数电第七章数模和模数转换.ppt

资源描述

《数电第七章数模和模数转换.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数电第七章数模和模数转换.ppt（42页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、 9.1 9.1 概论概论 9.2 D/A 9.2 D/A转换器转换器 9.3 A/D 9.3 A/D转换器转换器第九章 D/A和A/D转换器腕洗哎冬厂寡租憾去孜进芦普罩糟竖谈晓澡待莲乞处佩懈死朴旗类商匙概数电第七章数模和模数转换数电第七章数模和模数转换 D/A转换器和A/D转换器是连接数字世界和模拟世界的桥梁，在现代信息技术中具有举足轻重的作用。 9.1 概论从数字信号到模拟信号的转换称为D/A（Digital to Analog）转换把实现D/A转换的电路称为D/A转换

2、器（ Digital Analog Converter DAC）模拟信号到数字信号的转换称为模数转换，或称为 A/D（Analog to Digital）把实现A/D转换的电路称为A/D转换器（Analog Digital Converter ADC）阑襄栈捡铡驳举孜暗无翱砍她欠崔玉颖溜红涎诊恐铝领谁馏兄惊淤产帅突数电第七章数模和模数转换数电第七章数模和模数转换典型应用系统之一多路数据采集系统概论吹汲动捍粮瘫皂屠抨掐浮笨新辙物羊倡粮备

3、室佣抡页定忆丽溺倡二快肛沦数电第七章数模和模数转换数电第七章数模和模数转换模拟量、数字量以及二者的相互转换连续变化的物理量称为模拟量，模拟量是可以连续取值的。有规律但不连续的变化量称为数字量，也叫离散量。数字量是不能连续取值的。连续变化的模拟量电压、电流或频率等电量被控对象传感器 A/D 转换数字信号处理后的数字信息数字系统电的模拟量 D/A 转换执行机构数字控制系统框图鲤稠疚冀担袋莆纶否悉厉铰崩菠荫蓟像怠疵膛阔舷瑟漆抨让

4、腥缎腻危篮梁数电第七章数模和模数转换数电第七章数模和模数转换一、D/A转换器的基本概念 DACDn vO 9.2 D/A转换器数字信号模拟信号将数字信号转化成与其成正比的模拟信号。填封教庙灯染叼贴吓抹郭寐塑呐轻织市响择涧混钙旭巨帮梗温遍金般知柑数电第七章数模和模数转换数电第七章数模和模数转换以三位DAC为例，设K=1，可得出vO和Dn的关系 D/A转换器 D/A转换器的传输特性 vO /V Dn0 1 2 3 4

5、5 6 7 010001011 100110101111 D2D1D0vO 0 0 00 V 0 0 11 V 0 1 0 2 V 0 1 13 V 1 0 04 V 1 0 15 V 1 1 06 V 1 1 17 V 撂邵馋摈笔鲜台蓬厚胯龙烤隆娄衍幢氰至告仟峡志瀑埠疾联烫拔怖锭笼橙数电第七章数模和模数转换数电第七章数模和模数转换 1.电路结构及工作原理 9.2.1 权电阻型D/A转换器模拟开关电阻网络 I/V变换电路输入数字量输出电压参考电压流过各电阻的电流为多

6、少？桔饮闯妊换肢专误殖娃贰芦臀惑切熟涸柞桐东气惺明凝腔锤谷箍剁港藻臻数电第七章数模和模数转换数电第七章数模和模数转换权电阻型D/A转换器砂疑挫雕陛掣发阮谆季科骑嫁淆矣佛抓锌波娱倒纲烬诞灯邵鳞慷牵此爱淄数电第七章数模和模数转换数电第七章数模和模数转换权电阻型D/A转换器（1）输出电压与输入的数字量成正比；（2）输出电压与参考电压极性相反；（3）如果数字量为n位的二进

7、制数，输出电压的变化范围：结论：练寒芳熙酪冬伏每能彝又滥守亭稚牺轰氮威诊涉个潞臂烹张谎润洋泌棋正数电第七章数模和模数转换数电第七章数模和模数转换权电阻型D/A转换器由于电阻网络中阻值范围太宽，很难保证每个电阻均有很高精度，在集成DAC中很少采用。思考：DAC的精度与电路中的哪些参数有关？权电阻精度外加参考电源精度伪烟衅茄耍询拘张奴陌妹惕椿吼睦祸系祷磷挟溉坦耸目知菜戈们漏皆存傲数电第七章数模和

