A,G,F,E,C,D,B,编,码,器,+,+,+,+,+,+,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,-,+,u,x,比较器输出,E,u,x,7E/8,7,E/8,u,x,6E/8,6,E/8,u,x,5E/8,5,E/8,u,x,4E/8,4,E/8,u,x,3E/8,3,E/8,u,x,2E/8,2,E/8,u,x,1E/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,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,0,0,0,0,1,1,1,1,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,11,1,1,1,1,1,0,0,0,逻辑状态关系表,设待秤重量,W,x,=,13,克，,8.3.3 逐次逼近型,其工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明。,若有四个砝码共重15克，,每个重量分别为,8,、,4,、,2,、,1,克。,可以用下表步骤来秤量：,砝码重,暂时结果,结 论,第一次,8 克,砝码总重,待测重量,Wx,，,8 克,第二次,加4克,砝码总重仍,待测重量,Wx,，,12 克,第四次,砝码总重,待测重量,Wx,，,加1克,13 克,故,保留,故,保留,故,撤除,故,保留,1,0,0,0,移位寄存器,1,0,0,0,数码寄存器,A /D,u,o,清 0、置数,控,制,逻,辑,u,x待转换的模拟电压),u,c,时钟,清 0、置数,“1”状态是否保留,控制端,CP、(,移位命令),逐次逼近型,ADC,工作过程展示,8.3.4,A/D,转换器的主要技术指标,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。,二、,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。,三、,相对精度,：,实际转换值和理想特性之间的最大偏差。,四、,其它,：,功率、,电源电压、,电压范围等。,1.,数模和模数转换器,是数字系统和模拟系统的接口电路。,2.数模转换器用以将输入的二进制数字信号转换成与之成正比的模拟电压。,3.模数转换器用以将输入的模拟电压转换成与之成正比的二进制数字信号。,4.数模和模数转换器的主要参数是转换精度和转换速度。,小结：,