康华光-数电-第五版PPT课件9

AnalogDigitalConverterandDigitalAnalogConverter9.1D/A转换器9.2A/D转换器。9模数与数模转换器3、正确理解D/A、A/D转换器的主要参数。1、掌握倒T形电阻网络D/A转换器(DAC)、集成D/A转换器的工作原理及相关计算。2、掌握并行比较、逐次比较、双积分A/D转换器(ADC)的工作原理及其特点。教学基本要求A/D转换器D/A转换器模拟控制器工业生产过程控制对象模拟传感器ADC和DAC已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。将温度、压力、流量、应力等物理量转换为模拟电量。计算机进行数字处理（如计算、滤波）、保存等用模拟量作为控制信号数字控制计算机概述9.1D/A转换器9.1.1D/A转换的基本原理9.1.2倒T形电阻网络D/A转换器9.1.4D/A转换器的输出方式9.1.3权电流D/A转换器9.1.5D/A转换器的技术指标9.1.6D/A转换器的应用将数字量转换为与之成正比模拟量。n位数字量1.概述DAC9.1D/A转换器模拟量1、数/模转换器:A=KDO=–KNB数字量是用代码按数位组合而成的，对于有权码，每位代码都有一定的权值，如能将每一位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后，将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的模拟量，从而实现数字量--模拟量的转换。①实现D/A转换的基本思想ND＝b4×24＋b3×23＋b2×22＋b1×21＋b0×20＝1×24＋1×23＋0×22＋0×21＋1×20将二进制数ND＝(11001)B转换为十进制数。9.1.1D/A转换的基本原理②D/A转换器的组成: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DAC的数字数据可以并行输入也可串行输入用存放在数字寄存器中的数字量的各位数码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iRf=RvOS0VREF–+S1S2S3+–基准电压电子开关RR/2R/4R/8求和电路(LSB)D2D3(MSB)D0D1锁存器数字量输入电阻网络i0i1I2i2i3A模拟量输出③实现D/A转换的原理电路)iiii(R0123OfvRDVi33REF8RDVi224REFRD2V1REF1iRDVi0REF0iiiODV)DDDD(V222223000112233REFREFv，，,④D/A转换器的分类:按解码网络结构分类T型电阻网络DAC倒T形电阻网络DAC权电流DAC权电阻网络DAC按模拟电子开关电路分类CMOS开关型DAC双极型开关型DAC电流开关型DACECL电流开关型DACD/A转换器9.1.2倒T形电阻网络D/A转换器vORf+VREF2RD0D1D2D3S0S1S2S3i2R2R2R(LSB)(MSB)8I16I4I2II2R–+RRRI/16I/8I/4I/2Di=0,Si则将电阻2R接地Di=1,Si接运算放大器反相端，电流Ii流入求和电路电阻网络模拟电子开关求和运算放大器输出模拟电压输入4位二进制数根据运放线性运用时虚地的概念可知，无论模拟开关Si处于何种位置，与Si相连的2R电阻将接“地”或虚地。1、4位倒T形电阻网络D/A转换器基准电压•电阻网络•模拟电子开关•求和运算放大器D/A转换器的倒T形电阻网络基准电源VREF提供的总电流为：I=？流过各开关支路的电流：I3=？I2=？I1=？I0=？2R2R2R2R2RRRRVREFIABCDABCDRVIREFI/4I/8I/16RRRRI/2I/4I/8I/16I/2I3I2I1I0流入每个2R电阻的电流从高位到低位按2的整数倍递减。I3=VREF/2RI2=VREF/4RI1=VREF/8RI0=VREF/16R流入运放的总电流：i＝I0+I1+I2+I3)2D2D2D2D(RV13223140REF输出模拟电压：10i)2D(RR2VniifnREFO30i4)2D(2VRRRiiiREFffO(LSB)D2D3(MSB)iRfOD0D1S0S1S2S32R2R2R2R2R8I16I4I2IRRRI+VREF–+8I16I4I2I4位倒T形电阻网络DAC的输出模拟电压：OfiR3ifREFi40(2)2iRVDRn位倒T形电阻网络DAC有：n1iREFfOin0(2)2iVRDRREFfn,2VRKR令：n1iBi0(2)iND则O=–KNB在电路中输入的每一个二进制数NB，均能得到与之成正比的模拟电压输出。AD7533D/A转换器D2D7OD0D12R2R2R2RRRD8D9RRR2R2R2R–+RIOUT1IOUT2VREFAD7520RF10K10K20K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）2.集成D/A转换器10位CMOS电流开关型D/A转换器9iREFfOi100(2)2iVRDR关于D/A转换器精度的讨论(1)基准电压稳定性好；(2)倒T形电阻网络中R和2R电阻比值的精度要高；(3)为实现电流从高位到低位按2的整数倍递减，模拟开关的导通电阻也相应地按2的整数倍递增。为进一步提高D/A转换器的精度，可采用权电流型D/A转换器。n1iREFfOin0(2)2iVRDR为提高D/A转换器的精度，对电路参数的要求：(3)每个模拟开关的开关电压降要相等Di=1时，开关Si接运放的反相端;Di=0时，开关Si接地。9.1.3权电流D/A转换器(LSB)D2D3(MSB)iRfOD0D1S0S1S2S38I16I4I2I–VREF–+1.4位权电流D/A转换器在恒流源电路中，各支路权电流的大小均不受开关导通电阻和压降的影响，这样降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。)