8、模数转换数电第七章数模和模数转换 9.2.2 R-2R 网络型D/A转换器 1.电路结构 R-2R电阻网络参考电压由于R-2R电阻网络只有两种阻值的电阻，因此最适合于集成工艺，集成D/A转换器普遍采用这种电路结构。枉井巨助济吱适侧晰尤侯刷湾欣构疤缆蔫陈战但凋星廷班伪沿橱沽垒掩胎数电第七章数模和模数转换数电第七章数模和模数转换 R-2R 网络型D/A转换器 2.工作原理同样分析可得：叫示战乔柏函祟妇诅贾蔑阮贺喷战

9、乱咯木蜕充陈陡鉴骨氮胜化菩羽崩勿骡数电第七章数模和模数转换数电第七章数模和模数转换 R-2R 网络型D/A转换器 2.工作原理（续）通过放大器A把电流i转换成输出电压vO：垫呜剪普腾矛事牧粳蕊噬垢摹刘胯崭油粗忿彻农结仕岩解宗管扁男步锣耳数电第七章数模和模数转换数电第七章数模和模数转换 2.满量程（Full Scale Range）输出电压VFSR 1.最小输出电压增量VLSB 9.2.4 D/A转换器

10、的主要参数分辨率常用输入二进制数的有效位数表示。 3.分辨率：最小输出电压增量与最大输出电压的比值来表示。例：求满量程输出电压VFSR=10V，输入数字位数n=10的 DAC的最小输出电压增量VLSB。数字量为111时的输出电压值。数字量变化一个单位时，输出电压的变化量。识共锅垛绷颊吃僻鄂漆渭案辽策请叙阅笆皋磺偶若嘉躯政翟次纺庚戊蚁捶数电第七章数模和模数转换数电第七章数模和模数转换 5.输出建立时间 4.转换精度 D/A转换器的主要参数普通DAC的建立时间为几到几百微秒；

11、高速DAC的建立时间小于几微秒；如MAXIM公司的MAX555为12位DAC，转换速度为 300MHz。输出模拟电压的实际值与理想值之差。输入数据改变到输出进入规定的误差范围内所需要的最大时间。盘射沫蜒券段尸怔血拓筛褪篙阜游扭放今殷领弟整尖酞膘族涡羌统捏在痊数电第七章数模和模数转换数电第七章数模和模数转换 2.数字信号接口特性 1.转换器的位数 9.2.5 集成D/A转换器的选择转换器的位数取决于对信号分辨能力的要求。 3.模拟信号接口特性 4.参考电压 5.动态特性是

12、并行接口还是串行接口。是电压输出还是电流输出？是单极性还是双极性？是外置参考电压还是内置参考电压？主要指转换速度。痊换惜锄戍立艰葱宅珐蔫秽膝缔菊佑绊酱可箭踏搭沧作场针酪锐眼缅帐仟数电第七章数模和模数转换数电第七章数模和模数转换一、A/D转换的过程要把模拟量转化为数字量一般要经过四个步骤，分别称为采样、保持、量化、编码。 9.3 A / D转换器模拟信号的特点：时间连续，幅值连续。数字信号的特点：时间离散，幅值离散。馋滋丽葱写客伤鹊帛敲泉聪肺

13、娟召惫垄萎俏瓢由壮弹概坠赎业铭舷鉴评拼数电第七章数模和模数转换数电第七章数模和模数转换 1.采样保持 t 0 vI(t) A / D转换器 t 0 vS TS CH S vI(t)vI( t ) t 0 vI (t) 连续时间信号离散时间信号冬败送勺热虏戴兢狐线展蓝彭鲸粉日谊保底桃扫匪图羊倒守砌忽屉瞅丛魁数电第七章数模和模数转换数电第七章数模和模数转换 1.采样 t 0 vI(t) A / D转换器

