第十一章数模和模数转换.ppt

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1、第十一章 数-模和模-数转换,概述 数-模转换器(DAC) 模-数转换器(ADC) 计算举例 小结,11.1 概述,数-模转换器（Digital to Analog Converter) * 将数字信号转换成模拟信号的过程称：数模转换 * 完成数模转换的电路数模转换器（DAC） 模-数转换器（Analog to Digital Converter) * 将模拟信号转换成数字信号的过程称：模数转换 * 完成模数转换的电路模数转换器（ADC） ADC和DAC在数字系统中的应用 ADC和DAC的分类 ADC和DAC的主要性能指标：转换精度、转换速度,11.1 概述ADC和DAC在数字系统中的应用,A

2、DC和DAC在数字系统中的应用 * 数据测量/数据处理系统将自然界的模拟量，经传感器转换成电信号(电流或电压)，电模拟量通过ADC变成数字量，此数字量可由数字系统传输和处理。 * 程序控制系统将数字系统传输和处理的数字量，经DAC转换成电模拟量，再经模拟控制器实现对各种模拟量的控制。,11.1 概述ADC和DAC的分类,数-模转换器DAC,主要类型： 权电阻型、权电流、倒T型电阻型、权电容型、开关树型 权电阻网络DAC 倒T型电阻网络DAC 其它类型DAC 具有双极性输出的DAC 集成DAC 数-模转换器的主要参数,权电阻网络DAC,电路图： 计算电流： 设：开关Si接UR di=1 开关Si

3、接地 di=0,下一页,权电阻网络DAC（续1）,计算电压vO （对n位DAC）： 若取RF=R/2， 有：,返回,下一页,权电阻网络DAC（续2）,计算电压vO (取RF=R/2) 例1：对4位DAC，若输入d3 d2 d1 d0 =0110, VREF=10V， 例2：对8位DAC，若输入D=10011011, VREF =-10V，,返回,则输出vO =-10*(6)/16= - 3.75 (V),则输出vO =-(-10*(155)/256= 6.046875 (V),倒T型电阻网络DAC,电路图: 计算输出VO 倒T型电阻网络的特点: 由R和2R两种阻值构成; 误差小;转换速度快.,

4、返回,其它类型DAC,权电流型电路图: 权电容网络型电路图:,返回,开关树型电路图,具有双极性输出的DAC,双极性输出:当输入数字量有极性时，希望输出的模拟电压也对应为。 原理:(以3位DAC为例),继续,*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,具有双极性输出的DAC,电路实现:(以3位DAC为例) 计算输出VO 双极性网络的特点:,返回,偏移量 ；双极性输出,集成DAC,集成DAC芯片（两类型）: * 含DA(倒T型电阻)网络、模拟开关 * 含DA(倒T型电阻)网络、模拟开关、运算放大器 常用集成DAC芯片：8位；10位；16位等 集成DAC芯片的输入方式：并行

5、输入；串行输入 并行输入有：DAC0832（8位） 串行输入有：MAX515 （10位） 模拟开关电路（CB7520中的CMOS电路） 例：集成DAC0832,返回,模拟开关电路,CB7520 （AD7520） 10位AD转换器 CB7520中的CMOS模拟开关电路:,返回,数-模转换器的主要参数,模拟输出量VO: 转换精度： * 分辩率：对输出最小电压的分辨能力 分辨率= （ n - DAC的位数） DAC的位数越多，分辨率越高 * 转换误差：实际输出与理论值之间的偏差。一般由电路的参考电压、电阻的偏差、模拟开关的内阻、和导通压降、运算放大器的零点漂移等多种原因造成。 转换速度：指送入数字量

