数模和模数转换

第十一章数－模和模－数转换教学内容§11.1概述§11.2D/A转换器§11.3A/D转换器教学要求1、掌握DAC和ADC的定义及应用；2、了解DAC的组成、倒T型电阻网络、集成D/A转换器、转换精度及转换速度；3、了解ADC组成、逐次逼近型A/D转换器、积分型A/D转换器、转换精度及转换速度。11.1概述模－数转换（A/D转换）：将模拟信号转换为数字信号。实现A/D转换的电路称为A/D转换器，简写为ADC(Analog-DigitalConverter)数－模转换（D/A转换）：将数字信号转换为模拟信号。实现D/A转换的电路称为D/A转换器，简写为DAC(Digital-AnalogConverter)用途Sensor放大器A/DMicrocomputer控制对象D/A温度时间要求:！精度！速度电加热炉热电偶D/A转换器的任务是接收到一个数字量(D)后，输出一个相应的电压(A)。11.2D/A转换器将数字信号转换为模拟信号的电路。D00111111…D/A转换器A(电压or电流)？电阻网络求和放大器参考电压一、权电阻网络D/A转换器电子开关虚短:V-≈V+=0电子开关由输入数字信号D控制；D=d3d2d1d0，；当di=1时Si接到VREF；当di=0时Si接到地。一、权电阻网络D/A转换器虚短:V-≈V+=033dRVIREF222dRVIREF1212dRVIREF0302dRVIREF)(0123IIIIRiRvFFo)2222(2001122334ddddVvREFo42REFVD)22...22(200112211ddddVvnnnnnREFon位权电阻网络D/A转换器，当反馈电阻取为R/2时，输出电压的计算公式：输出电压的变化范围:REFnnV212~0优点：结构简单，所用的电阻元件数很少。缺点：各电阻的阻值相差较大，不能保证有很高的精度。二、倒T形电阻网络D/A转换器由于V-≈V+=0,所以无论开关S合到哪一边，都相当于接到了“地”，流过各支路的电流始终不变。012316842dIdIdIdIiRVIREF)2222(2001122334ddddVRivREFo42REFVDn位输入的倒T形电阻网络D/A转换器，当反馈电阻取为R时，输出电压的计算公式：)22...22(200112211ddddVvnnnnnREFo优点：（1）只有R和2R两种阻值的电阻，可达到较高的精度；（2）各支路电流恒定不变，在开关状态变化时，不需电流建立时间，所以电路转换速度高，使用广泛。CB7520电路原理图0102REFVvD习题3、4、5三、权电流型D/A转换器恒流源32100321032102344()(2222)22222FFFRIIIIIviRRdddddddd42FRID为减少电阻阻值的种类，在实用的权电流型D/A转换器中，经常利用倒T形电阻网络的分流作用产生一组所需的恒流源。按比例加大发射结的面积042FREFRIvDDAC0808电路结构框图已知VREF=10VkRR5kRF5nnRREFFnFoDDRVRDIRv88821022?当输入数字量有±极性时，希望输出的模拟电压也对应为±。例：输入为三位二进制补码。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D2D1D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V四、具有双极性输出的D/A转换器原码输入对应的输出偏移后的输出D2D1D0111+7V+3V110+6V+2V101+5V+1V100+4V0V011+3V-1V010+2V-2V001+1V-3V0000V-4V补码输入对应的十进制要求的输出D2D1D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V*将符号位反相后接至高位输入*将输出偏移,使输入为100时，输出为01双极性输出单极性输出如何将单极性的D/A转换器改造成双极性D/A转换器？接偏置电流符号位求反*将符号位反相后接至高位输入*将输出偏移,使输入为100时，输出为0电路实现：*将符号位反相后接至高位输入*将输出偏移,使输入为100时，输出为0电路实现：偏移-4V,使输入D=100时,v0=0V032REFBVvDIR32BBREFVDVRR02BREFBVRRV2RBBEFVVRR选择合适的VB和RB可实现双极性输出习题6、7五、D/A转换器的主要参数（1）分辨率：D/A转换器理论上可达到的精度。1.D/A转换器的转换精度分辨率也可用D/A转换器能够分辨出来的最小输出电压与最大输出电压的比值来表示。例如：10位D/A转换器的分辨率为：分辨率可以用输入二进制数码的位数表示。分辨率也可以用D/A转换器能够分辨出来的最小输出电压表示（1LSB）。（2）转换误差：D/A转换器实际上能达到的转换精度（误差）。可以用输出电压满刻度值的百分数表示，也可用最低位有效值的倍数（mLSB）表示。nnREFOnnREFOOREFDVVDVVVV22.111引起的误差移零点漂移导致的曲线漂由漂移误差OpAV02.2电阻网络的偏差引起，为模拟开关的压降内阻不非线性误差0.303V（1）建立时间tset：指输入数字量各位由全0变为全1或由全1变为全0时,输出电压达到某一规定值所需要的时间。通常建立时间在100ns~几十s之间。2.D/A转换器的转换速度（2）转换速率SR：习题13、1111.3A／D转换器A/D转换器UI输入模拟电压D7~D0输出数字量0V~5V00000000~11111111一、A/D转换的基本原理dn-1d1d0数字量输出(n位)ADC的数字化编码电路CPSSC采样-保持电路输入模拟电压ui(t)us(t)…A/D转换的三个过程：采样－量化－编码采样采样是对模拟信号进行周期性地抽取样值的过程。把模拟信号vI转换成时间上断续、幅度等于采样时模拟信号值的离散信号vS。