模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器.ppt

1、3. 正確理解D/A、A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)。,1. 掌握倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器(DAC)、集成D/A換器的工作原理及相關(guān)計算。,2. 掌握并行比較、逐次比較、雙積分A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)的工作原理及其特點。,教學(xué)基本要求：,10.模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器,ADC和DAC已成為計算機系統(tǒng)中不可缺少的接口電路。,將溫度、壓力、流量、應(yīng)力等物理量轉(zhuǎn)換為模擬電量。,計算機進(jìn)行數(shù)字處理(如計算、濾波)、保存等,用模擬量作為控制信號,概述,10.1 D/A轉(zhuǎn)換器,D/A轉(zhuǎn)換器是將輸入的二進(jìn)制數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成與之成正比的模擬信號，以電壓或電流的形式輸出。,一般常用的線性D/A轉(zhuǎn)換器，其輸出模擬電壓A和輸入數(shù)字量

2、D之間成正比關(guān)系，即A=KD，式中K為常數(shù)。,10.1.1 D/A轉(zhuǎn)換器的輸入/輸出特性及其結(jié)構(gòu)框圖,1. D/A轉(zhuǎn)換器輸入/輸出特性,數(shù)字量與轉(zhuǎn)換后的模擬量之間存在誤差 。,A = K D,n位二進(jìn)制數(shù),di 為二進(jìn)制碼,2. D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)框圖,DAC的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可以并行輸入也可串行輸入,用存放在數(shù)字寄存器中的數(shù)字量的各位數(shù)碼,由輸入數(shù)字量控制,產(chǎn)生權(quán)電流,將權(quán)電流相加產(chǎn)生與輸入成正比的模擬電壓,數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合而成的，對于有權(quán)碼，每位代碼都有一定的權(quán)值，如能將每一位代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量， 然后，將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字量成正比的模擬量， 從而實現(xiàn)數(shù)字量-模

3、擬量的轉(zhuǎn)換。,1. 實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的基本思想,NDb424b323b222b121b020 124123022021120,例：將二進(jìn)制數(shù) (11001)B轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)ND,10.1.2 D/A轉(zhuǎn)換的基本原理,168001 25,2. 實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的原理電路,3. D/A轉(zhuǎn)換器的分類,按解碼網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分類,T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC,倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC,權(quán)電流DAC,權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC,按模擬電子開關(guān)電路分類,CMOS開關(guān)型DAC,雙極型開關(guān)型DAC,電流開關(guān)型DAC,ECL電流開關(guān)型DAC,10.1.3 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器,Di=0, Si則將電阻2R接地 Di=1, Si接運算放大器反相

4、端，電流Ii流入求和電路,電阻網(wǎng)絡(luò),模擬電子開關(guān),求和運算放大器,輸出 模擬電壓,輸入4位二進(jìn)制數(shù),根據(jù)運放線性運用時虛地的概念可知，無論模擬開關(guān)Si處于何種位置，與Si相連的2R電阻將接“地” 或虛地。,1. 4位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器,基準(zhǔn)電壓,D/A轉(zhuǎn)換器的倒T形電阻網(wǎng)絡(luò),基準(zhǔn)電源VREF提供的總電流為：I =？,流過各開關(guān)支路的電流：I3 =？I2 =？ I1 =？ I0 =？,I/4,I/8,I/16,R,R,R,R,I/2,I/4,I/8,I/16,I/2,I3,I2,I1,I0,流入每個2R電阻的電流從高位到低位按2的整數(shù)倍遞減。,I3= VREF / 2R,I2= VREF

5、 / 4R,I1= VREF / 8R,I0= VREF /16 R,流入運放的總電流：,i I0 + I1 + I2 + I3,輸出模擬電壓：,I3= VREF / 2R,I2= VREF / 4R,I1= VREF / 8R,I0= VREF /16 R,4位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC的輸出模擬電壓：,n 位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC有：,令：,則,O = K NB,在電路中輸入的每一個二進(jìn)制數(shù)NB，均能得到與之成正比的模擬電壓輸出。,表明: D/A輸出模擬電壓與輸入的數(shù)字量D3D2D1D0成正比,AD7533D/A轉(zhuǎn)換器,使用:1)要外接運放， 2)運放的反饋電阻可使用內(nèi)部電阻，也可采用外接電阻,2

