北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院數(shù)字電子技術(shù)第七章.ppt

1、1,第七章 D/A轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器,第一節(jié)D/A和A/D轉(zhuǎn)換的基本原理,第二節(jié)D/A轉(zhuǎn)換器,第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換器,小結(jié),2,一、模擬量、數(shù)字量以及二者的相互轉(zhuǎn)換,第一節(jié) D/A和A/D轉(zhuǎn)換的基本原理,連續(xù)變化的物理量稱為模擬量，模擬量是可以連續(xù)取值的。不連續(xù)的變化量稱為數(shù)字量，也叫離散量。數(shù)字量是不能連續(xù)取值的。,被控對(duì)象,傳 感 器,A/D 轉(zhuǎn) 換,數(shù)字系統(tǒng),D/A 轉(zhuǎn) 換,執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu),數(shù)字信號(hào),電的模擬量,處理后的數(shù)字信息,電壓、電流或頻率等電量,連續(xù)變化的模擬量,3,二、D/A轉(zhuǎn)換的基本原理,第一節(jié) D/A和A/D轉(zhuǎn)換的基本原理,要將數(shù)字量D轉(zhuǎn)換為模擬量A ，需要一個(gè)模擬參考量R

2、，使得 A = DR 若 maxA=R 則 0D1 即數(shù)字量D是一個(gè)不大于1的n進(jìn)制數(shù)。自然，這里的D是二進(jìn)制數(shù)： D = a121 + a222 + + an2n , ai(0, 1),4,第一節(jié) D/A和A/D轉(zhuǎn)換的基本原理,注意，A雖是模擬量，但并不能取任意值，而只能根據(jù)輸入量D得到某些特定值。,LSB,D/A轉(zhuǎn)換特性,量化單位：輸入數(shù)字量的最低有效位（LSB）所對(duì)應(yīng)的模擬量,二進(jìn)制整數(shù)： 輸入數(shù)字量,D = a121 + a222 + + an2n , ai(0, 1),5,三、 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù),分辨力：D/A轉(zhuǎn)換器分辨最小模擬量的能力。,分辨率：通常指D/A轉(zhuǎn)換器輸入數(shù)字

3、的二進(jìn)制位數(shù)。,滿量程：D/A轉(zhuǎn)換器可輸出模擬量的最大值。,第一節(jié) D/A和A/D轉(zhuǎn)換的基本原理,也就是最低有效位LSB所對(duì)應(yīng)的模擬量 ，記作RLSB 。,顯然位數(shù)越多，D/A轉(zhuǎn)換器所能輸出的最小模擬量值也越小，因而分辨力與分辨率是統(tǒng)一的。有時(shí)對(duì)二者不加區(qū)分。,6,轉(zhuǎn)換精度：通常以滿量程相對(duì)誤差來(lái)說(shuō)明D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度。,建立時(shí)間：從輸入數(shù)字信號(hào)穩(wěn)定到輸出模擬信號(hào)穩(wěn)定所需要的時(shí)間。,(u)max為最大絕對(duì)誤差。,建立時(shí)間決定了D/A轉(zhuǎn)換器輸出信號(hào)所能達(dá)到的最小重復(fù)周期。,第一節(jié) D/A和A/D轉(zhuǎn)換的基本原理,滿量程,三、 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù),非線性誤差 ：在滿量程范圍內(nèi)偏離理想轉(zhuǎn)換

4、特性的最大值。,7,四、 A/D轉(zhuǎn)換的基本原理,A/D轉(zhuǎn)換的過(guò)程，是一個(gè)將模擬信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)的編碼過(guò)程。,若模擬參考量為R，則輸出數(shù)字量D和輸入模擬量A之間的關(guān)系為 D A/R,第一節(jié) D/A和A/D轉(zhuǎn)換的基本原理,A/D轉(zhuǎn)換器,A/D轉(zhuǎn)換,mmin,數(shù)字D永遠(yuǎn)不能精確地表示被測(cè)物體質(zhì)量mx，而只能以一個(gè)最小砝碼mmin的精度去逼近。,8,mmin稱為量化單位。無(wú)論mmin多小，總不能是無(wú)窮小，由mmin不能是無(wú)窮小而帶來(lái)的誤差稱為量化誤差。,量化誤差是不能消除的。但A/D轉(zhuǎn)換得出的數(shù)字量可以提供較模擬量更多的有效數(shù)字，使得數(shù)據(jù)處理的總體精度大大提高。,第一節(jié) D/A和A/D轉(zhuǎn)換的基本原理

