ch11AD和DA转换10

第11章数-模和模-数转换《数字电子技术基础》教学课件D/A转换器11.2A/D转换器311.3概述311.1目录广东工业大学自动化学院广东工业大学自动化学院11.1概述数模转换即将数字量转换为模拟电量(电压或电流)，使输出的模拟电量与输入的数字量成正比。实现数模转换的电路称数模转换器Digital-AnalogConverter，简称D/A转换器或DAC。模数转换即将模拟电量转换为数字量，使输出的数字量与输入的模拟电量成正比。实现模数转换的电路称模数转换器Analog-DigitalConverter，简称A/D转换器或ADC。广东工业大学自动化学院11.1概述为何要进行数模和模数转换？被控对象传感器A/D转换器计算机D/A转换器驱动电路ADC和DAC是沟通模拟电路和数字电路的桥梁。ADC和DAC已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。广东工业大学自动化学院本章的重点：11.1概述1．D/A转换器的基本工作原理，输入与输出关系的定量计算；2．A/D转换器的主要类型（并联比较型、逐次渐近型、双积分型），它们的基本工作原理和综合性能的比较；3．D/A、A/D转换器的转换速度与转换精度及影响它们的主要因素。广东工业大学自动化学院11.2D/A转换器一、D/A转换的基本原理一般常用的线性D/A转换器，其输出模拟电压uO和输入数字量Dn之间成正比关系。D/A转换器是将输入的二进制数字量转换成模拟量，以电压或电流的形式输出。uo或io输出D/Ad0d1dn－1输入Dn…(LSB)(MSB)uO＝KDnn位二进制数输入模拟电压输出广东工业大学自动化学院11.2D/A转换器输入数字量Dn的按权展开式为:输出模拟电压为：001122112222ddddDnnnnn)2222(00112211ddddKunnnno可见，uO∝Dn，uO的大小反映了数字量Dn的大小。将输入的每一位二进制代码按其权值大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，则所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。广东工业大学自动化学院11.2D/A转换器二、D/A转换器的构成D/A转换器一般由数码缓冲寄存器、模拟电子开关、参考电压、解码网络和求和电路等组成。数码寄存器n位模拟开关解码网络求和电路基准电压n位数字量输入模拟量输出存放输入的数字量由输入数字量控制产生权电流将权电流相加产生与输入成正比的模拟电压输入数字量可以并行输入也可串行输入。广东工业大学自动化学院权电阻网络DAC倒T形电阻网络DAC权电流型DAC权电容网络DACD/A转换器11.2D/A转换器•按解码网络的不同DAC有以下几种类型：开关树型DAC下面仅介绍权电阻网络D/A转换器和目前集成D/A转换器中常用的倒T形电阻网络D/A转换器。广东工业大学自动化学院11.2D/A转换器三、权电阻网络D/A转换器1.电路组成权电阻网络模拟开关基准电源求和放大器输入数字量广东工业大学自动化学院11.2D/A转换器2.工作原理控制受数字0303~~ddSS点流向时，时，iiiiIdId1000302dRVIREF1212dRVIREF2122dRVIREF3032dRVIREF0123IIIIi•输出电压：)222(031223dRVdRVdRVdRVRREFREFREFREFFFORiv)2222(2001122334ddddVREFRF=R/2广东工业大学自动化学院11.2D/A转换器•对于n位的权电阻网络D/A转换器，有:1210REFO1210(2222)2nnnnnVVdddd优点：结构比较简单，电阻元件数较少。缺点：电阻的阻值相差较大，制造工艺复杂。•权电阻网络D/A转换器的特点广东工业大学自动化学院11.2D/A转换器四、倒T型电阻网络D/A转换器1.电路组成模拟开关Si打向“1”侧时，相应2R支路接虚地；打向“0”侧时，相应2R支路接地。故无论开关打向哪一侧，电阻2R总是与地相连。广东工业大学自动化学院11.2D/A转换器2.倒T型电阻网络的特性II3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI3RRR倒T型电阻网络均可等效为下图：ABC从A、B、C节点向左看去，各节点对地的等效电阻均为2R。因此有：RVIREFI3=I/2=VREF/2RI2=I/4=VREF/4RI1=I/8=VREF/8RI0=I/16=VREF/16R流入每个2R电阻的电流从高位到低位按2的整数倍递减。广东工业大学自动化学院11.2D/A转换器3.输出电压流入运放的总电流：流入地端时，流入时，iiiiIdiId01)16()8()4()2(0123IdIdIdIdi)2222(2001122334ddddVRiVREFO输出模拟电压：广东工业大学自动化学院11.2D/A转换器•对于n位输入的倒T形电阻网络D/A转换器：DVddddVVnREFnnnnnREFO2)2222(200112211•倒T型电阻网络D/A转换器的特点：优点：电阻种类少，只有R和2R，提高了制造精度；而且支路电流流入求和点不存在时间差，提高了转换速度。应用：它是目前集成D/A转换器中转换速度较高且使用较多的一种，如10位D/A转换器AD7520(CB7520)。广东工业大学自动化学院11.2D/A转换器实例：AD7520•AD7520的电路的输入为10位二进制数，芯片内只含倒T形电阻网络、CMOS电流开关和反馈电阻R（10K）。使用:1)要外接运放，2)运放的反馈电阻可使用内部电阻，也可采用外接电阻。9iREFfOi100(2)2iVRDR广东工业大学自动化学院11.2D/A转换器五、具有双极性输出的D/A转换器当输入数字量是带符号数时，就需要双极性输出的D/A转换器。