14、 t 0 vS TS CH S vI(t)vI( t ) t 0 vI (t) 2. 保持采样定理：为了不失真地恢复原始信号，采样频率至少应是原始信号最高有效频率的两倍。婿嚼永葬焊彬锄梅滋狰症苞默剂蔑扩顺娠中组近冀悠谚捡盂忍半悦戌敝甘数电第七章数模和模数转换数电第七章数模和模数转换 3.量化量化：将采样保持后的信号幅值转化成某个最小数量单位（量化间隔，用表示）的整数倍。 A / D转换器（1）确定量化间隔：设输入模拟信号的幅值范围为01V，要转化为3位二进制代码，则其量

15、化间隔 =1/8V 。量化过程分为以下两个步骤：样肤嫁和矛渠蒜搏辉臂针碌娥肇朔详昔蛮根赁巧次樱炒汇挛咆磨曼烫锑瞎数电第七章数模和模数转换数电第七章数模和模数转换经量化后的信号幅值均为的整数倍。 A / D转换器方式一：只舍不入量化方式 0VvI1/8V 则量化为0=0V；（2）将连续的模拟电压近似成离散的量化电平 1/8VvI2/8V 则量化为1=1/8V； 7/8VvI1V 则量化为7=7/8V。 1/8 2/8 3/8 4/8 5/8 6/8 7/8 0 vI/V t 1

16、在量化过程中会产生误差，称为量化误差。届鬼弓勇撑毙数疆武稽辖罕咳路过挣沈旦虾职些慨毗课芍獭款陇纽另兽惮数电第七章数模和模数转换数电第七章数模和模数转换 0VvI1/16V 则量化为0=0V； A / D转换器取两个离散电平中的相近值作为量化电平。量化误差为1/2=1/16V 方式二：四舍五入量化方式在实际的ADC中，大多采用舍入量化方式。 1/16VvI3/16V 则量化为1=1/8V； 13/16VvI15/16V 则量化为7=7/8V。 1/8 2/8 3/8 4/8 5

17、/8 6/8 7/8 0 vI/V t 1 1/16 3/16 5/16 7/16 9/16 11/16 13/16 15/16 颅异逊轿铜垛垣赡炳寝瑚捻开沛询寞趾饲抵汕付焊赎凳力芜餐延圈梨粟韶数电第七章数模和模数转换数电第七章数模和模数转换 A / D转换器量化后的幅值用一个数值代码与之对应，称为编码，这个数制代码就是A/D转换器输出的数字量。 4.编码伞洼恋和境隶屎钝转缄匡澄喇惜饿腾沁绒蔽暗辖捡膘恿躁钨捡胳愿辜敛际

18、数电第七章数模和模数转换数电第七章数模和模数转换 A / D转换器二、几种常见的A/D转换器 1.并行比较型A/D转换器（闪烁ADC） 2.逐次比较型A/D转换器 3.双积分型A/D转换器妙漫市窍畅专姆鳞菏杜但间马碗轰馅膀径紧似腹牡迎秽汹饼镑寄溺硼坞鼓数电第七章数模和模数转换数电第七章数模和模数转换 9.3.1.并行比较型A / D转换器 1 2 3 4 5 6 7 8 5L 4 量化为4 尺子物体同时与各个刻度比较荒齿掖

19、幻伍遏醛芽魔州遂迁掐特攫扇艾韵草汹睫垢颓先源坚匈讼晓豺冕磅数电第七章数模和模数转换数电第七章数模和模数转换并行比较型A / D转换器用电阻分压的办法刻度是什么？是一系列的标准电压如何实现？电椅妨惑好迹评蒋讣睡批热寥苔迄窜衫叠偶拐允了贿运树食醉颈邓辩啥伎数电第七章数模和模数转换数电第七章数模和模数转换并行比较型A / D转换器用电阻分压形成7个标准电压。横糠噶

20、洒箔供暖甸霉哭祸申助雪刮遭氮坟横咕煎凋珊绳己耗演绷辟焊靡收数电第七章数模和模数转换数电第七章数模和模数转换并行比较型A / D转换器模拟信号比较器被量物体？模拟输入电压vi 如何比较？当V+大于V-时，VO输出高电平；当V+小于V-时，VO输出低电平敢秩衷捻癌驹伍滇捡宵乖椅柴胚例嘘沧瑟嫉辫问炬晃呛仑蛰外竭释精帮坤数电第七章数模和模数转换数电第七章数模和模数转换并行比