6、.集成D/A轉(zhuǎn)換器,10位CMOS電流開關(guān)型D/A轉(zhuǎn)換器,關(guān)于D/A轉(zhuǎn)換器精度的討論,(1) 基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定性好；,(2) 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)中R和2R電阻比值的精度要高；,(4) 為實現(xiàn)電流從高位到低位按2的整數(shù)倍遞減，模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻也相應(yīng)地按2的整數(shù)倍遞增。,為進(jìn)一步提高D/A轉(zhuǎn)換器的精度，可采用權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器。,為提高D/A轉(zhuǎn)換器的精度，對電路參數(shù)的要求：,(3) 每個模擬開關(guān)的開關(guān)電壓降要相等,Di =1時，開關(guān)Si接運放的反相端;,Di= 0時，開關(guān)Si接地。,10.1.4 權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器,1. 4位權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器,用一組恒流源替代倒T電阻網(wǎng)絡(luò),在恒流源電路中，各支路權(quán)電

7、流的大小均不受開關(guān)導(dǎo)通電阻和壓降的影響，降低了對開關(guān)電路的要求，提高了轉(zhuǎn)換精度。,實際的權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器電路,電壓恒定,各BJT的 發(fā)射結(jié)電壓相等,基準(zhǔn)電流產(chǎn)生電路,+,+,-,10.1.6 D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式,常用雙極性編碼,*表中VLSB=VREF/256,10.1.7 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo),分辨率：其定義為D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級數(shù)。n位DAC最多有2n個模擬輸出電壓。位數(shù)越多D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率越高。,分辨率也可以用能分辨的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比給出。n位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率可表示為,1. 分辨率,分辨率越高，轉(zhuǎn)換時對輸入量的微小變化的反應(yīng)越靈敏。,

8、例：已知10位D/A轉(zhuǎn)換器的滿刻度輸出電壓Vm=10V。 求輸入最低位D0對應(yīng)的輸出電壓增量VLSB； 如要求分辨的最小電壓為5mV(VLSB=5mV)，問至少應(yīng)選多少位的D/A轉(zhuǎn)換器。,解：,將n=10，Vm=10V代入，得,分辨率, 將VLSB =5mV，Vm=10V代入，得,得n11，即應(yīng)選擇11位D/A轉(zhuǎn)換器。,2. 轉(zhuǎn)換精度,轉(zhuǎn)換精度是指對給定的數(shù)字量，D/A轉(zhuǎn)換器實際值與理論值之間的最大偏差。,產(chǎn)生原因：由于D/A轉(zhuǎn)換器中各元件參數(shù)值存在誤差，如基準(zhǔn)電壓不夠穩(wěn)定或運算放大器的零漂等各種因素的影響。,幾種轉(zhuǎn)換誤差：有如比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差和非線性誤差等。,3. 建立時間,從數(shù)字信號

9、輸入DAC起，到輸出電流（或電壓）達(dá)到穩(wěn)態(tài)值所需的時間為建立時間。 建立時間的大小決定了轉(zhuǎn)換速度。,10.1.8 集成D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用,1. 數(shù)字式可編程增益控制電路,Iout1 I0 + I1 + I2 + I9,根據(jù)虛斷有:,(2) 階梯波產(chǎn)生電路,74163具同步清零功能,74163和與非門構(gòu)成十進(jìn)制計數(shù)器：00001001,能將模擬電壓成正比地轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字量。,A/D功能:,10.2 A/D 轉(zhuǎn)換器, 并聯(lián)比較型 特點: 轉(zhuǎn)換速度快，轉(zhuǎn)換時間 10ns 1s， 但電路復(fù)雜。, 逐次逼近型 特點: 轉(zhuǎn)換速度適中，轉(zhuǎn)換時間為幾s 100 s， 轉(zhuǎn)換精度高，在轉(zhuǎn)換速度和硬件復(fù)雜度之間達(dá)

10、到一個很好的平衡。, 雙積分型 特點: 轉(zhuǎn)換速度慢，轉(zhuǎn)換時間 幾百s 幾ms，但抗干擾能力最強。,2. A/D轉(zhuǎn)換器分類,取樣,時間上離散的信號,保持、量化,量值上也離散的信號,編碼,10.2.1 A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程,A/D轉(zhuǎn)換器一般包括取樣、保持、量化及編碼4個過程。,1. 取樣與保持,取樣是將隨時間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為在時間離散的模擬量。,取樣信號S(t)的頻率愈高，所采得信號經(jīng)低通濾波器后愈能真實地復(fù)現(xiàn)輸入信號。合理的取樣頻率由取樣定理確定。,取樣定理：設(shè)取樣信號S(t)的頻率為fs，輸入模擬信號I(t)的最高頻率分量的頻率為fimax，,則 fs 2fimax,S(t)=1:開

