ADDA轉(zhuǎn)換教材課件

第十一章

數(shù)-模（D/A）和

模-數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換第十一章

數(shù)-模（D/A）和

模-數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換11.1概述一、數(shù)/模和模/數(shù)器是模擬、數(shù)字系統(tǒng)間的橋梁模

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數(shù)（A

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D）轉(zhuǎn)換:AnalogtoDigitalConverter（ADC）數(shù)

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模（D

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A）轉(zhuǎn)換:DigitaltoAnalogConverter（DAC）數(shù)字計算機模擬系統(tǒng)A/DD/A二進制二進制線性線性存儲分析控制物理生物化學11.1概述一、數(shù)/模和模/數(shù)器是模擬、數(shù)字系統(tǒng)間的橋梁模二、用途及要求傳感器放大器A/D轉(zhuǎn)換微型計算機控制對象D/A轉(zhuǎn)換溫度時間電加熱爐熱電偶執(zhí)行機構傳感器放大器A/D微型計算機控制D/A溫度時間電加熱爐熱電偶三、常見數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換器應用系統(tǒng)舉例壓力傳感器溫度傳感器流量傳感器四路模擬開關數(shù)字控制計算機DAC……模擬控制器模擬控制器液位傳感器DAC…DAC…模擬控制器模擬控制器生產(chǎn)控制對象

DACADC物理量二進制信號模擬信號四、A

/

D、D

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A轉(zhuǎn)換器的精度和速度精度保證轉(zhuǎn)換的準確性速度保證適時控制三、常見數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換器應用系統(tǒng)舉例壓力傳感器溫度傳感器流五、分類五、分類D111101…D/AA(電壓或電流)

？11.2D/A轉(zhuǎn)換器（DAC）11.2.1D/A轉(zhuǎn)換的基本要求DD/AA(電壓或電流)11.2D/A轉(zhuǎn)換器（1.D

/

A轉(zhuǎn)換思路…d0d1dn-1DACuO或iOn位二進制如(1101)2可利用運算放大器實現(xiàn)運算2.轉(zhuǎn)換特性DuO/V7654321001010011100101110111輸入、輸出關系框圖1.D/A轉(zhuǎn)換思路…d0d1dn-1DACuO或iO11.2.2權電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器一、電路結構和工作原理leastsignificantbitmostsignificantbit

mostsignificantbit最低(有效)位最高(有效)位11.2.2權電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器leastsignif第十一章_AD、DA轉(zhuǎn)換教材課件優(yōu)缺點：1.優(yōu)點：簡單2.缺點：電阻值相差大，難于保證精度，且大電阻不宜于集成在IC內(nèi)部優(yōu)缺點：11.2.3倒T形電阻網(wǎng)絡DAC希望用較少類型的電阻，仍然能得到一系列權電流一、設計思想：11.2.3倒T形電阻網(wǎng)絡DAC希望用較少類型的電阻，仍然二、D/A轉(zhuǎn)換的電路組成RRR2R2R2R2RUREFS0S1S2d0d0d1d2d1d2電子開關電阻網(wǎng)絡求和運放當d2d1d0=100,II

/

2I

/

4I

/

8I/2I=UREF/RuO三、工作原理二、D/A轉(zhuǎn)換的電路組成RRR2R2R2R2RUREFS0當d2d1d0=110,IRRR2R2R2R2RUREFuOI

/

2I

/

4I

/

8當d2d1d0=110,IRRR2R2R2R2RURE當d2d1d0=111,IRRR2R2R2R2RUREFuOI

/

2I

/

4I

/

8表達的一般形式當d2d1d0=111,IRRR2R2R2R2RURE三、輸入為n位二進制數(shù)時的表達式當D=dn-1dn-2

…d1

d0

Ku—轉(zhuǎn)換比例系數(shù)三、輸入為n位二進制數(shù)時的表達式當D=dn-111.2.4集成DAC的組成1、 僅集成電阻網(wǎng)絡和模擬開關。2、 集成了電阻網(wǎng)絡、模擬開關、參考電 源和輸出運算放大器。3、 除上之外，還集成了外圍接口電路 ①、帶輸入緩沖器或鎖存器 ②、帶輸入數(shù)據(jù)分配器 ③、帶輸入串－并變換器 ④、帶輸入FIFO11.2.4集成DAC的組成1、 僅集成電阻網(wǎng)絡和模擬開第十一章_AD、DA轉(zhuǎn)換教材課件四、集成DAC芯片舉例1.5G7520的電路結構UREFIO1IO2d45G752012345678161514131211109VDDd3d2d1d0d5d6d7d8d9RfGNDuORIO1參考電壓源，可正可負。四、集成DAC芯片舉例1.5G7520的電路結構URE11.2.5具有雙極性輸出的DAC當輸入數(shù)字量有±極性時，希望輸出的模擬電壓也對應為±。一、原理例：輸入為3位二進制補碼。最高位為符號位，正數(shù)為0，負數(shù)為1補碼輸入對應的十進制要求的輸出D2D1D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V11.2.5具有雙極性輸出的DAC補碼輸入對應的要求的D原碼輸入對應的輸出偏移后的輸出D2D1D0111+7V+3V110+6V+2V101+5V+1V100+4V0V011+3V-1V010+2V-2V001+1V-3V0000V-4V補碼輸入對應的十進制要求的輸出D2D1D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4VD/A*將符號位反相后接至高位輸入

