数字电子技术：第8章 A-D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,*,第八章 数,-,模和模,-,数转换,本章讲授数,-,模转换（把数字量转换成相应的模拟量和模,-,数转换（把模拟量转换成相应的模拟量）的基本原理和常见的典型电路。,目的：,了解,A/D,、,D/A,转换电路的基本工作原理；,掌握,A/D,、,D/A,转换电路的基本使用方法；,8.1,概述,权电阻网络,D/A,转换器；,倒梯形电阻网络,D/A,转换器；,权电流型,D/A,转换器；,权电容网络,D/A,转换器；,开关树型,D/A,转换器；,D/A,转换器类型,A/D,转换器类型,直接,A/D,转换器,并联比较型,反馈比较型,间接,A/D,转换器,电压,时间型,(V-T,型,),电压,频率型,(V-F,型,),8.2 D/A,转换器,8.2.1,权电阻网络,D/A,转换器,结构：,图,9.2.1,是四位电阻网络,D/A,转换器，它是由全电阻网络、,4,个模拟开关和,1,个求和放大器组成。,S,3,、,S,2,、,S,1,、,S,0,是,4,个电子开关它们的状态分别受输入代码,d,3,、,d,2,、,d,1,、,d,0,的取值控制。代码为,1,时开关接到参考电压,V,REF,上，,有支路电流,I,i,流向求和放大器。,代码为,0,时开关接地，,该支路电流,I,i,为零,。,求和放大器是一个接成负反馈的运算放大器（近似为理想放大器即输入电阻为无穷大，输出电阻为零）,8.2 D/A,转换器,8.2.1,权电阻网络,D/A,转换器,原理：,在认为运算放大器输入电流为零的条件下可得到：,V,0,=,R,F,i,=,R,F,(I,0,+I,1,+I,2,+I,3,),由于,V,+,=V,0,R,F,=R/2,则得到，,V,0,=,8.2 D/A,转换器,8.2.1,权电阻网络,D/A,转换器,对于,n,位的权电阻网络,D/A,转换器，当反馈电阻取为,R/2,时，输出电压的计算公式可写成,V,0,=,=,上式表明，输出的模拟电压正比于输入的数字量，从而实现了从数字量到模拟量的转换。,当,D,n,=0,时,V,0,=0,，当,D,n,=1111,时,V,0,=,V,0,的最大变化范围是,0,说明：式中的参考电压,V,ERF,为正电压时，输出电压,V,0,始终为负值。若想得到正的输出电压，则将,V,REF,取为负值。,8.2 D/A,转换器,8.2.1,权电阻网络,D/A,转换器,特点,：,电路结构简单,电阻误差大,开关有导通电阻,转换时间短,电压范围,8.2 D/A,转换器,8.2.2,倒,T,型,电阻网络,D/A,转换器,权电阻网络,D/A,转换器的优点是结构简单，所用电阻元件数目少。缺点是各个电阻的阻值相差较大，尤其位数较多时这个问题就更加突出。为了克服这一缺点，又研制出了倒,T,形电阻网络,D/A,转换器。,图,8-2-2,倒,T,形,电阻网,D/A,转换器,原理,：由上图可知，因求和放大器反相输入端,V-,的电位始终接近于零，所以无论开关,S,3,S,2,S,1,S,0,合到哪一边，都相当于接到地电位上，流过每一支路的电流始终不变。因此，可将图,8-2-2,电阻网等效为图,8-2-3,。,8.2.2,倒,T,型,电阻网络,D/A,转换器,图,8-2-2,倒,T,形,电阻网络,D/A,转换器,图,8-2-23,倒,T,形,电阻网络支路电流等效电路,8.2.2,倒,T,型,电阻网络,D/A,转换器,图,8-2-2,倒,T,形,电阻网络,D/A,转换器,如果令,di,=0,时开关,Si,接地，,di,=1,时,Si,接,V,(,虚地），可求得,I,：,输出电压为：,对于,n,位输入的倒,T,形电阻网络,D/A,转换器，输出模拟电压为：,特点：,电路结构简单,电阻误差较小,开关有导通电阻,转换时间短,电压范围,8.2.3,权电流型,D/A,转换电路,特点：,电路结构较复杂,转换时间短,开关的导通电阻 影响不大,转换电压精度高,D,0,D,n-2,_,+,v,O,R,F,V,REF,(-),D,n-1,I,I/,2,n,I/,2,2,I/,2,I,I,8.2.4,开关树型,D/A,转换电路,特点：,结构简单,转换时间短,电阻单一,对开关内阻要求不高,易于集成,R,v,O,R,R,R,R,R,R,R,D,0,D,0,D,1,D,1,V,REF,D,2,D,2,8.2.5,权电容型,D/A,转换电路,特点：,输出的精度仅与电容的比例有关，与电容的绝对值无关。