铜陵学院 数字电子技术第8章数模和模数转换器.ppt

数字电子技术数字电子技术数字电子技术数字电子技术国防科学技术出版社学习要点：学习要点：数模和模数转换的基本原理及常用芯片应用第8章 数模和模数转换器第第第第5 5章章章章 数模和模数转换数模和模数转换数模和模数转换数模和模数转换8.1 D/A8.1 D/A转换器转换器l l8.1.1 D/A8.1.1 D/A8.1.1 D/A8.1.1 D/A基本原理基本原理基本原理基本原理 l8.1.2 8.1.2 权电阻网络权电阻网络DAC DAC l8.1.3 8.1.3 倒倒T T型电阻网络型电阻网络DAC DAC l8.1.4 D/A8.1.4 D/A转换器的输出方式转换器的输出方式 l8.1.5 DAC8.1.5 DAC的主要性能指标的主要性能指标 l8.1.6 8.1.6 集成集成D/AD/A转换器及其应用转换器及其应用 8.2 A/D8.2 A/D转换器转换器l l8.2.1 A/D8.2.1 A/D8.2.1 A/D8.2.1 A/D基本原理基本原理基本原理基本原理 l8.2.2 8.2.2 直接直接A/DA/D转换器转换器l8.2.3 8.2.3 间接间接A/DA/D转换器转换器l8.2.4 ADC8.2.4 ADC的主要性能指标的主要性能指标l8.2.5 8.2.5 集成集成A/DA/D转换器及其应用转换器及其应用目 录8.1 D/A转换器转换器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。8.8.1 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。转转转转换换换换特特特特性性性性D/A转换器的转换特性，是指其输出模拟量和输入数字量之间的转换关系。图示是输入为3位二进制数时的D/A转换器的转换特性。理想的D/A转换器的转换特性，应是输出模拟量与输入数字量成正比。即：输出模拟电压 uo=KD或输出模拟电流io=KiD。其中K或Ki为电压或电流转换比例系数，(N)B为输入二进制数所代表的十进制数。如果输入为n位二进制数dn-1dn-2d1d0，则输出模拟电压为：8.1.2 权电阻网络权电阻网络DAC不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接到地，也就是不论输入数字信号是1还是0，各支路的电流不变的。（；）分别从虚线A、B、C、D处向右看的二端网络等效电阻都是R。不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接到地，也就是不论输入数字信号是1还是0，各支路的电流不变。8.1.3 倒倒T型电阻网络型电阻网络DAC单极性输出8.1.4 D/A转换器的输出方式转换器的输出方式在前面介绍的D/A转换器中，输入的数字量均为正数，即二进制数的每1位都是数值位。根据电路形式或参考电压的极性不同，输出电压或为0V到正满度值，或为0V到负满度值，D/A转换器处于单极性输出方式。采用单极性输出方式时，数字输入量采用自然二进制码。双极性输出 实际上D/A转换器输入的数字量有正有负，这就要求D/A转换器能够把它们对应转换为正、负极性的模拟电压输出，工作于双极性方式。采用双极性输出时常用的编码有2的补码、偏移二进制码等。（1）分辨率分辨率用输入二进制数的有效位数表示。在分辨率为n位的D/A转换器中，输出电压能区分2n个不同的输入二进制代码状态，能给出2n个不同等级的输出模拟电压。分辨率也可以用D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压的比值来表示。10位D/A转换器的分辨率为：（2）转换精度D/A转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想值之差，即最大静态转换误差。（3）输出建立时间从输入数字信号起，到输出电压或电流到达稳定值时所需要的时间，称为输出建立时间。8.1.5 D/A转换器的主要性能指标转换器的主要性能指标8.1.6 集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用功能控制条件功能说明ILE数据DI0DI7输入到输入寄存器01001存入数据01101锁定数据转送到DAC寄存器01100存入数据01101锁定从输出端读出模拟信号XXXXX无控制信号随时可取DAC0832功能表 模拟电子开关S在采样脉冲CPS的控制下重复接通、断开的过程。S接通时，ui(t)对C充电，为采样过程；S断开时，C上的电压保持不变，为保持过程。在保持过程中，采样的模拟电压经数字化编码电路转换成一组n位的二进制数输出。8.2 A/D转换器转换器8.2.1 A/D转换基本原理转换基本原理t0时刻S闭合，CH被迅速充电，电路处于采样阶段。由于两个放大器的增益都为1，因此这一阶段uo跟随ui变化，即uoui。t1时刻采样阶段结束，S断开，电路处于保持阶段。若A2的输入阻抗为无穷大，S为理想开关，则CH没有放电回路，两端保持充电时的最终电压值不变，从而保证电路输出端的电压uo维持不变。