6、经DAC后输出模拟量达到稳态值所需要的时间。一般有：DAC的位数越多，转换时间越长。,返回,模-数转换器ADC,主要类型： *并联比较型 *反馈比较型(*计数型 *逐次渐近型) *双积分型ADC（V-T型）和V-F型 ADC的基本原理 并联比较型ADC 计数型ADC 逐次渐近型ADC 双积分型ADC（V-T型） 集成ADC和模-数转换器的主要参数,ADC的基本原理,A/D转换的基本步骤： 模拟信号 数字信号 采样和保持,返回,采样按一定的时间间隔取出模拟信号，即：将随时间变化的模拟信号变化为对应的离散信号。这一过程叫采样。为保证采样后的信号能反映原来的模拟信号，要求采样频率fs与输入模拟信号的

7、最高频率fimax满足关系：fs = 2fimax,保持采样后的模拟信号保持一段时间，以便进行模数转换。,量化和编码 量化将采样的电平值换算到与之相近的离散电平的过程，称为量化 编码将量化后的离散值用二进制代码表示，称编码,ADC的采样和保持,采样和保持波形说明： ui 输入的模拟信号 us 采样的控制信号 uo 输出的采样信号,返回,采样和保持电路： 组成：C、T管、 电压跟随器（运放） 工作原理： * 当采样的控制信号VL（高电平）到来后，T管导通，输入的模拟信号通过T存储在C上，uo=ui （称：采样）。 * 采样的控制信号结束（低电平），T管截止，电容C上的电压在一定时间内保持不变（称

8、：保持）。,ADC的量化和编码,量化和编码说明：,返回,(B)图： 4位ADC的量化和编码 将输入的最大值(满量程), 用0000 1111， 区分16个范围的值。,(A)图： 3位ADC的量化和编码 将输入的最大值(满量程), 000 111， 区分8个范围的值。,量化的两种方法：,ADC的量化方法,返回,将输入的最大值(满量程), 用000 111，按量化电平为：1/15区分,-将输入的最大值(满量程), 000 111，平均区分。 量化电平为：1/8,量化的两种方法(三位ADC举例)：,并联比较型ADC,电路图（3位ADC）： 组成: 分压器 比较器 寄存器(D触发器) 编码器(输出电路

9、) 工作原理： 输入信号经过7个参考电压的分压器和比较器，将比较结果送入触发器寄存。再经编码器输出3位数码。 （输入/输出的逻辑函数式见P (11.3.2) 表11.3.1） 电路特点：转换速度快。但电路复杂。,返回,并联比较型A/D转换器-量化及编码,并联比较型,量化及编码,返回,计数型ADC,电路图（4位ADC）： 组成: n位二进制计数器、 n位DA转换器、比较器、控制电路,返回,工作原理： 电路特点：,转换速度较快（T=(2n-1)TCLK )。,基本原理：取一个“D”加到DAC上，得到模拟输出电压，将该值与输入电压比较，如两者不等，则调整D的大小，到相等为止,则D为所求值。,计数型A

10、DC,电路图（4位ADC）：,返回,工作原理：,*转换前，计数器清零（状态Q n-1Q0=00), DAC 输出V0=0,当VL=1,AD转换开始。 n位加法计数器从0开始递增计数，并将其状态信号Q n-1Q0送入n位DAC中，DAC输出信号V0与Vi中进行比较; 当V0 Vi，重复（2）;,(4) 当V0 Vi， VC=0 ，G被封锁，CP=0 ，比较结束。此时计数器的状态为输出的数字量。,逐次渐近型ADC,电路图（n位ADC的结构框图和电路原理图）： 组成: 逐次渐近寄存器、n位DA转换器、比较器、控制电路,返回,工作原理： 电路特点：,转换速度较快（T=(n+2)TCLK )。,逐次渐近

11、型ADC,电路图（n位ADC的结构框图和电路原理图）： 组成: 逐次渐近寄存器、n位DA转换器、比较器、控制电路,返回,工作原理： 电路特点：,转换速度较快（T=(n+2)TCLK )。,逐次渐近型ADC工作原理(1),继续,工作原理：(设移位寄存器初始状态为10000),*转换前，计数器清零（状态Q n-1Q0=00), DAC 输出V0=0,当VL=1,AD转换开始。寄存器( QA QB QC )最高位预置为1 并将其状态信号Q n-1Q0（=1000）送入n位DAC中，DAC输出信号V0与Vi中进行比较,1 0 0 0 0,逐次渐近型ADC工作原理(2),返回,工作原理：,(3)当V0