带符号数以补码形式给出。输出为正、负极性的模拟电压。1.转换原理例：输入为3位二进制补码。最高位为符号位，正数为0，负数为1补码输入对应的十进制要求的输出vOD2D1D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V广东工业大学自动化学院11.2D/A转换器•普通的DAC(单极性输出))222(20011223dddVVREFO输出模拟电压：原码输入对应的十进制输出vOD2D1D01117+7V1106+6V1015+5V1004+4V0113+3V0102+2V0011+1V00000V输入数字量与输出模拟电压的关系：广东工业大学自动化学院11.2D/A转换器补码输入要求的输出vOD2D1D0011+3V010+2V001+1V0000V111-1V110-2V101-3V100-4V原码输入输出vOD2D1D0111+7V110+6V101+5V100+4V011+3V010+2V001+1V0000V取反偏移-4V•双极性输出与单极性输出的关系广东工业大学自动化学院11.2D/A转换器2.电路实现反相器偏移电路•RB和VB的确定0BIi即，当输入d2d1d0=100时，vO=0V。RVIiREF22RVRVREFBB2又有：BBBRVI因此：广东工业大学自动化学院11.2D/A转换器六、D/A转换器的主要技术指标•分辨率指对输出最小电压的分辨能力DAC的最小输出电压变化量，也即DAC的最小输出电压值121FSRLSBnUU分辨率表示满度输出电压值，FSR即FullScaleRangeUFSR=uO|D=111=(2n–1)ULSBn位均为1例如，一个10位的DAC，分辨率为：001.01023112110•DAC的位数越多，分辨率值就越小，能分辨的最小输出电压值也越小。分辨率用于表征D/A转换器对输入微小量变化的敏感程度。1.转换精度用分辨率和转换误差来描述广东工业大学自动化学院11.2D/A转换器•转换误差指DAC实际输出模拟电压与理想输出模拟电压间的最大误差。通常用输出电压满量程Vm或VFSR（FullScaleRange的缩写）的百分数表示，也可以用最低有效位的倍数表示。例如，转换误差为LSB/2，表示输出模拟电压的绝对误差等于最小输出电压VLSB的一半。•产生原因：由于D/A转换器中各元件参数值存在误差，如基准电压不够稳定或运算放大器的零漂等各种因素的影响。•几种转换误差：比例系数误差、失调误差和非线性误差等广东工业大学自动化学院11.2D/A转换器2.转换速度（时间）转换时间越小，转换速度就越高。从输入的数字量发生突变开始，到输出电压进入与稳定值相差±0.5LSB范围内所需要的时间，称为建立时间tset。目前单片集成D/A转换器（不包括运算放大器）的建立时间最短达到0.1微秒以内。广东工业大学自动化学院11.2D/A转换器六、D/A转换器的应用举例(1)数字式可编程增益控制电路D2D7uoD0D12R2R2R2RRRRD8D9RRRui2R2R2R-+RFIOUT1IOUT2VREFIout1＝I0+I1+I2+…I9RDDDVREF109911002/)2....22(广东工业大学自动化学院11.2D/A转换器O-+RIOUT2IIOUT1倒T形电阻网络RDDDvRvOI109911002/)2...22(/)......DD/(DvvAIOu9911001022221OUTIIR/v根据虚短、虚断有:REFOV因为:有:(2)波形发生电路广东工业大学自动化学院11.2D/A转换器)2....22(299110010DDDVvREFOvOQ0Q1Q2Q3CPD0D1D2D3–10V&R'DCEPCETPE174LS163–+ARfIOUT1IOUT2D0D1D2D3D4D5D6D7D8D9VREFAD752074163和与非门构成十进制计数器：计数状态为（0000~1001）19.539.158.57897.5117136.5156175.5vO/mVD14010060200000tCP0001001000110100010101100111100010010000广东工业大学自动化学院11.2D/A转换器)2....22(21099110010DDDvO•输出波形广东工业大学自动化学院11.3A/D转换器一、A/D转换的基本原理和一般步骤“[]”表示取整。基本原理ADCD0D1Dn-2Dn-1…uI模拟输入信号n位二进制数输出D=Dn-1Dn-2D1D0可见，输出数字量D正比于输入模拟量uI。△称为ADC的单位量化电压或量化单位，它是ADC的最小分辨电压。ＩuD广东工业大学自动化学院11.3A/D转换器采样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。保持：保持采样信号，使有充分时间转换为数字信号。量化：把采样保持电路的输出信号用单位量化电压的整数倍表示。编码：把量化的结果用二进制代码表示。A/D转换的一般步骤uI(t)C量化编码电路Dn-1D1D0…uI(t)S采样保持电路输入模拟量输出数字量A/D转换器一般要包括取样，保持，量化及编码4个过程。广东工业大学自动化学院11.3A/D转换器1.采样与保持由取样-保持电路完成采样（也称取样）是将时间上连续变化的信号，转换为时间上离散的信号，即将时间上连续变化的模拟量转换为一系列等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。•采样过程输入模拟信号采样脉冲采样输出信号采样信号是否会丢失原信号的信息呢？广东工业大学自动化学院11.3A/D转换器------当采样频率不小于输入模拟信号频谱中最高频率的两倍时，采样信号可以不失真地恢复为原模拟信号。•采样定理----又称为香农定理(Shannon)即：maxf2fs采样信号频率输入信号最高频率模拟信号经采样后，得到一系列样值