D16ID8ID4ID2I(RRi0123ffO)2D2D2D2D(R2I001122334f30ii42DR2Iif(LSB)D2D3(MSB)iRfOD0D1S0S1S2S38I16I4I2I–VREF–+实际的权电流D/A转换器电路REF32O32401110(222)22ffRViRDDRDD电压恒定各BJT的发射结电压相等基准电流产生电路(MSB)D1D0(LSB)iRfOD3D2S3S2S1S08I16I4I2IVREF+–A1R1+–A2IBBIECIEOIE1IE2IE3IREFTrT3T2T1T0TCR2R2R2R2R2RRRR–VEEI=IREF=1RREFV偏置电流16I++-9.1.4D/A转换器的输出方式256255REFV256129REFV256128REFV256127REFV2561REFV2560REFV8位D/A转换器在单极性输出时的输入/输出关系0000000010000000……111111100000000110000001……11111111模拟量数字量MSBLSB常用双极性编码十进制数2的补码偏移二进制码模拟量D7D6D5D4D3D2D1D0D7D6D5D4D3D2D1D00/VLSB12701111111111111111271260111111011111110126100000001100000011000000000100000000-11111111101111111-1-1271000000100000001-127-1281000000000000000-128*表中VLSB=VREF/25625622221BREFREFREF8REFBREF1ONVVVVNV)(D0D1D2D3D4D5D6D72R1OVREF1R=RfR1R1+–+–A1A2NB8位倒T形电阻网络D/A转换器i19.1.5D/A转换器的主要技术指标分辨率：其定义为D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。n位DAC最多有2n个模拟输出电压。位数越多D/A转换器的分辨率越高。分辨率也可以用能分辨的最小输出电压与最大输出电压之比给出。n位D/A转换器的分辨率可表示为121n1、分辨率2、转换精度：转换精度是指对给定的数字量，D/A转换器实际值与理论值之间的最大偏差。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：有如比例系数误差、失调误差和非线性误差等9.1.6集成D/A转换器的应用(1)数字式可编程增益控制电路D2D7OD0D12R2R2R2RRRRD8D9RRRI2R2R2R-+RFIOUT1IOUT2VREFD2D7OD0D12R2R2R2RRRRD8D9RRRI2R2R2R-+RFIOUT1IOUT2VREFO-+RIOUT2IIOUT1倒T形电阻网络RDDDvRvOI109911002/)2...22(/OVIA)2......22/(299110010DDDIout1＝I0+I1+I2+…I9RDDDVREF109911002/)2....22(1OUTIIR/v根据虚断有:REFOV(2)脉冲波产生电路vOQ0Q1Q2Q3CPD0D1D2D3–10V&CRCEPCETPE174LS163–+ARfIOUT1IOUT2D0D1D2D3D4D5D6D7D8D9VREFAD752019.539.158.57897.5117136.5156175.5vO/mVD14010060200000tCP000100100011010001010110011110001001000074163具同步清零功能74163和与非门构成十进制计数器：0000~10019.2.6集成A/D转换器及其应用9.2A/D转换器9.2.1A/D转换的一般工作过程9.2.2并行比较型A/D转换器9.2.3逐次比较型A/D转换器9.2.4双积分式A/D转换器9.2.5A/D转换器的主要技术指标概述ADCDn~D0输出数字量I输入模拟电压能将模拟电压成正比地转换成对应的数字量。1.A/D功能:9.2A/D转换器2.A/D转换器分类①并联比较型特点:转换速度快,转换时间10ns~1s,但电路复杂。②逐次逼近型特点:转换速度适中,转换时间为几s~100s,转换精度高，在转换速度和硬件复杂度之间达到一个很好的平衡。③双积分型特点:转换速度慢,转换时间几百s~几ms,但抗干扰能力最强。取样时间上离散的信号保持、量化量值上也离散的信号编码模拟信号时间上和量值上都连续数字信号时间上和量值上都离散9.2.1A/D转换的一般工作过程A/D转换器一般要包括取样，保持，量化及编码4个过程。1.取样与保持采样是将随时间连续变化的模拟量转换为在时间离散的模拟量。采样信号S(t)的频率愈高，所采得信号经低通滤波器后愈能真实地复现输入信号。合理的采样频率由采样定理确定。采样定理：设采样信号S(t)的频率为fs，输入模拟信号I(t)的最高频率分量的频率为fimax，则fs≥2fimaxS(t)=1:开关闭合S(t)=0:开关断开O(t)I(t)TGS(t)000O(t)S(t)I(t)tttTSItOtt6t5t4t3t2t1t00(b)波形图采得模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，为了给后续的量化编码过程提供一个稳定的值，在取样电路后要求将所采样的模拟信号保持一段时间。采样保持取样与保持电路及工作原理IA1A2SCH开关驱动电路采样—保持控制电路O2.量化与编码•数字信号在数值上是离散的。采样–保持电路的输出电压还需按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上，任何数字量只能是某个最小数量单位的整数倍。•量化后的数值最后还需通过编码