采样定理：fs≥2fi(max)输入模拟信号中的最高频率采样频率由采样-保持电路完成量化将采样－保持电路的输出电压，按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上，这一转化过程称为数值量化，简称量化。量化后的数值用一个二进制代码表示出来，这一过程称为编码。将采样输出电压表示为一个最小单位的整数倍，所取的最小数量单位称为量化单位(1LSB），用表示。编码量化－编码过程采样值1.23.13.63.12.11.01.21.51.20.1-1.2-2.6-3.4-3.8量化值1.03.03.53.02.01.01.01.51.00.0-1.0-2.5-3.5-4.0码编输出0010,0110,0111,0110,0100,0010,0010,0011,0010,0000,1110,1011,1001,1000电平x(t)/V3.532.521.510.50-0.5-1-1.5-2-3-2.5-3.5-4t取量化间隔:△=0.5V双极性信号量化－编码过程量化误差：当采样电压不能被Δ整除时，将引入量化误差111110101100011010001000111110101100011010001000输入信号1V7/8V6/8V5/8V4/8V3/8V2/8V1/8V0二进制代码输入信号二进制代码1V13/15V11/15V9/15V7/15V5/15V3/15V1/15V0代表的模拟电压7=7/8（V）6=6/8（V）5=5/8（V）4=4/8（V）3=3/8（V）2=2/8（V）1=1/8（V）0=0（V）代表的模拟电压7=14/15（V）6=12/15（V）5=10/15（V）4=8/15（V）3=6/15（V）2=4/15（V）1=2/15（V）0=0(V）0V二、直接A/D转换器并联比较型0≤vi＜VREF/15时，7个比较器输出全为0，CP到来后，7个触发器都置0。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0＝000。时，7个比较器中只有C1输出为1，CP到来后，只有触发器FF1置1，其余触发器仍为0。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0=001。15315REFiREFVuV时，比较器中C1、C2输出为1，CP到来后，触发器FF1、FF2置1，其余触发器仍为0。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0=011。155153REFiREFVuV*快:CP触发信号到达到输出稳定建立只需几十ns*精度:受参考电压、分压网络等因素影响*电路规模:n位需要2n-1比较器，触发器。。。并联比较型特点逐次比较型A／D转换器其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四个砝码共重15克，每个重量分别为8、4、2、1克。设待秤重量Wx=13克，可以用下表步骤来秤量：砝码重第一次第二次第三次第四次加4克加2克加1克8克砝码总重待测重量Wx，故保留砝码总重仍待测重量Wx，故保留砝码总重待测重量Wx，故撤除砝码总重＝待测重量Wx，故保留暂时结果8克12克12克13克结论反馈比较型！电路不太复杂！较快反馈比较型10000逐次比较型A/D转换器电路原理图000000011100003位：5个CPN位:(n+2)个CP逐次比较型A/D转换器电路原理图00000001110100000110三、间接A/D转换器双积分型A/D转换器又称为电压－时间变换型（V－T变换型）IOTIIOIILVVVRCTdtVRCVVTTVSSV10111101.)(,1.2.1不变期间的积分固定时间，积分器作第一步，断开转换开始起始状态：计数器清零双积分型A/D转换器0~，t=T1时IREFCCCCCVVTTfTD)fT(fT1221则脉冲计数，期间用固定的频率令计数器在IREFIREFITREFOOREFIVVTTTRCVTRCVTRCVdtVRCVVVS1212100102积分器作反相积分，至第二步：双积分型A/D转换器IREFCIREFCCVVNDNTTVVTTfTD112若IREFnnVVDN22，则取先将Vi转换成与之成正比的时间信号，然后在这个时间内用固定频率脉冲计数.双积分型A/D转换器原理:（V－T变换型）A/D转换器控制电路的实现V-F变换型fout=k1vI;计数器在TG时间里对fout计数，则D=TGfout=TGk1vID适合远距离传输不同的A/D转换器的比较四、A/D转换器的主要参数A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示，位数越多，误差越小，转换精度越高。分辨率也可以用1LSB的电压表示，是A/D转换器能够分辨出来的最小输出电压。例如：输入模拟电压的变化范围为0～5V，输出10位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V×2－10＝4.88mV。(1)分辨率：1.A/D转换器的转换精度（2）转换误差通常以输出误差最大值的形式给出，表示实际输出的数字量和理论上应有的输出数字量之间的差别。2.A/D转换器的转换速度A/D转换速度是指完成一次转换所需的时间。转换时间是指从接到模拟输入信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间。A/D转换速度取决于电路结构类型:并联比较型：1uS逐次逼近型：几~100uS双积分型：几十mS/次AD7767是高速、低功耗、单电源供电、高精度的24位AD转换器，它采用逐次逼近结构。芯片内部还集成了跟踪保持电路，此器件广泛的应用于多通道系统中。其特点如下：•(1)功耗为15mw，109.5dB动态范围，转换速率128kbs。•(2)高精度：24位內无误编码(NoMissingCodes；NMC)。•(3)温度漂移性低，零误差漂移为15nV/度(摄氏)。•(5)工作温度范围：-40℃至105℃。•(6