11、關(guān)閉合 S(t)=0:開關(guān)斷開,采得模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號都需要一定時間，為了給后續(xù)的量化編碼過程提供一個穩(wěn)定的值，在取樣電路后要求將所采樣的模擬信號保持一段時間。,采樣,保持,取樣與保持電路及工作原理,2. 量化與編碼,數(shù)字信號在數(shù)值上是離散的。采樣保持電路的輸出電壓還需按某種近似方式歸化到與之相應(yīng)的離散電平上，任何數(shù)字量只能是某個最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。,量化后的數(shù)值最后需通過編碼過程用一個代碼表示出來。經(jīng)編碼后得到的代碼就是A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量。,量化,編碼,兩種近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。,量化方式,a ) 只舍不入量化方式：量化中把不足一個量化單位的部分舍棄

12、；等于或大于一個量化單位部分按一個量化單位處理。,最大量化誤差為：,最小量化單位,1/8V,=1LSB=,1/8 V,例：將01V電壓轉(zhuǎn)換為3位二進(jìn)制代碼,b )四舍五入量化方式：量化過程將不足半個量化單位部分舍棄，等于或大于半個量化單位部分按一個量化單位處理。,最大量化誤差為：,最小量化單位：,=1LSB=,2/15 V,例：將01V電壓轉(zhuǎn)換為3位二進(jìn)制代碼,在量化過程中由于所采樣電壓不一定能被整除，所以量化前后一定存在誤差，此誤差我們稱之為量化誤差，用表示。,量化誤差屬原理誤差，它是無法消除的。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，各離散電平之間的差值越小，量化誤差越小。,3.量化誤差：量化前的電壓與量

13、化后的電壓差,10.2.2 并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器,電壓比較器,輸入模擬電壓,精密電阻網(wǎng)絡(luò),精密參考電壓,VREF/15,3VREF/15,7VREF/15,9VREF/15,11VREF/15,5VREF/15,13VREF/15,輸出數(shù)字量,1.電路組成,VI=8.5VREF/15,1,1,1,1,0,0,0,0 0 1,例：參考電壓 VREF=3V，輸入信號VI=1.7V,輸入信號VI=1.7V,7VREF/15,9VREF/15,vI CO1 CO2 CO3 CO4 CO5 CO6 CO7 D2 D1 D0,7VREF/15 vI 9VREF/15 0 0 0 1 1 1 1 1 0

14、0,9VREF/15 vI 11VREF/15 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1,5VREF/15 vI 7VREF/15 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1,3VREF /15 vI 5VREF/15 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0,11VREF/15 vI 13VR/15 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0,13VREF/15 vI VREF/15 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1,VREF/15 vI 3VREF/15 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1,0 vI VREF/15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,根據(jù)各比較器的參考電壓值，可以確定輸

15、入模擬電壓值與各比較器輸出狀態(tài)的關(guān)系。比較器的輸出狀態(tài)由D觸發(fā)器存儲，經(jīng)優(yōu)先編碼器編碼，得到數(shù)字量輸出。,3. 電路特點,在并行A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入電壓I同時加到所有比較器的輸入端。如不考慮各器件的延遲，可認(rèn)為三位數(shù)字量是與I輸入時刻同時獲得的。所以它的轉(zhuǎn)換時間最短。,缺點是電路復(fù)雜，如三位ADC需7個比較器、7個觸發(fā)器、8個電阻。位數(shù)越多，電路越復(fù)雜。,為了解決提高分辨率和增加元件數(shù)的矛盾，可以采取分級并行轉(zhuǎn)換的方法。,單片集成并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的產(chǎn)品很多，如AD公司的AD9012 (TTL工藝8位)、AD9002 (ECL工藝，8位)、AD9020 (TTL工藝，10位)等。,10.2