5、,LSB,9,五、 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù),分辨力：A/D轉(zhuǎn)換器分辨最小模擬量的能力。,分辨率：A/D轉(zhuǎn)換器的二進(jìn)制位數(shù)。,量化誤差：量化誤差通常是指1個(gè)LSB的輸出變化所對(duì)應(yīng)模擬量的范圍。,第一節(jié) D/A和A/D轉(zhuǎn)換的基本原理,A,A,量化誤差為1LSB,量化誤差為1/2LSB,10,五、 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù),轉(zhuǎn)換精度：A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度不僅僅取決于量化誤差，而是由多種因素決定的。 A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度一般表示為nLSB。,轉(zhuǎn)換時(shí)間：完成一次轉(zhuǎn)換所用的時(shí)間。,第一節(jié) D/A和A/D轉(zhuǎn)換的基本原理,轉(zhuǎn)換速率：每秒轉(zhuǎn)換的次數(shù)。,轉(zhuǎn)換速率與轉(zhuǎn)換時(shí)間不一定是倒數(shù)關(guān)系。,例如：,兩次

6、轉(zhuǎn)換過(guò)程允許有部分時(shí)間的重疊，因而轉(zhuǎn)速率大于轉(zhuǎn)換時(shí)間的倒數(shù)，這稱作管線（pipelining）工作方式。,11,一、權(quán)電阻型D/A轉(zhuǎn)換器,第二節(jié) D/A轉(zhuǎn)換器,Sn-1 Sn-2 Si S1 S0,1 0 1 0 1 0 1 0 1 0,Dn-1 Dn-2 Di D1 D0,參考（標(biāo)準(zhǔn)）恒壓源,12,一、權(quán)電阻型D/A轉(zhuǎn)換器,第二節(jié) D/A轉(zhuǎn)換器,Sn-1 Sn-2 Si S1 S0,1 0 1 0 1 0 1 0 1 0,Dn-1 Dn-2 Di D1 D0,虛地,13,一、權(quán)電阻型D/A轉(zhuǎn)換器,第二節(jié) D/A轉(zhuǎn)換器,Sn-1 Sn-2 Si S1 S0,1 0 1 0 1 0 1 0 1

7、0,Dn-1 Dn-2 Di D1 D0,14,一、權(quán)電阻型D/A轉(zhuǎn)換器,第二節(jié) D/A轉(zhuǎn)換器,Sn-1 Sn-2 Si S1 S0,1 0 1 0 1 0 1 0 1 0,Dn-1 Dn-2 Di D1 D0,15,一、權(quán)電阻型D/A轉(zhuǎn)換器,第二節(jié) D/A轉(zhuǎn)換器,Sn-1 Sn-2 Si S1 S0,1 0 1 0 1 0 1 0 1 0,Dn-1 Dn-2 Di D1 D0,輸入的 數(shù)字量,16,二、R-2R 網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器,第二節(jié) D/A轉(zhuǎn)換器,虛地,17,二、R-2R 網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器,第二節(jié) D/A轉(zhuǎn)換器,18,二、R-2R 網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器,第二節(jié) D/A轉(zhuǎn)換器,19,二、

8、R-2R 網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器,第二節(jié) D/A轉(zhuǎn)換器,20,二、R-2R 網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器,第二節(jié) D/A轉(zhuǎn)換器,與權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)相比，R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)中只有R、2R兩種阻值，從而克服了權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)阻值多、阻值差別大的缺點(diǎn)。,21,應(yīng)用DAC7520和四位二進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器CT74161 組成如下圖所示的10階梯波發(fā)生器，畫(huà)出邏輯 電路圖。,思 考 題,22,第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器,一、A/D轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵部件比較器,A/D轉(zhuǎn)換的過(guò)程就是用模擬量A與參考量R比較的過(guò)程，因此，電壓比較器就成了A/D轉(zhuǎn)換器中重要部件。,比較器的輸出為,0,1,23,模擬信號(hào),第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器,二、取樣保持電路,所謂取樣就

9、是將一個(gè)時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為時(shí)間上離散的模擬量。,根據(jù)取樣定理，每經(jīng)過(guò)一定時(shí)間間隔TS取出信號(hào)的一個(gè)值，只要 TS （fm為信號(hào)頻帶中的最高頻率），這些取樣值就可以無(wú)損失地表達(dá)原模擬信號(hào)。,7 6 5 4 3 2 1,1TS,2TS,取樣信號(hào),3TS,4TS,5TS,6TS,7TS,8TS,24,第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器,二、取樣保持電路,由于對(duì)模擬量進(jìn)行量化的過(guò)程需要一定的時(shí)間，所以為保證轉(zhuǎn)換精度，在轉(zhuǎn)換（即量化）時(shí)間內(nèi)應(yīng)使取樣點(diǎn)的函數(shù)值保持不變。,這種暫時(shí)保持由瞬時(shí)取樣得到的模擬信號(hào)的電路，就是取樣保持電路。右圖是一種常用的取樣保持電路。,25,第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器,二、取樣保持電路,