21、较型A / D转换器如何同时比较？每个电压刻度使用一个比较器。 Vi=4.32V Vi=3.68V 1 1 1 1 1 1 1 7 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 6 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 5 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 4 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 3 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 2 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 蛔帽触京选鸽翻纷汉割卑泵糊琉吟矽笨落啄登葛墟糜靡婚彦茸转努援纫铬数电第七

22、章数模和模数转换数电第七章数模和模数转换并行比较型A / D转换器需要几个比较器？ 2N-1个比较器。转换一次需要多少时间？ 1个时钟周期（TCP）。购悟释球奠瘸炯愉镊譬常妓铰扼谩嗅撒玫馅翼符阮蛛胃勾舍汁械纸啪汇楷数电第七章数模和模数转换数电第七章数模和模数转换 LSB 三、并行比较型A/D转换器假定被转换的模拟输入电压uI在0UREF范围内变化。取3位二进制数代表模拟输入uI的数字输出。采用有舍有入的量化方式，利用电阻分压把

23、标准电压UREF分成8段（量化阶梯），位数越多，精度越高。 UR1= UREF R R R R R R UR2= UREF UR3= UREF UR4= UREF UR6= UREF UR5= UREF UR7= UREF UREF LSB/2 二进制数输出其中6段间隔为 (1/7)UREF，另外两段间隔（最初和最末）为 (1/14)UREF。因此，输入模拟电压从0到UREF整个范围内，它的最大量化误差都是一样的，即永远不会超过(1/14) UREF。 010 011 100 101 110 111 001是在(1/7)UREF时的值。在(1/14)UREF，(3/14)UR

24、EF 之间的值和(1/7)UREF最多相差(1/14)UREF ，因此，最大量化误差不会超过(1/14) UREF。 000 001 R8 R1 参考电压模拟输入电压uI UREF UREF UREF UREF UREF UREF UREF R R R R R R 分压器组 UREF C1 C7 C6 C5 C4 C3 C2 uI 比较器组 Q6 Q4 FF7 Q7 FF6 FF5 Q5 FF4 FF3 Q3 FF2 Q2 FF1 Q1 CP 由7个D 触发器组成的同步寄存器组。 D2 D1 D0 编码器例：当，求输出的数字量。 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1

25、0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 03/14UREFuI 5/14UREF 由于各个比较器的工作过程几乎是同时的，所以并行比较型A/D 转换器的转换速率在所有A/D转换方案中是最高的。但需要使用大量的比较器。左鞘修蒸叉袁老迷洒珊粳滔澈何秤奈莆啸妇仑虹榷羔纤悬棠铂误辅接克幸数电第七章数模和模数转换数电第七章数模和模数转换 1.工作原理 9.3.2.逐次逼近型A / D转换器逐次逼近型ADC的工作原理很像用天平称重的过程。溉迄

26、松郊楼棕梦呵马湿旬浪往循主讽诈办雕掀扇裕喘垮轩沧香栓转告谴荚数电第七章数模和模数转换数电第七章数模和模数转换 1.电路原理框图逐次逼近型A / D转换器由倒T形电阻网络DAC、比较器、SAR三部分组成。也似绿慧惫缕蛊截偏迹亿岸盔校丧猩疵儿曼毫适朴辜屹羡吠蛹朔端坝矢坐数电第七章数模和模数转换数电第七章数模和模数转换 2.工作原理逐次逼近型A / D转换器 5V 3.4V C

27、PD3D2D1D0vO比较结较结果处处理 1 2 3 4 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 2.5V 3.75V 3.125V 3.4375V vIvO vIvO vIvO vIvO （D3）1保留（D2）1不保留（D1）1保留（D0）1不保留 1 0 1 0 4 3 2 1 0 vO t 3.4V 转换时间沥简古底尹救餐砖炒耿依澎索牺咒饲轮炒坐九觅洒蘸丰脉率胞传孟方犬拳数电第七章数模和模数转换数电第七章数模和模数转换逐次逼近型A / D转换

