数字电子技术数、模与模、数转换(PPT 43)

第8章数/模与模/数转换www.cnshu.cn中国最大的资料库下载数字电子技术第8章数/模与模/数转换范立南代红艳恩莉刘明丹中国水利水电出版社第8章数/模与模/数转换www.cnshu.cn中国最大的资料库下载第8章数/模与模/数转换8.1DAC8.2ADC第8章数/模与模/数转换www.cnshu.cn中国最大的资料库下载控制对象模拟非电量X(t)传感器模拟电量u(t)放大器放大后模拟电量u(t)A/D数字量D数字计算机数字量D/A模拟电量执行元件图8-1A/D、D/A转换器在数字系统中的应用第8章数/模与模/数转换www.cnshu.cn中国最大的资料库下载8.1DAC8.1.1DAC的基本概念1.转换特性DAC电路输入的是n位二进制数字信息B(Bn-1,Bn-2,…,B1、B0)，其最低位(LSB)的B0和最高位(MSB)的Bn-1的权分别为20和2n-1，故B按权展开式为100011221122222niiinnnnBBBBBB第8章数/模与模/数转换www.cnshu.cn中国最大的资料库下载DAC电路输出的是与输入数字量成正比例的电压uO或电流iO，即102)(niiiOOBKBKiu或式中K为转换比例常数。图8-2所示为DAC框图。当n=3时，DAC转换电路的输出与输入转换特性如图8-3所示，输出为阶梯波。第8章数/模与模/数转换www.cnshu.cn中国最大的资料库下载DACBn－1Bn－2…B1B0MSBLSB输入数字量B＝K·B＝K∑Bi·2i输出模拟量uO或iOi＝1n－1图8-2DAC框图第8章数/模与模/数转换www.cnshu.cn中国最大的资料库下载ULSB1000001010011100234567BUmuO或iO101110111图8–3转换特性第8章数/模与模/数转换www.cnshu.cn中国最大的资料库下载2.分辨率121nmLSBUU分辨率即说明n越大，DAC的分辨能力越高(分辨率越小)。例如,当n=10时，DAC分辨率=;当n=11时，DAC分辨率。0001121100005.012111第8章数/模与模/数转换www.cnshu.cn中国最大的资料库下载3.精度(1)非线性误差：它是由电子开关导通的电压降和电阻网络电阻值偏差产生的，常用满刻度的百分数表示。(2)比例系数误差：它是参考电压UR偏离引起的误差，也用满刻度的百分数表示。(3)漂移误差：它是由集成运放漂移产生的误差。增益的改变也会引起增益误差。(4)转换时间：也称输出建立时间。它是从输入数字信号时开始，到输出电压或电流达到稳态值时所需要的时间。第8章数/模与模/数转换www.cnshu.cn中国最大的资料库下载8.1.2DAC的电路形式及工作原理1.权电阻R2RIn－1URBn－1Bn－2In－2Sn－1Sn－2I1S0I2S2S1I02n－1R2n－2R2n－3RB2B1B0i＋－∞△AuOifRf＝R2MSBLSB并行输入数字信号B……图8–4权电阻DAC电路第8章数/模与模/数转换www.cnshu.cn中国最大的资料库下载当输入二进制数码中某一位Bi=1时，开关Si接至基准电压UR，这时在相应的电阻Ri支路上产生电流inRinRiRiURURUI22211当Bi=0时，开关Si接地，电流ii=0,因此电流表达式应为iinRiBRUI221根据叠加原理，总的输出电流为iinRniiinRniiBRUBRUII2222110110第8章数/模与模/数转换www.cnshu.cn中国最大的资料库下载iinRfffOBRURIRu221通过集成运算放大器，输出电压为将代入则得2RRfiinROBUu22例如，UR=8V,输入八位二进制数码为11001011，则输出电压为VuO34.6203288第8章数/模与模/数转换www.cnshu.cn中国最大的资料库下载2.