,输出的稳定度不受开关内阻和参 考电源的影响。,稳态下，电容网络不消耗功 率。,容易集成（,cmos,可制作电容）,转换时间长,集成度不高,D,0,D,n-1,V,REF,v,O,D,1,S,0,S,1,S,n-1,2,0,C,X,C,0,C,0,C,n-1,C,1,2,0,C,X,2,1,C,X,2,n-1,C,X,S,D,8.2.6,双极性权电阻型,D/A,转换电路,D,0,D,n-2,I,2,R,2,R,2,R,I/,2,n,2,R,_,+,v,O,R,I/,2,n,I/,2,n,I/,2,n-1,I/,2,I/,2,2,I/,2,I,V,REF,(-8V),D,n-1,R,B,V,B,(+),I,B,1,加,偏移电路,，使输入为,1000,时的输出为,0,补码输入,输出,0 1 1,+3V,0 1 0,+2V,0 0 1,+1V,0 0 0,0,1 1 1,-1V,1 1 0,-2V,1 0 1,-3V,1 0 0,-4V,原码输入,输出,(,无偏移,),输出,(,偏移,-4V),1 1 1,+7V,+3V,1 1 0,+6V,+2V,1 0 1,+5V,+1V,1 0 0,+4V,0,0 1 1,+3V,-1V,0 1 0,+2V,-2V,0 0 1,+1V,-3V,0 0 0,0,-4V,补码的符号位取反,，使单极性转换电路通过加入偏移电路，实现双极性转换。,8.2.7 D/A,转换器的转换精度与速度,D/A,转换的主,要技术指标,:,转换精度,包括：,转换速度,分辨率、,转换误差,用能分辨的最小电压（,LSB,）,与最大电压（满量程,FSR,）之,比来表示分辨率,由电阻网络、模拟开关、参考电源、运算放大器温漂等环节，造成输出模拟电压存在误差，称其为,转换误差,。,输入数字量给出的时刻到输出模拟电压进入稳定值所需要的时间，即所谓的建立时间,t,set,。,8.2.7 D/A,转换器的转换精度与速度,转换误差,：,绝对误差,相对误差,是指实际输出电压与理想输出电压之间的差值，通常用,LSB,的多少倍表示,相对误差则是指绝对误差与满量程输出电压（,FSR,）,之间的比值,8.2.8,集成,D/A,转换器,倒,T,型网络,模拟地,数字地,八位并行输入集成数,/,模转换器,DAC0832,8.2.8,集成,D/A,转换器,DAC0832,中的,倒,T,型网络,8.2.8,集成,D/A,转换器,无缓冲输入方式,单缓冲输入方式,双缓冲输入方式,8.2.8,集成,D/A,转换器,DAC0832,的性能指标,（美国国半）,转换速度：,1,s,转换精度：,0.2%FSR(,满量程）,8.2.8,集成,D/A,转换器,十位串行输入集成数,/,模转换器,MAX515,SDI,是,16,位串行数据输入端，前,4,位是数据填充位，最后,2,位是结束位。,8.3.,1 A/D,转换电路的基本原理,一、功能,在规定时间,(,转换时间,),内，把模拟电信号在时刻,t,的幅度值（压值,),，转换为一个相应的数据。,8-3 A/D,转换器,A/D,转换的过程是首先对模拟电压信号取样，取样结束后进入保持时间，在这一时间段内将取样的电压量化为数字量，并按一定的编码形式给出转换结果。然后再进行下一次取样。,8.3.,1 A/D,转换电路的基本原理,二、取样定理,8-3 A/D,转换器,为了能正确用取样信号,V,s,表示模拟信号,V,I,取样信号必须满足：,为取样频率,输入模拟信号,V,I,的最高频率分量的频率,f,S,2,f,i(max,),同常取,f,S,=,（,35,）,f,i(max,),三、量化和编码,编码,就是将模拟信号量化的结果用二进制代码表示。,编码规则：,如果,1,位,二进制数表示,电压幅度，则任意电压幅度的量化结果是,N,。,量化单位,t,V,换言之：,量化就是使模拟信号在幅度上离散。,在,A/D,转换时，必须把取样电压表示为某一最小单位,的整数倍，这个转化过程叫做,量化,。,量化误差：,因连续的模拟电压不一定能被,整除而产生误差。,要求将,01V,的模拟电压转换成,3,位二进制编码。,7/8V,6/8V,5/8V,4/8V,3/8V,2/8V,1/8V,二进制编码,111,110,101,100,011,010,001,000,0V,模拟电压,1V,量化误差,=,=,1/8V,0V,模拟电压,1V,14/15V,13/15V,11/15V,9/15V,7/15V,5/15V,3/15V,1/15V,12/15V,10/15V,8/15V,6/15V,4/15V,2/15V,量化误差,=,/2,=,1/15V,量化和编码示例一,8.3.,2,取样,保持电路,根据,A/D,转换器的转换原理，对模拟信号取样后必须保持一段时间，直到完成本次转换后才能进行下一次取样。