12、Vi，将预置的1清除，同时将次高位预置为1。重复（2）,(4) 对n位寄存器最低位完成置数和比较后，转换结束。此时寄存器的状态为输出的数字量。(此时在CP作用下,Qn-1Q0 =0001,打开控制门,输出结果）,1 0 0 0 0,3位：5个CLK完成比较 N位: ( n+2)个CLK,双积分型ADC,电路图： 组成: 比较器和控制电路 n位数码寄存器 n位DAC n位ADC输出 工作原理：,* 控制信号UL=1时转换开始，输入信号Ui经开关S1对C进行积分,当积分到达时间T1时,第一次积分(采样)结束。 * 控制开关使S1接参考(基准)电压,对C进行第二次积分,当积分器输出电压上升到0V时,

13、转换结束 * 若第二次积分的时间为T2, 可证得:,返回,工作原理波形,电路特点:转换速度慢( 2n+1tCP ),但抗干扰能力强。,集成ADC,常用集成ADC芯片：4位；6位；8位等 集成ADC芯片的输出方式：并行输出；串行输出 并行输出有：ADC0809（8位） 串行输出有： 例：集成ADC0809,返回,模-数转换器的主要参数,分辩率（又称分解度）：ADC对输入信号的分辨能力 常以最低位（LSB）所对应的电压值表示。 分辨率（最小分辨电压）= （nADC的位数，V输入的满量程电压） 位数越多，分辨率越高。 转换速度：指ADC从接到转换控制信号起，到输出数字量达 到稳态值所需要的时间。 A

14、DC的转换时间主要取决于转换电路的类型。 转换误差：实际输出与理论值之间的偏差。 常用最低有效位的倍数来表示。 例如：相对误差=LSB/2，表示误差少于最低位1的一半。,返回,计算举例,例1：权电阻8位DAC，已知：UR =-10V， D=10011100，求：UO ？ 例2：8位DAC输出满度电压为8V，它的最小 分辨电压ULSB？若改为10位DAC，其分 辨电压ULSB ？ 例3：8位DAC中，已知满刻度电压为UOM =5V， 求最小分辨电压ULSB和分辨率？ 例4：8位ADC输入满量程为10V，当输入电压 为3.5V时，求输出D？,计算举例_1,例1：权电阻8位DAC，已知：UR =-1

15、0V， D=10011100，求：VO ？ 解:,返回,计算举例_2,例2：8位DAC输出满度电压为8V，它的最小 分辨电压VLSB？若改为10位DAC，其分辨电压VLSB ？ 解:,返回,计算举例_3,例3：8位DAC中，已知满刻度电压为UOM =5V，求最小分辨电压ULSB和分辨率？ 解:,返回,计算举例_4,例4：8位ADC输入满量程为10V，当输入电压为3.5V 时，求输出D？ 解:* 求最小分辨电压VLSB和3.5V对应的数值D * 求D对应的二进制数值(不考虑小数位),返回,小结,DAC和ADC的基本概念和功能 DAC数模转换器 ADC模数转换器 DAC的主要类型、特点和基本工作原理 权电阻、权电流型、倒T型 ADC的主要类型、特点和基本工作原理 并联比较型、计数型、逐次渐近型、双积分型 DAC和ADC的主要技术指标和相关计算,小结（续）,DAC和ADC的主要技术指标和相关计算 DAC的输出电压 (双极性),分辨率 最小分辨电压,转换速度: 并联比较型 计数型 逐次渐近型 双积分型 转换误差: （由参考电压、电阻、零点漂移等因素构成）,