16、.3 逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器,與用天平稱物重非常相似 。,1. 轉(zhuǎn)換原理,設(shè)待秤重量Wx = 13克。 所用砝碼重量：8克、4克、2克和1克。,1. 轉(zhuǎn)換原理,1 0 0 0,1 0 0 0,I 5V,1,I=6.84V,VREF=10V,第一個CP：,1,1,1. 轉(zhuǎn)換原理,0 1 0 0,1 1 0 0,I 7.5V,1,I=6.84V,VREF=10V,第二個CP：,0,1,1 0 0 0,0,0,1. 轉(zhuǎn)換原理,0 0 1 0,1 0 1 0,I 6.25V,1,I=6.84V,VREF=10V,第三個CP：,1,1,0 1 0 0,0,0,1,1,A=6.84V,VREF=10V,1

17、,0,1,0,1,1,1,1,大,大,大,大,大,大,小,小,小結(jié),1. 逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)越多轉(zhuǎn)換精度越高；,2.逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需時間與其位數(shù)n和時鐘脈沖頻率有關(guān)，位數(shù)愈少，時鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換所需時間越短；,10.2.4 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器,1. 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的基本指導(dǎo)思想,對輸入模擬電壓和參考電壓分別進(jìn)行兩次積分，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時間間隔，然后利用時鐘脈沖和計數(shù)器測出此時間間隔，進(jìn)而得到相應(yīng)的數(shù)字量輸出。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器也稱為電壓時間數(shù)字式積分器 。 *,1、電路組成,積分器,過零比較器,時鐘脈沖控制門,計數(shù)器,0,

18、Cr信號將計數(shù)器清零；開關(guān)S2閉合，待積分電容放電完畢后，斷開S2 使電容的初始電壓為0。,2、工作原理,準(zhǔn)備階段：,第一次積分：,t = t0時，開關(guān)S1與A端相接，積分器開始對I積分。經(jīng)2n個CP后，開關(guān)切換到B，=VP。第一積分時間為2nTC,第二次積分：,VREF加到積分器的輸入端，積分器反方向進(jìn)行第二次積分；當(dāng)t=t2時積分器輸出電壓O0，比較器輸出C=0，時鐘脈沖控制門G被關(guān)閉，計數(shù)停止。,T1=2nTC,T2=Tc,T2=t1 t2,在計數(shù)器所計的數(shù)=Qn-1Q1Q0，就是A/D轉(zhuǎn)換器得到的結(jié)果。,優(yōu)點：,1.由于轉(zhuǎn)換結(jié)果與時間常數(shù)RC無關(guān)，從而消除了積分非線性帶來的誤差。,2.

19、由于雙積分A/D轉(zhuǎn)換器在T1時間內(nèi)采的是輸入電壓的平均值， 因此具有很強的抗工頻干擾的能力。,T1=2nTC,3. 只要求時鐘源在一個轉(zhuǎn)換周期時間內(nèi)保持穩(wěn)定即可。,1.轉(zhuǎn)換精度,10.2.5 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo),單片集成A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述的。,分辨率:,說明A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號的分辨能力。通常以輸出二進(jìn)制(或十進(jìn)制)數(shù)的位數(shù)表示。,轉(zhuǎn)換誤差：,表示A/D轉(zhuǎn)換器實際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別。,2.轉(zhuǎn)換時間,指A/D轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控制信號到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號所經(jīng)過的時間。 A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間與轉(zhuǎn)換電路的類型有關(guān),并行比較A

20、/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最高 , 逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器次之 , 間接A/D轉(zhuǎn)換器(如雙積分A/D)的速度最慢。,使用A/D轉(zhuǎn)換器時應(yīng)注意以下幾點：,(1) 轉(zhuǎn)換過程各信號的時序配合,10.2.6 集成A/D轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用,(2) 零點和滿刻度調(diào)節(jié),(3) 參考電壓的調(diào)節(jié),(4) 接地,A/D、D/A及采樣保持芯片上都提供了獨立的模擬地(AGND)和數(shù)字地(DGND)的引腳。,模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路中要特別注意到地線的正確連接，否則干擾很嚴(yán)重，以致影響轉(zhuǎn)換結(jié)果的準(zhǔn)確性。,在線路設(shè)計中，必須將所有器件的模擬地和數(shù)字地分別相連，然后將模擬地與數(shù)字地僅在一點上相連接。,ADC0809電原理和引腳圖 (a) 電原理框圖； (b) 引腳圖,例：ADC0809,