*將輸出偏移使輸入為100時，輸出為01原碼輸入對應的偏移后D2D1D0111+7V二、電路實現(xiàn)*將符號位反相后接至高位輸入

*將輸出偏移使輸入為100時，輸出為0二、電路實現(xiàn)*將符號位反相后接至高位輸入

*將輸出偏移使輸入2.應用電路單極性輸出uOUREFIO1IO25G7520223416151413VDDd0

d9Rf1–VEERRW1RW2RW3輸入從00000000001111111111變化時，uO從0（1023

/

1024）UREF輸出與輸入的關系數(shù)碼輸入模擬輸出d9d8d7d6d5d4d3d2d1d0uO1111111111

1111111110…00000000010000000000–（1023/1024）UREF–（1022/1024）UREF

…–（1/1024）UREF0UREF>0，uO<02.應用電路單極性輸出uOUREFIO1IO25G752011.2.6DAC的轉(zhuǎn)換精度、速度和主要參數(shù)一、轉(zhuǎn)換精度（理論精度）指D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出產(chǎn)生的最小電壓變化量與滿刻度輸出電壓之比，也可用輸入的位數(shù)表示。ULSBUFSR=12n–1分辨率=LSB—LeastSignificantBit(一)分辨率（Resolution）FSR—FullScaleRange用輸入數(shù)字量的二進制數(shù)碼位數(shù)給出n位DAC,應能輸出0~2n-1個不同的等級電壓，區(qū)分出輸入的00···0到11···1，2n-1個不同狀態(tài)11.2.6DAC的轉(zhuǎn)換精度、速度和主要參數(shù)一、轉(zhuǎn)換精(二)轉(zhuǎn)換誤差（實際精度）為實際輸出模擬電壓與理想輸出模擬電壓間的最大誤差。用最低有效位的倍數(shù)來表示：如:?（LSB）=輸入為00…01時輸出模擬電壓的一半。有時也用絕對誤差與輸出電壓滿刻度的百分數(shù)來表示

(二)轉(zhuǎn)換誤差（實際精度）為實際輸出模擬電壓與理想輸出模擬電誤差分析誤差分析第十一章_AD、DA轉(zhuǎn)換教材課件第十一章_AD、DA轉(zhuǎn)換教材課件第十一章_AD、DA轉(zhuǎn)換教材課件二、轉(zhuǎn)換速度(一)建立時間tsts為在大信號工作下（輸入由全0變?yōu)槿?，或由全1變?yōu)槿?）,輸出電壓達到某一規(guī)定值所需時間

。不包含UREF和運放的單片DAC最短ts<0.1s；包含UREF和運放的單片DAC最短t

s<1.5s。(二)轉(zhuǎn)換速率SR用大信號工作狀態(tài)下模擬電壓的變化率表示TTR=ts+

tr（tf）上升時間下降時間完成一次轉(zhuǎn)換所需時間TTR（max）=ts+UO（max）/SR二、轉(zhuǎn)換速度(一)建立時間tsts為在大信三、主要參數(shù)D/A轉(zhuǎn)換器5G7520的主要參數(shù)參數(shù)名稱單位參數(shù)值分辨率位10非線性度轉(zhuǎn)換時間UREF全量程的%≤0.05%ns≤500VV電源電壓–25+25535功耗mW20溫度系數(shù)FSR10–6/oC三、主要參數(shù)D/A轉(zhuǎn)換器5G7520的主要參數(shù)參數(shù)名稱3.分辨率單極性輸出：分辨率分辨率

=5G7520為10位D

/

A轉(zhuǎn)換器，分辨率

=當UREF

=

10V時，最小輸出電壓

uO

=9.76mV雙極性輸出：對于5G7520分辨率=當UREF

=

10V時，最小輸出電壓uO=19.6mV3.分辨率單極性輸出：分辨率分辨率=5G7520為1D111101…A/DA(電壓或電流)

？A/D轉(zhuǎn)換的基本原理 輸入連續(xù)變化電壓，輸出為不連 續(xù)的數(shù)字量11.3A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）DA/DA(電壓或電流)A/D轉(zhuǎn)換的基本原理11.311.3.1A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟和取樣定理一、模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換過程uI(t)CADC的量化編碼電路dn-1d1d0…uI(t)S模擬量數(shù)字量量化編碼取樣：把時間連續(xù)變化的信號變換為時間離散的信號。保持：保持取樣信號,使有充分時間將其變?yōu)閿?shù)字信號。取樣保持（S