10、+ -,1,0,在取樣脈沖S（t）持續(xù)時(shí)間tw內(nèi) ，T導(dǎo)通。輸入信號(hào)uI經(jīng)開(kāi)關(guān)T對(duì)電容C進(jìn)行充電。只要充電時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于取樣信號(hào)S（t）的持續(xù)時(shí)間tw，則輸出信號(hào)uO就能跟蹤輸入信號(hào)uI的變化。,26,第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器,二、取樣保持電路,+ -,1,0,當(dāng)取樣脈沖結(jié)束，即在TS-tw時(shí)間內(nèi)，場(chǎng)效應(yīng)管T關(guān)斷，因而電容器上電壓uC無(wú)泄放回路，保持不變，則uO=-uC= -uIR2/R1也保持不變。,27,第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器,三、并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器,假定被轉(zhuǎn)換的模擬輸入電壓uI在0UREF范圍內(nèi)變化。取3位二進(jìn)制數(shù)代表模擬輸入uI的數(shù)字輸出。,采用有舍有入的量化方式，利用電阻分壓把標(biāo)準(zhǔn)電壓

11、UREF分成8段（量化階梯），位數(shù)越多，精度越高。,參考電壓,28,LSB,第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器,三、并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器,假定被轉(zhuǎn)換的模擬輸入電壓uI在0UREF范圍內(nèi)變化。取3位二進(jìn)制數(shù)代表模擬輸入uI的數(shù)字輸出。,二進(jìn)制數(shù)輸出,29,LSB,第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器,三、并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器,假定被轉(zhuǎn)換的模擬輸入電壓uI在0UREF范圍內(nèi)變化。取3位二進(jìn)制數(shù)代表模擬輸入uI的數(shù)字輸出。,其中6段間隔為(1/7)UREF，另外兩段間隔（最初和最末）為(1/14)UREF。因此，輸入模擬電壓從0到UREF整個(gè)范圍內(nèi)，它的最大量化誤差都是一樣的，即永遠(yuǎn)不會(huì)超過(guò)(1/14) UREF。,30,L

12、SB,第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器,三、并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器,假定被轉(zhuǎn)換的模擬輸入電壓uI在0UREF范圍內(nèi)變化。取3位二進(jìn)制數(shù)代表模擬輸入uI的數(shù)字輸出。,001是在(1/7)UREF時(shí)的值。在(1/14)UREF，(3/14)UREF之間的值和(1/7)UREF最多相差(1/14)UREF ，因此，最大量化誤差不會(huì)超過(guò)(1/14) UREF。,31,第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器,模擬輸入電壓uI,32,LSB,第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器,UREF,33,LSB,第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器,UREF,34,LSB,第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器,R8,R1,參考電壓,模擬輸入電壓uI,UREF,當(dāng) ， 求輸出的數(shù)字量。,0 0

13、 0 0 0 1 1,0 0 1 0 1 0 0,1,0,1,1,0,35,LSB,第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器,R8,R1,參考電壓,模擬輸入電壓uI,UREF,0 0 0 0 0 1 1,0 0 1 0 1 0 0,1,0,1,1,0,由于各個(gè)比較器的工作過(guò)程幾乎是同時(shí)的，所以并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率在所有A/D轉(zhuǎn)換方案中是最高的(如：8位并行A/D的轉(zhuǎn)換速度約為50ns)。 但需要使用大量的比較器。,36,第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器,四、串行比較型A/D轉(zhuǎn)換器,串行比較型A/D轉(zhuǎn)換器讓模擬信號(hào)依時(shí)間順序通過(guò)一連串比較器，后面比較器的輸入信號(hào)反映了前面比較器的剩余。,D3,uY3,2R,2R,R

