数字电子技术 9 D-A与A-D转换

学习要点：数－模转换的基本原理模－数转换的基本原理第九章数-模和模-数转换器9.1概述多路开关数字控制计算机DACADC功率放大…功率放大执行机构…执行机构加热炉…加热炉温度传感器…温度传感器信号放大…信号放大多路开关随着计算机技术的发展，数字控制、数字测量，已被广泛应用。然而日常处理的物理量如温度、压力、流量、速度等大都是连续变化的模拟量，传感后的电信号也是模拟量，要用计算机控制，必须先转为数字量，经过数字处理后再变为模拟信号应用到模拟系统9.1概述能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器，简称A/D转换器或ADC；能将数字量转换为模拟量的电路称为数模转换器，简称D/A转换器或DAC。ADC和DAC是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口。多路开关数字控制计算机DACADC功率放大…功率放大执行机构…执行机构加热炉…加热炉温度传感器…温度传感器信号放大…信号放大多路开关典型数字控制系统框图式中，Ku为比例系数（转换系数）9.2D/A转换电路9.2.1D/A转换的基本原理一个n位二进制数可表示为：D=dn-1dn-2….d1d0，其最高位到最低位的权依次为：2n-12n-2….2120，，输出模拟量与数字量的关系为：)22.....22(00112211oddddKunnnnu0000010100111001011101111234567如图，是输入为3位二进制数时的D/A转换器的转换特性。图中二进制代码111对应的输出电压U0MAX，假如令U0MAX=7v,3位二进制数D/A转换器有8个输出模拟电压，即从0~7V。当最大输出电压确定后，输入数字量的位数越多，输出模拟量的阶梯间隔越小，表示转换器的分辨率越高。2、D/A转换的电路结构数码寄存器n位模拟电子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D/A转换的种类权电阻网络D/A转换器权电容网络D/A转换器T型电阻网络D/A转换器倒T型电阻网络D/A转换器权电流型D/A转换器9.2.2权电阻网络D/A转换器2n-1RI02n-2R2n-3R20R-UR数据寄存器d0d1d2dn-1……-+In-1U0RFRUIR80RUIR41RUIR22RUIR3I33221100dIdIdIdII若n=49.2.2权电阻网络D/A转换器RUIR80RUIR41RUIR22RUIR3321033221100248dRUdRUdRUdRUdIdIdIdIIRRRR)2222(2001122333ddddRUR2RRF设：)2222(220011223340ddddUIRIRURF)2222(20011223340ddddUUR上式表明,输出模拟电压与输入数字量成正比,即完成数模转换。如果输入n位二进制，则)22......22(2001122110ddddUUnnnnnR权电阻网络D/A转换器的优点：简单直观。主要缺点：电阻电阻品种多且范围太宽。例：8位转换器需8个电阻，从R到8R递增变化，在如此宽的范围内保证每个电阻的精度是十分困难的。所以该转换器精度难以保证。模拟开关，受Di控制。Di=1时，模拟开关左拨,Di=0时，模拟开关右拨。数据寄存器RF9.2.3T型电阻网络D/A转换器2R2R2R2R+URd0d1d2dn-1……-+U02R01RRR2R求和放大器最高位MSB最低位LSB当d3d2d1d0=0001时，RF2R2R2R2R+UR-+u02R01RRR2Rd0d1d2d3aaReq0UocReq=R2R2R2R2RRRRa0UR42ROCUU2R2R2R2RRRRa0UR12R2R2R2RRRa0UR12R02RU222R2R2R2RRRRa0UR22R04RU2R2R2R2R2R2R2RRRRa0UR2R2R2R2R2RRRRa0UR2R22R04RU2R332R08RUaR016RUReq=R042dUUROC同理：当d3d2d1d0=0010时，Req=R132dUUROC同理：当d3d2d1d0=0100时，Req=R222dUUROC同理：当d3d2d1d0=1000时，Req=R312dUUROC应用叠加定理将电压分量叠加得：041322312222