倒T型网络DACRRRR2R2R2R2R2R2RI2nI2n－1I8I4I2Sn－3S0B0B1Bn－2Bn－3Bn－1＋－∞△AURfS1…Sn－2Sn－1UR…图8–5R-2R倒T型网络DAC电路第8章数/模与模/数转换www.cnshu.cn中国最大的资料库下载1000112211011211122)2222(22222niiinnnnnnnnnnBIBBBBIIBIBIBIBI运算放大器的输出电压为1022niiinffBIRRIU若Rf=R,并将I=UR/R代入上式，则有1022niiinRBUU第8章数/模与模/数转换www.cnshu.cn中国最大的资料库下载I8I4I2B0B1B3B2＋－∞△uORfS0I16－UREFS1S2S3i∑(LSB)(MSB)图8–6权电流DAC原理图第8章数/模与模/数转换www.cnshu.cn中国最大的资料库下载当图8-6中的Bi=1时，开关接运算放大器的反相输入端，相应权电流流入求和电路；当Bi=0时，开关接地。故304001122334012322)2222(216842iiifffOBRIBBBBRIBIBIBIBIRIU扩大至n位，则1022niiifnOBRIU第8章数/模与模/数转换www.cnshu.cn中国最大的资料库下载8.1.3集成DAC1IO1IO2GNDD0D1D2D3D4D5D6D7D8D9RfUREF＋UDDAD75202345678910111213141516图8-7AD7520引脚图第8章数/模与模/数转换www.cnshu.cn中国最大的资料库下载图8-7为AD7520的引脚图。D0~D9为10个数码控制位，控制着内部CMOS的电流开关。IO1和IO2为电流输出端。Rf端为反馈电阻Rf的一个引出端，另一个引出端和IO1端连接在一起。UREF端为基准电压输入端。+UDD端接电源的正端。GND端为接地端。第8章数/模与模/数转换www.cnshu.cn中国最大的资料库下载8.2ADC8.2.1ADC的组成1.ADC的两个组成部分及其作用输入模拟电压uI(t)CPsSADC的采样保持电路C采样值展宽信号ADC的量化编码电路xn－1(MSB)x1x0(LSB)…输出数字量X(n位)uI(t)′图8-8ADC的组成部分第8章数/模与模/数转换www.cnshu.cn中国最大的资料库下载(1)采样保持电路。采样开关S的控制信号CPs的频率fs必须满足公式fs≥2fimax(fimax为输入电压频谱中的最高频率)，即其周期Ts很小，而且采样时间τ比Ts更要小许多倍，这样就能将采样保持后的不失真地恢复成输入电压uI(t)。该公式称为采样定理。)('tuI第8章数/模与模/数转换www.cnshu.cn中国最大的资料库下载CPsT采样保持保持采样采样保持采样保持采样TsuI(t)uI(t)′uI(t)uI(t)′tt图8–9采样保持前后的波形举例第8章数/模与模/数转换www.cnshu.cn中国最大的资料库下载＋－∞△CuIuIVCPsA图8–10采样保持电路原理图第8章数/模与模/数转换www.cnshu.cn中国最大的资料库下载(2)量化编码电路。采样保持电路的输出信号虽已成为阶梯状，但其阶梯幅值仍是连续可变的，有无限多个数值，无法与n位有限的2n个数字量输出X相对应。因此，必须将采样后的值只限于在某些规定个数的离散的电平上，凡介于两个离散电平之间的采样值，就要用某种方式整理归并到这两个离散电平之一上。这种将幅值取整归并的方式及过程称为“量化”。将量化后的有限个整量值用n位一组的某种数字代码(如二进制码、BCD码或Gray码等)对应描述以形成数字量，这种用数字代码表示量化幅值的过程称作“编码”。)('tuI第8章数/模与模/数转换www.cnshu.cn中国最大的资料库下载2.