14、,R,uY2,uY1,D2,D1,D0,uC3,uC2,uC1,37,第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器,五、并-串比較型A/D轉(zhuǎn)換器,高位比較器列,首先在高位比較器列上實(shí)現(xiàn)高a位A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果一方面作為高位輸出。,a,a位高位寄存器,a,另一方面加到a位D/A轉(zhuǎn)換器上將已轉(zhuǎn)換的高位數(shù)字還原為模擬電壓，再與輸入模擬電壓作減運(yùn)算，并將其差值放大至2a倍。,UR1,2a放大,UII,b位低位比較器列,b,輸 出 寄 存 器,放大器的輸出UII由低位比較器列轉(zhuǎn)換出低b位數(shù)字，并與高位數(shù)字一同輸出。,a+b,38,1、轉(zhuǎn)換原理,第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器,六、逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器,39,六、逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器

15、,2、原理框圖及工作原理,40,六、逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器,41,六、逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器,特點(diǎn)： 速度適中（1050us），精度較高，成本較低，應(yīng)用廣泛。,42,第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器,七、雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器,雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器就是先把電壓轉(zhuǎn)換成中間量時(shí)間，再將時(shí)間轉(zhuǎn)換為數(shù)字，這種轉(zhuǎn)換方法屬于間接轉(zhuǎn)換。,0,1,- +,1,有效,1,43,第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器,0,- +,正電壓UREF向電容C充電，電容兩端電壓不能突變，使得uo1電壓逐步下降，但還是正值， uo2為負(fù)值。,非門(mén)輸出維持不變，還是高電平，使得CP信號(hào)繼續(xù)有效， 計(jì)數(shù)器繼續(xù)計(jì)數(shù)。,當(dāng)輸出D為100時(shí)，uo1小于零，使得uo

16、2信號(hào)翻轉(zhuǎn)為高電平。,此時(shí)非門(mén)輸出為0，關(guān)斷CP信號(hào)，寄存器輸出可以作為數(shù)字量輸出。,0,無(wú)效,44,(式7.3.2),第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器,七、雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器,雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器在開(kāi)始一定時(shí)間內(nèi)，積分器A1以輸入電壓uI為被積函數(shù)進(jìn)行積分，然后以與輸入電壓uI極性相反的參考電壓為被積函數(shù)進(jìn)行積分，再對(duì)積分輸出電壓進(jìn)行過(guò)零比較。,斜率,t2,D的正向電壓,（ t0tt1，uI0 ）,式中：T1= t1 - t0, t0 = 0, uI0。,(式7.3.4),45,第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器,=,七、雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器,將式（7.3.2）代入式（7.3.4）得,T2與uI成正比，將輸入 電壓

17、變成了時(shí)間間隔。,可見(jiàn)：與取樣時(shí)間T1內(nèi)的輸入電壓平均值VI成正比。,46,第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器,七、雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器,工作特點(diǎn),（1）抗干擾能力強(qiáng),（2）與R、C無(wú)關(guān)，精度高,uI和UREF之間需滿足什么條件，轉(zhuǎn)換器才能正常地將輸入模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量？,（3）工作速度最慢，約為 幾十ms幾百ms,47,ADC0809是8位CMOS逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，具有8個(gè)輸入通道，可直接選通8路模擬量進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 輸出設(shè)有三態(tài)TTL鎖存緩沖器，便于和各種微處理機(jī)接口。 ADC0809的主要組成部分有8路模擬開(kāi)關(guān)、地址譯碼、256個(gè)電阻組成的電阻網(wǎng)絡(luò)和開(kāi)關(guān)樹(shù)、8位逐次比較寄存器、8位三態(tài)輸出鎖存緩沖

18、器、比較器和時(shí)序控制電路。,第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器,八、集成A/D轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用,48,第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器,八、集成A/D轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用,地址 譯碼 與 鎖存,8 路 模 擬 開(kāi) 關(guān) 器,8路模擬輸入信號(hào)選擇哪一路進(jìn)行轉(zhuǎn)換，要靠多路選擇器來(lái)完成。 例：ADDC=1, ADDB=1, ADDA=0 的情況,1 1 0 1,IN6,逐次比較寄存器,8位逐次比較寄存器共可記錄28 = 256 種狀態(tài)。,樹(shù)狀開(kāi)關(guān),開(kāi)關(guān)樹(shù)輸出UREF也有256個(gè)參考電壓，將UREF送入比較器與輸入模擬電壓uI進(jìn)行比較 。,49,另外，A/D轉(zhuǎn)換器的新產(chǎn)品也時(shí)有出現(xiàn)，如用于高精度音 頻信號(hào)處理的-型A/D轉(zhuǎn)換器等。,1. 常用的D/A轉(zhuǎn)換器有權(quán)電阻型和R-2R網(wǎng)絡(luò)型兩種電路。 由于R-2R 網(wǎng)絡(luò)型電