dUdUdUdUURRRRARF2R2R2R2R+UR-+u02R01RRR2Rd0d1d2d3aRAURVRVUaaA2aAVU3FaRuRV0020RRURRVuFAFa3220)2222(3204132231dUdUdUdURRRRRRF)2222(32001122334ddddRRUFR)2222(320011223340ddddRRUuFR当RF=3R时，)2222(20011223340ddddUuR如果输入n位二进制数，则)22...22(2001122110ddddUunnnnnR当d3d2d1d0=1101时，1613)12021212(2012340RRUUuT型电阻网络需要较多电阻，但电阻只有两种R和2R，较容易保证电阻的精度。有利于提高转换精度，降低成本。P.262倒数第3行式子错P.264图9-7中A点应改为a,U0应改为u0P.272图9-14中xx/14应改为xx/15P.269第5行在时间上是（离散）连续的)(10001.010121,10101mvUnLSB9.2.6D/A转换器的主要参数1.转换精度1）分辨率：用于表征D/A转换器对外输入微小量变化的敏感程度。其定义为D/A转换器模拟量输出电压可能被分离的等级数输入数字位数越多，输出电压被分离的等级越多，即分辨率越高。121max0nLSBUU分辨率001.01023112110max0UULSB如，10位转换器的分辨率：若已知分辨率及满刻度输出电压U0max=10V,求n1=10,n2=11时，D/A转换器最小输出电压ULSB。)(510121,11111mvUnLSB2.转换误差引起转换误差的因素：各元件参数的误差，基准电压不稳，运放的零点漂移等。1、比例系数误差2、失调误差3、非线性误差3.转换速度1、建立时间2.转换速率9.3A/D转换器9.3.1A/D转换器的一般步骤和分类由于模拟量时间和（或）数值上是连续的，而数字量在时间和数值上都是离散的，所以转换时要在时间上对模拟信号离散化（采样），还要在数值上离散化（量化），一般步骤为：采样保持量化编码1、采样和保持采样和保持的任务是当输入信号变化较快时，要求输出信号能快速而准确地跟随输入信号的变化进行间隔采样，在两次采样之间保持上一次采样结束时的状态。模拟开关采样控制信号保持电容采样输出波形（1）采样定理模拟信号采样信号设采样信号S(t)的频率fS，输入模拟信号ui的最高频率分量的频率fmax，则，fS必须大于等于输入模拟信号包含的最高频率fmax的两倍，即：max2ffs工程上一般取max)5~3(ffs2、量化及编码量化：将采样电压转化为数字量最小数量单位的整数倍的过程。用表示编码：将量化结果用代码表示出来。量化误差：由于模拟量不一定能被整除。AD转换器的位数越多,量化误差越小.是量化过程中所取的最小数量单位称为量化单位,它是最低位为1时所对应的模拟量,即1LSB例如：要将01V的模拟电压转换为三位二进制代码。方法1，去尾法（只舍不入）：＝1/8V，01/8V的电压以0×表示，则：模拟电压二进制编码代表的模拟电压电平可见量化误差最大达=1/8V。方法2，四舍五入法：取＝2/15V，01/15V的电压以0×表示，则模拟电压二进制编码代表的模拟电压电平可见量化误差最大达/2=1/15V。15151515151515编码器1.电路结构9.3.2并行比较型A/D转换器输入模拟电压0~UR输出3位数字量将UR分成8等份,输出3位数字量当0≤Ui＜UR/15UiC7~C1输出全0Q7~Q1也全0D2D1D0=00015151515151515151515151515159.3.6A/D转换器的主要技术指标1.转换精度A/D转换器的分辨率是指输出数字量变化一个最低有效位LSB所对应的输入模拟电压的变化量.)(77.9121012mvUnn例如，输入模拟电压为0~10V,输出10位数码,则分辨率：1)分辨率：例9-3某信号采集系统要求用一片A/D转换芯片在1秒内将16个热电偶的输出电压分时进行A/D转换。已知热电偶输出电压范围为0~0.025V（对应0~450℃），需要分辨的温度为0.1℃，试问应选择多少位的A/D转换器？其转换时间？解：将450分成4500份，1024121104096121128409612113应采用13位的A/D转换器其转换时间ms5.62161作业：9-39-109-119-139-14