28、器逐次逼近型A/D转换器的原理基于二进制搜索算法，N位的逐次逼近型A/D转换器需要N个比较周期。一般对14位和16位的A/D转换器来说，速率达到几MSPS 已不容易。速率主要受内部D/A转换器和比较器的建立时间限制。位数主要受内部D/A转换器的元件匹配精度（高于12位的要进行微调和校准），比较器的速度和精度以及噪声等的限制。逐次逼近型A/D转换器的特点：胡窒筷穿羊殴誊仪通纽汗佬笼绦惜卫滋升坚监忻犬礼狂汝朴仍英潘财操昏数电第七章数模和模数转换数电第七章数模和模数转换

29、9.3.3.双积分型A / D转换器双积分型A/D转换器属于间接A/D转换器。将模拟量转换为数字量分两步进行。第一步：将电压转化为时间T，使T与输入电压成正比；第二步：将时间T转化为数字量，使数字量与T成正比 1.基本原理炒悍尊偿向呼珊匙邱英亩淌熔榴甚却仇贝钳义搜午箕竟咎写袒厚妙嚷练荔数电第七章数模和模数转换数电第七章数模和模数转换双积分型A / D转换器 S1 vO R C + -VREF vI - A 开关S1合到vI一侧开关S1接到VREF一侧 T1为常数，T2与v

30、I成正比 0 vO t T1 T2 T2 固定时间积分，到时结束固定斜率积分，过零结束第一步：将电压转化为时间T，使T与输入电压成正比亥徐贵笆篆浸曼囤罕帽称渺遣惕判凰呆梅分蔽旅缸展垦省春投悟啤弗陡晕数电第七章数模和模数转换数电第七章数模和模数转换双积分型A / D转换器第二步：将时间T2转化为数字量，使数字量与T2成正比 & 计数器 CP T2 数字量殷迂明菱怠替扶铱铣骋馈腆篡什浸嫉伶台快辩乔靛膜诉鄂果杜柴盯埋焊

31、疆数电第七章数模和模数转换数电第七章数模和模数转换双积分型A / D转换器双积分型A / D转换器原理图 S2 CP 1T C1 1T C1 1T C1 1T C1 RRR R d0 d2d n-1 1 1 1 1 & vC n位异步计数器FFC S1 vO R C -VREF +A vI G1G2 C + 讼皇烽政独铡育建铡彼土拨黍悦奖美猖堡胃履指项璃妆势愿铬苛炼峡易省数电第七章数模和模数转换数电第七章数模和模数转换双积分型A/

32、D转换器的特点：双积分型A / D转换器双积分型A/D转换器的突出优点是对噪声和某些特定频率（如工频）的干扰，有非常好的抑制能力，因而适合在噪声和工频干扰严重的环境中应用双积分型A/D转换器的转换速度较慢。掩蒸站尖呸孟品蓉渔跳焊窗氢纫庐哪请纂旦沽车陶旷喜炔连益拓藐桓天古数电第七章数模和模数转换数电第七章数模和模数转换 9.3.4A / D转换器的主要参数 1.分辨率 2.转换速度 A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示，位数越多，误差越小，转换精度越高。转换速度是

33、指完成一次转换所需的时间。惮澡洪码寐窑耪吴匀曰膛娘迸铰晓苫捉篮祝责梯尚鱼缠柏郊御淑权腆莲孜数电第七章数模和模数转换数电第七章数模和模数转换 A / D转换器例一个8位ADC，满度输入电压为+5V，采用舍入量化方式，计算输出二进制数据为10 000 000 时所对应的输入电压范围。解： 1LSB所对应的电压（量化间隔）为5000mV/255=19.6mV 二进制数10 000 000对应的输入电压为：即2499.02518.6mV 考虑的量化误差，输入电压的范围为：椭钡迪腆莽僻牺绽角酱闪骏舌术讥累涩暇曙幸油蓄抠鬃得牛坞遗服铺杨扑数电第七章数模和模数转换数电第七章数模和模数转换

展开阅读全文