量化与编码0uiVREF/14时，7个比较器输出全为0，CP到来后，7个触发器都置0。经编码器编码后输出的二 进 制 代 码 为 d2d1d0000。VREF/14ui3VREF/14时，7个比较器中只有C1输出为1，CP到来后，只有触发器FF1置1，其余触发器仍为0。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0=001。8.2.2 直接直接A/D转换器转换器3VREF/14 ui5VREF/14时，比较器C1、C2输出为1，CP到来后，触发器FF1、FF2置1。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0010。5VREF/14ui7VREF/14时，比较器C1、C2、C3输出为1，CP到来后，触发器FF1、FF2、FF3置1。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0=011。依此类推，可以列出ui为不同等级时寄存器的状态及相应的输出二进制数。2.反馈比较型A/D转换器反馈比较型A/D转换器也是一种直接A/D转换器。工作原理是：取一个数字量加到D/A转换器上，于是得到一个对应的输出模拟电压。将这个模拟电压信号和输入的模拟电压信号相比较，如果两者不相等，则调整所取的数字量，直到两个模拟电压相等为止，最后所取的这个数字量就是所求的转换结果。在反馈比较型A/D转换器中经常采用的有计数型和逐次渐近型两种方案。转换电路由比较器C、D/A转换器、计数器、脉冲源、控制门G及输出寄存器等部分组成。3.逐次渐进型A/D转换器转换器的电路包含比较器C、D/A转换器、寄存器、时钟脉冲源和控制逻辑等5个组成部分。转换开始前，先使Q1=Q2=Q3=Q4=0，Q5=1，第一个CP到来后，Q1=1，Q2=Q3=Q4=Q5=0，于是FFA被置1，FFB和FFC被置0。这时加到D/A转换器输入端的代码为100，并在D/A转换器的输出端得到相应的模拟电压输出uo。uo和ui在比较器中比较，当若uiuo时，比较器输出uc=1；当uiuo时，uc=0。第二个CP到来后，环形计数器右移一位，变成Q2=1，Q1=Q3=Q4=Q5=0，这时门G1打开，若原来uc=1，则FFA被置0，若原来uc=0，则FFA的1状态保留。与此同时，Q2的高电平将FFB置1。第三个CP到来后，环形计数器又右移一位，一方面将FFC置1，同时将门G2打开，并根据比较器的输出决定FFB的1状态是否应该保留。第四个CP到来后，环形计数器Q4=1，Q1=Q2=Q3=Q5=0，门G3打开，根据比较器的输出决定FFC的1状态是否应该保留。第五个CP到来后，环形计数器Q5=1，Q1=Q2=Q3=Q4=0，FFA、FFB、FFC的状态作为转换结果，通过门G6、G7、G8送出。工作原理工作原理工作原理工作原理基本原理基本原理：对输入模拟电压和基准电压进行两次积分，先对输入模拟电压进行积分，将其变换成与输入模拟电压成正比的时间间隔T1，再利用计数器测出此时间间隔，则计数器所计的数字量就正比于输入的模拟电压；接着对基准电压进行同样的处理。8.2.3 间接间接A/D转换器转换器准备阶段：转换开始前，CR信号将计数器清零，开关S2闭合，使积分电容完全放电完毕。启动脉冲到来时转换开始，S2断开，同时S1与vI接通。取样阶段：段所示 比较阶段：V-F变换型A/D转换器中，首先将输入的模拟电压信号换成与之成比例的频率信号，然后在一个固定的时间间隔里对得到的频率信号计数，所得到的计数结果就是正比于输入模拟的数字量。（1）分辨率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。例如，输入模拟电压的变化范围为05V，输出8位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V2820mV；而输出12位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V2121.22mV。（2）相对精度在理想情况下，所有的转换点应当在一条直线上。相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。（3）转换速度转换速度是指完成一次转换所需的时间。转换时间是指从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间。8.2.4 ADC的主要性能指标的主要性能指标8.2.5 集成集成A/D转换器及其应用转换器及其应用ADC0809是AD公司的8位逐次比较型ADC，转换时间为100s，+5V电源供电，可对05V的模拟信号进行转换，可接入8个模拟量输入。AD574是12位逐次比较型A/D转换器。转换时间为25s，转换精度为0.05%，由于芯片内有三态输出缓冲电路，因而可以直接与各种典型的8位或16位微处理器相连，而无须附加逻辑接口电路，且能与CMOS及TTL兼容。