量化方式和量化误差(1)只舍不入法。当输入uI在某两个相邻的量化值之间，即www.cnshu.cn中国最大的资料库下载skusk1)1((k为整数)(2)四舍五入法。当uI的尾数不足时，用舍尾取整法得其量化值；当uI的尾数等于或大于时，则入整。例如，已知s=1V,则uI=2.1V时，uI=2V;uI=2.7V时。VuI3*2s2s第8章数/模与模/数转换www.cnshu.cn中国最大的资料库下载000000011101100010量化电压6543210s采样保持信号(1)(2)(3)(4)(5)(6)二进制代码000001100110100010量化电压6543210s采样保持信号(1)(2)(3)(4)(5)(6)0.51.52.53.54.55.5(a)(b)图8–11两种量化方法的比较第8章数/模与模/数转换www.cnshu.cn中国最大的资料库下载8.2.2ADC电路1.双积分ADC双积分ADC又称双斜率ADC，是间接法的一种，它先将模拟电压uI转换成与之大小对应的时间T，再在时间间隔T内用计数器对固定频率计数，计数器所计的数字量就正比于输入模拟电压。第8章数/模与模/数转换www.cnshu.cn中国最大的资料库下载S＋uIR＋－∞△A1uA＋－∞△A2UCC积分器过零比较器－URQnFnRQn－1Fn－1R…Q1F1RQ0F0RGCPuG启动Dn－1…D1D0图8–12双积分A/D电路原理图第8章数/模与模/数转换www.cnshu.cn中国最大的资料库下载T2T1=2nTCPtouGtoUCtUA0ouAoUSt－URuIotQn图8–13双积分ADC工作波形第8章数/模与模/数转换www.cnshu.cn中国最大的资料库下载(1)采样阶段：在启动脉冲作用下，将全部触发器置0。由于Qn=0，使开关S与输入信号uI连接,A/D转换开始。uI加至积分器的输入端后，积分器对uI进行积分，输出为dtuutA101式中，τ=RC，为积分时间常数。由于uA＜0，过零比较器输出UC=1，G门打开，n位二进制计数器从0开始计数，一直到CPnTTt21时，触发器F0~Fn-1又全部回到0，而触发器Fn由0翻至1，Qn=1，开关S转接至基准电源-UR，采样阶段结束。此时ICPnIAAuTuTUu210第8章数/模与模/数转换www.cnshu.cn中国最大的资料库下载(2)比较阶段：开关S转接至基准电源-UR后，积分器对-UR进行积分，积分器输出)(2)(11101TtUuTdtUUuRCPntTRAA当uA≥0时，过零比较器输出UC=0，G门被封锁，计数器停止计数。假设此时计数器已记录了N个脉冲，则CPNTTtT12代入上式得021CPRCPnANTUuTu求得IRnuUN2第8章数/模与模/数转换www.cnshu.cn中国最大的资料库下载2.逐次逼近式ADC＋－∞△AQASuI比较器D/A转换器RJK1FGQBSRJKQCSRJKQDSRJKURUR′01234时序分配器CPDQD3DQD2DQD1DQD0图8–14四位逐次逼近型A/D转换器原理框图第8章数/模与模/数转换www.cnshu.cn中国最大的资料库下载表8–1输出与输入数码的关系第8章数/模与模/数转换www.cnshu.cn中国最大的资料库下载假设：D/A转换器的基准电压UR=8V，采样保持信号电压uI=6.25V。首先，在节拍脉冲CP0作用下，使JK触发器的状态置为QDQCQBQA=1000，则D/A转换器输出参考电压(见表8-1)，所以。由于，比较器输出F=1，G=0。这样，各级触发器的J=1，K=0。RRUU)16/8('VUR4'1'uUR接着，节拍脉冲CP1到来，其下跳沿触发JK触发器D，使QD=1，同时CP1使触发器C置1。这样，在CP1作用后，JK触发器的状态为QDQC