《第17章ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第17章ppt课件.ppt（38页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、17.1 D/A转换器 17.2 A/D转换器 本章小结,17.1 D/A转换器,n位D/A转换器的方框图如图17.所示。,图17.1 n位D/A转换器的方框图,D/A转换器由数码寄存器、模拟电子开关电路、解码网络、求和电路及基准电压几部分组成。 数字量以串行或并行方式输入并存储于数码寄存器中，寄存器输出的每位数码驱动对应数位上的电子开关将在电阻解码网络中获得的相应数位权值送入求和电路。 求和电路将各位权值相加便得到与数字量对应的模拟量。,17.1.1 D/A转换器的基本工作原理 4位倒T形电阻网络/A转换器的原理如图17.2 所示。,图17.2 倒T形电阻网络D/A转换器,图中为模拟开关，R
2、2R电阻解码网络呈倒T形，运算放大器A组成求和电路。模拟开关Si由输入数码Di控制。 当Di1时，Si接运算放大器反相端，电流Ii流入求和电路； 当Di时，Si则将电阻2R接地。 分析R2R电阻网络可以发现，从每个节点向左看的二端网络等效电阻均为R，流入每个2R电阻的电流从高位到低位、并按2的整数倍递减。,17.1.2 D/A转换器的主要技术指标 1.转换精度 D/A转换器的转换精度通常用分辨率和转换误差 来描述。 分辨率用于表征D/A转换器对输入微小量变化敏 感程度的。其定义为D/A转换器模拟输出电压可能被 分离的等级数，输入数字量位数愈多，输出电压可 分离的等级愈多，即分辨率愈高。所以在实
3、际应用 中，往往用输入数字量的位数表示D/A转换器的分辨 率。,2. 转换速度 通常用建立时间和转换速率两个参数来描述D/A转换器的转换速度。 建立时间（tset）指输入数字量变化时，输出电压变化到相应稳定电压值所需时间。 转换速率（SR）用大信号状态下，模拟电压的变化率表示。,3.温度系数 是指在输入不变的情况下，输出模拟电压随着温度变化而产生的变化量。一般用满刻度输出条件下，当温度每升高1时，输出电压变化的百分数作为温度系数。,思考题,D/A 转换器有哪几种基本类型？ 如要求电路的功耗小，你应该选择哪种D/A转器？如要求转换速度快呢? 为了使得倒T形电阻网络D/A转换器有足够的转换精度，在
4、电路器件及参数选择上应有什麽基本要 求?,返回,17.2 A/D转换器 17.2.1 A/D转换的一般工作过程 1.取样与保持 取样是将随时间连续变化的模拟量转换为时间离散的模拟量。取样过程如图17.3所示。,图17.3 取样过程,图(a)中，传输门受取样信号S(t)控制，在S(t)的脉宽期间，传输门导通，输出信号uo(t)为输入信号uI(t)，而在（Ts - ）期间，传输门关闭，uo(t)=0。电路中各信号波形如图（b）所示。 取样频率由取样定理确定。 取样定理：设取样信号S(t)的频率为fs，输入模拟信号uI(t)的最高频率分量的频率为fimax，则fS与fimax必须满足下面的关系：,(
5、17.5),取样与保持过程往往是通过取样保持电路同时完成的。取样保持电路的原理图及输出波形如图17.4所示。,现结合图17.4来分析取样保持电路的工作原理。 在tt0时，开关S闭合，电容被迅速充电，由于Au1Au21，因此uoui，在t0t1时间间隔内是取样阶段。 当tt1时刻S断开。若A2的输入阻抗为无穷大，S为理想开关，这样就可认为电容CH没有放电回路，其两端电压保持为uo不变。 图17.4(b)中t1到t2的平坦段，就是保持阶段。,2. 量化与编码 将取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。量化后的数值经编码后得到的代码就是A
6、/D转换器输出的数字量。 量化过程中所取最小数量单位称为量化单位，用 表示。,在量化过程中，由于取样电压不一定能被 整除，所以量化前后不可避免地存在误差，此误差称之为量化误差，用 表示。 量化过程常采用两种近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。,17.2.2 并行比较型A/D转换器 三位并行比较型A/D转换器原理电路如图17.5所示。,图17.5 三位并行A/D转换器,它由电阻分压器、电压比较器、寄存器及编码器组成。图中的8个电阻将参考电压UREF分成8个等级，其中7个等级的电压分别作为7个比较器C1C7的参考电压，其数值分别为UREF/15、3UREF/15、13UREF/15
7、。输入电压为up，它的大小决定各比较器的输出状态。 比较器的输出状态由D触发器存储，经优先编码器编码，得到数字量输出。优先编码器优先级别最高是7，最低的是1。,设uI变化范围是0UREF，输出三位数字量为 210，三位并行比较型A/D转换器的输入、输出关系如表17.1所示。,表17.1 三位并行A/D转换器输入与输出关系对照表,并行A/D转换器具有如下的特点： （1）转换速度最快。 （2）制成分辨率较高的集成并行A/D转换器是比较困难的。 （3）为了解决提高分辨率和增加元件数的矛盾，可以采取分级并行转换的方法。10位分级并行A/D转换原理如图17.6所示。,图17.6 分级并行转换十位A/D转