/

H—Sample

/

Hold）11.3.1A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟和取樣定理一、模擬量二、取樣定理當滿足fs

≥

2fimax時,取樣信號可恢復原信號。fs

—取樣頻率。fimax

—

信號的最高頻率分量。

tOuIfOfs–fimax

fimaxuI

tO二、取樣定理當滿足fs≥2fimax時,取樣三、量化和編碼量化單位數(shù)字信號最低位LSB所對應的模擬信號大小，用表示（即1）。量化把取樣后的保持信號化為量化單位的整數(shù)倍。量化誤差因模擬電壓不一定能被整除而引起的誤差。編碼把量化的數(shù)值用二進制代碼表示。三、量化和編碼量化單位數(shù)字信號最低位LSB所對應的模擬信號大劃分量化電平的兩種方法01V1/82/83/84/85/86/87/8000001010011100101110111模擬電平二進制代碼代表的模擬電平0=01=1/82=2/83=3/84=4/85=5/86=6/87=7/

81V1/153/155/157/159/1511/1513/150000010100111001011101110模擬電平二進制代碼代表的模擬電平0=01=2/152=4/153=6/154=8/155=10/156=12/157=14/15最大量化誤差=

=

(1

/

8)V=

/

2=(1/15)V劃分量化電平的兩種方法01V1/82/83/84/85/8611.3.2取樣-保持電路一、電路組成及工作原理當uL

為高電平：RfChRiuIuOuLTRf=RiT導通，Ch

充電至：uO=uI=uC當uL為低電平：T截止，Ch

基本不放電。uO

保持矛盾：為使Ch

充電快，Ri越小越好；為使電路輸入電阻高，Ri越大越好。11.3.2取樣-保持電路一、電路組成及工作原理當二、改進電路(LF198)及工作原理R2ChR1uIuOuLuO300

30

kD1D2S當uL=1，

S閉合

uO=uO=uI，uC

=uI

當uL=0，

S斷開

uO

保持D1、D2的作用：限制uO

在uI+uD以內(nèi)，起保護作用。6

2145387uOuIuLChLF198二、改進電路(LF198)及工作原理R2ChR1uIuO&&&&&&11.3.3并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器RRRRRRRR/2UREFuI比較器1D1D1D1D1D1D1DCP寄存器d2d1d0編碼器0000000110010010000uI0000001110010011001uI0000011110010101010uI0000111110011101011uI0001111110101101100uI0011111111100101101uI0111111101100101110uI1111111001100101111uI&&&&&&11.3.3并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器RUREFu并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器并聯(lián)比較型量化并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器并聯(lián)比較型量化輸入→量化→編碼111110101100011010001000輸入→量化→編碼2、特點*快，CLK觸發(fā)信號到達到輸出穩(wěn)定建立只需幾十納秒*精度，受參考電壓、分壓網(wǎng)絡等因素影響*有存儲器，不需要S/H電路*電路規(guī)模，n位需要2n-1比較器，觸發(fā)器2、特點11.3.4反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器計數(shù)型基本原理：取一個“D”加到DAC上，得到模擬輸出電壓，將該值與輸入電壓比較，如兩者不等，則調(diào)整D的大小，到相等為止，則D為所求值！簡單！慢11.3.4反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器計數(shù)型！簡單2、逐次漸近型！電路不太復雜！較快2、逐次漸近型！電路不太復雜一、基本工作原理電路D/AuI逐次漸近寄存器比較器參考電源時鐘信號MSBLSBMSBLSB并行數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換控制信號10003.2V8V101117V01106V01015V01004V00113V000112逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器一、基本工作原理電路D/AuI逐次漸近比較器參考時鐘MSB讀出控制控制邏輯電路逐次漸近寄存器比較器二、轉(zhuǎn)換過程舉例3位D/AQ1S1Rd0+CPd1d2≥1Q1S1RFFBFFC≥1d0d1d2uIuOuCC5位環(huán)行移位寄存器Q1Q2

Q3Q4Q5QFFA1S1R/2輸出偏移讀出控制控制邏輯電路逐次漸近比二、轉(zhuǎn)換過程舉例3位Q

n+111100100功能RSQ

n10不用保持置1置0不許CP12345Q1

Q2Q3

Q4

Q5QA

QB

QCuI/VuO/VuO/VuCd2d1

d000001

0005.90–0.5000010

00010043.500000100011065.50000001

0011176.510000001011065.5000000001

11065.50110Qn+1111001011.3.5雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換思路：模擬輸入uItt控制計數(shù)CP個數(shù)輸出二進制數(shù)一、電路組成CO＝

100…000…101…001…110…010…111…110