,模拟电压输入,取样控制信号,取样信号输出,工作原理,：当取样信号,VL,为高电平时,MOS,管,T,导通，输入信号,V,I,经电阻,R,I,和,T,向,C,H,充电。若取,R,I,=R,F,则充电结束后,V,O,=V,C,H,=-V,I,。,当,V,L,返回低电平后，,T,管截止。由于,C,H,没有泄放回路，顾其上的电压可保持一段时间不变，故,V,O,=V,C,H,=-V,I,也保持不变。,8.3.3,直接,A/D,转换器,一、并联比较型,A/D,转换器,特点：,转换时间短,可达到,50ns,。,电路规模大，,输出,n,位代码的,A/D,须要,2,n,-1,个比较器、,2,n,-1,触发器和庞大的代码转换电路,可不加取样,-,保持电路,图,9-3-2,并联比较型,A/D,转换电路,二、逐次计数比较,A/D,转换电路,特点：,转换时间长,电路规模小,需加取样,-,保持电路,图,9-3-3,逐次计数比较,A/D,转换电路,y,(,t,),x,(,t,),+,-,D/A,转换电路,数据输出寄存器,时钟,转换信号,计数器,v,B,原理,：,转换开始前先用复位信号将计数器置零，等转换信号到达，则计数器计数，,D/A,转换电路输出模拟电压,y,(,t,),并与输入电压,x,(,t,),比较，当,y,(,t,),大于,x,(,t,),时,b,为,0,，使计数器停止计数，这时计数器中所存的数字就是所求的输出数字信号。,三、逐次渐近比较,A/D,转换电路,原理：转换开始先将寄存器复位置,0,，转换电平变高开始转换，时钟信号先将寄存器的最高位置成,1,，使寄存器的输出为,10000,。,这个数字量被,DAC,转换成模拟电压,y,(,t,),，,并将,y,(,t,),与,x,(,t,),比较。如果,y,(,t,),x,(,t,),，,说明数字过大，则这个,1,应去掉；如果,y,(,t,),x,(,t,),，,则说明数字不够大，这个,1,应保留。然后，再按同样方法将次高位置,1,，并比较,y,(,t,),、,x,(,t,),的大小以确定这一位的,1,是否保留。这样逐位比较下去，直到最低比较完成为止。这时寄存器里的数字即为所求的输出。,图,9-3-3,逐次渐近比较,A/D,转换电路,输入时钟,x,(,t,),+,-,D/A,转换电路,逻辑控制,并行数据输出,转换控制,y,(,t,),逐次渐近寄存器,v,B,特点：,转换时间长,电路规模小,需加取样,-,保持电路,8.3.4,间接,A/D,转换器,间接,A/D,转换器,分类,电压,-,时间变换型,(,简称,V-T,变换型,),电压,-,频率变换型,(,简称,V-F,变换型,),在,V-T,型,A/D,转换器中，首先把输入的模拟电压信号转换成与之成正比的时间宽度信号，然后在这个时间宽度里对固定频率的时钟计数，计数的结果就是正比于输入模拟电压的数字信号。,在,V-F,型,A/D,转换器中，首先把输入的模拟电压信号转换成与之成正比的频率信号，然后在一个固定时间间隔里对得到的频率信号计数，计数的结果就是正比于输入模拟电压的数字信号,一、双积分型,A/D,转换器,T,1,T,2,v,O,1),S,0,闭合,积分电容放电,2),S,0,打开、,S,1,接通,x,(,t,),，,积分器充电,控制逻辑,计数器,数据输出,+,转换,控制,x,(,t,),+,-V,REF,S,0,时钟,R,C,S,1,v,O,3),S,0,打开、,S,1,接通,-V,REF,，,积分器放电，且计数器开始计数，直到判断,v,O,=0,，,停止计数。,D,为计数结果的数字量,T,C,为时钟的周期,若取,一、双积分型,A/D,转换器,数据输出,+,转换,控制,x,(,t,),+,-V,REF,S,0,时钟,R,C,S,1,v,O,J Q,C,1,K R,J,C,2,K R,J Q,C,1,k R,J Q,A,C,1,K R,d,n-1,d,1,d,0,1,图,9-3-5,双积分,A/D,转换器的控制逻辑电路,二、,V-F,变换型,A/D,转换器,输入模拟电压信号,转换控制信号,压控振荡器：输出的脉冲频率随输入模拟电压变化,计数器输入脉冲控制闸门,在,T,G,期间记录脉冲个数,设置输出寄存器，防止转换过程中输出数字跳动,特点：,工作稳定,抗干扰性强,对电路元件精度要求不高,转换时间长,线性误差较大,8.3.5,集成,A/D,转换器,DAC,补充作业题,