8、换器,17.2.3 双积分式A/D转换器 1.电路组成 图17.7是这种转换器的原理电路。,图17.7 双积分A/D转换器,它由积分器、过零比较器、时钟脉冲控制门和定时计数器等几部分组成。 积分器：积分器是转换器的核心部分，它的输入端所接开关1由定时信号n控制。 过零比较器：过零比较器用来确定积分器输出电压过零的时刻。 计数器和定时器: 它由n1个接成计数型的触发器FF0FFn串联组成。 时钟脉冲控制门: 时钟脉冲源标准周期c，作为测量时间间隔的标准时间 。,2.工作原理 图中各处的工作波形如图17.8所示。,图17.8 双积分A/D转换器各处工作波形,（1）准备阶段 首先提供CR信号使计数器
9、清零，同时使开关S2闭合，待积分电容放电完毕后，再使S2断开。 （2）第一次积分阶段 在转换过程开始时(t0)，开关S1与A端接通。积分器从0V开始对uI积分。,(17.6),由于u0，过零比较器输出为高电平，时钟控制门G被打开。于是，计数器在CP作用下从0开始计数，经2n个时钟脉冲后，第一次积分结束。第一次 积分时间为： tT12nTc (17.7) 第一次积分结束时积分器的输出电压为UP,(17.8),（3）第二次积分阶段 当tt1时，S1转接到B点，具有与相反极性的基准电压UREF加到积分器的输入端；积分器开始向相反方向进行第二次积分；当tt2时，积分器输出电压，比较器输出uC0，时钟脉
10、冲控制门G被关闭，计数停止。在此阶段结束时uO表达式可写为,(17.9),设T2t2t1，于是有,设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为 ，则,(17.10),(17.11),可见，T2与U1成正比，T2就是双积分A/D转换过程中的中间变量。,(17.12),由上述分析可知，第一次积分是对模拟输入积分，积分时间为2nTC，此阶段又称为定时积分。第 二次积分是对参考电压积分，称之为定压积分。计数器所计的二进制数为与输入模拟采样保持信号的平均值成正比。 最后必须指出，在第二次积分阶段结束后，控制电路又使开关S2闭合，电容C放电，积分器回到 零值。电路再次进入准备阶段，等待下一次转换开始。,17.2
11、.4 A/D转换器的主要技术指标 1.转换精度 单片集成A/D转换器的转换精度是用分辨率和转换误差来描述的。 （1）分辨率 D转换器的分辨率以输出二进制（或十进制）数的位数表示。它说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。,（2）转换误差 转换误差通常是以输出误差的最大值形式给出。它表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。 2.转换时间 转换时间是指A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。,例17.1 某信号采集系统要求用一片A/D转换集成芯片在1s（秒）内对16个热电偶的输出电压分时进行A/D转换。已知热电偶输
12、出电压范围为00.025V（对应于0450温度范围），需要分辨的温度为0.1，试问应选择多少位的A/D转换器，其转换时间为多少？,解：对于从0450温度范围,信号电压为00.025V，分辨温度为0.1这相当于 的分辨率。12位A/D转换器的分辨率为 ，所以必须选用13位的A/D转换器。 系统的取样速率为每秒16次，取样时间为62.5ms。对于这样慢速的取样，任何一个A/D转换器都可达到。可选用带有取样保持（S/H）的逐次比较A/D转换器或不带S/H的双积分式A/D转换器均可。,思考题 实现模数转换一般要经过哪4个过程？按工作原理不同分类，A/D转换器可分为哪两种？ 在图17.6所示并行比较A/
13、D转换电路中，若输入电压UI为负电压，试问电路能否正常进行A/D转换？为什么？如不能正常工作，需要如何改进电路？ 已知在图17.6所示并行A/D转换器中，UREF10V，UI9V，试问输出数字量210？,返回,1.A/D和D/A转换器是现代数字系统的重要部件，应用日益广泛。 2.倒T形电阻网络D/A转换器具有如下特点：电阻网络阻值仅有两种，即R和2R；各2R支路电流i与相应的i数码状态无关，是一定值；由于支路电流流向运放反相端时不存在传输时间，因而具有较高的转换速度。,本 章 小 结,3.D/A转换器有两种输出方式。双极型输出电路与输入编码有关。无论哪种输出方式，在使用时应注意进行零点和满量程调节。 4.不同的A/D转换方式具有各自的特点，在要求转换速度高的场合，选用并行A/D转换器；在要求精度高的情况，可以采用双积分A/D转换器。 5.A/D转换器和D/A转换器的主要技术参数是转换精度和转换速度，在与系统连接后，转换器的这两项指标决定了系统的精度与速度。,返回,本 章 完,