数模和模数转换 (2)课件.ppt

关于数模和模数转换(2)04.04.20231第1页，此课件共36页哦04.04.20232概述概述概述概述9.1 D/A9.1 D/A转换器转换器转换器转换器9.2 A/D9.2 A/D转换器转换器转换器转换器退出退出退出退出第第9 9章章 数模转换与模数转换器数模转换与模数转换器第2页，此课件共36页哦04.04.20233概述概述能能将将模模拟拟量量转转换换为为数数字字量量的的电电路路称称为为模模数数转转换换器器，简简称称A/D转转换换器器或或ADC；能能将将数数字字量量转转换换为为模模拟拟量量的的电电路路称称为为数数模模转转换换器器，简简称称D/A转转换换器器或或DAC。ADC和和DAC是是沟沟通通模模拟拟电电路路和和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口。数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口。第3页，此课件共36页哦04.04.202349.1 D/A转换器转换器9.1.1 D/A9.1.1 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理转换器的基本原理转换器的基本原理9.1.2 9.1.2 倒倒倒倒T T形电阻网络形电阻网络形电阻网络形电阻网络D/AD/A转换器转换器转换器转换器9.1.5 D/A9.1.5 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标退退退退 出出出出第4页，此课件共36页哦04.04.202359.1.1 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，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。了从数字量到模拟量的转换。基基基基本本本本原原原原理理理理第5页，此课件共36页哦04.04.20236转转转转换换换换特特特特性性性性D/A转转换换器器的的转转换换特特性性，是是指指其其输输出出模模拟拟量量和和输输入入数数字字量量之之间间的的转转换换关关系系。图图示示是是输输入入为为3位位二二进进制制数数时时的的D/A转转换换器器的的转转换换特特性性。理理想想的的D/A转转换换器器的的转转换换特特性性，应应是是输输出出模模拟拟量量与与输输入入数数字字量量成成正正比比。即即：输输出出模模拟拟电电压压 uo=KuD或或输输出出模模拟拟电电流流io=KiD。其其中中Ku或或Ki为为电电压压或或电电流流转转换换比比例例系系数数，D为为输输入入二二进进制制数数所所代代表表的的十十进进制制数数。如果输入为如果输入为n位二进制数位二进制数dn-1dn-2d1d0，则输出模拟电压为：，则输出模拟电压为：第6页，此课件共36页哦04.04.20237 D/A转换器原理电路转换器原理电路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。第7页，此课件共36页哦04.04.20238设RF=R/2第8页，此课件共36页哦04.04.202399.1.2 9.1.2 倒倒T T形电阻网络形电阻网络D/AD/A转换器转换器希望用较少类型的电阻，仍然能得到一系列权电流第9页，此课件共36页哦04.04.202310RRRR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。第10页，此课件共36页哦04.04.2023119.1.2第11页，此课件共36页哦04.04.202312第12页，此课件共36页哦04.04.202313习题9.1.1第13页，此课件共36页哦04.04.202314 集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用第14页，此课件共36页哦04.04.202315（1）分辨率）分辨率(理论精度）理论精度）分分辨辨率率用用输输入入二二进进制制数数的的有有效效位位数数表表示示。在在分分辨辨率率为为n位位的的D/A转转换换器器中中，输输出出电电压压能能区区分分2n个个不不同同的的输输入入二二进进制制代代码码状状态，能给出态，能给出2n个不同等级的输出模拟电压。个不同等级的输出模拟电压。分分辨辨率率也也可可以以用用D/A转转换换器器的的最最小小输输出出电电压压与与最最大大输输出出电电压压的比值来表示。的比值来表示。10位位D/A转换器的分辨率为：转换器的分辨率为：9.1.5第15页，此课件共36页哦04.04.2023169.1.5 D/A转换器的主要技术指标2.转换精度（实际精度）转换精度（实际精度）D/A转换器的转换精度是指输出模拟电压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，即最大静态转换的实际值与理想值之差，即最大静态转换误差。误差。有时也用绝对误差与输出有时也用绝对误差与输出 电压满刻度的百分数来表示电压满刻度的百分数来表示第16页，此课件共36页哦04.04.202317误差分析第17页，此课件共36页哦04.04.202318第18页，此课件共36页哦04.04.2023193.转换速度转换速度（1）建立时间）建立时间（2）转换速率）转换速率（3）温度系数）温度系数第19页，此课件共36页哦04.04.202320本节小结：D/A转换器的功能是将输入的二进制数字信号转转换器的功能是将输入的二进制数字信号转换成相对应的模拟信号输出。换成相对应的模拟信号输出。D/A转换器根据工作原转换器根据工作原理基本上可分为二进制权电阻网络理基本上可分为二进制权电阻网络D/A转换器和转换器和T型电型电阻网络阻网络D/A转换器两大类。由于转换器两大类。由于T型电阻网络型电阻网络D/A转换转换器只要求两种阻值的电阻，因此最适合于集成工艺，集器只要求两种阻值的电阻，因此最适合于集成工艺，集成成D/A转换器普遍采用这种电路结构。转换器普遍采用这种电路结构。如如果果输输入入的的是是n位位二二进进制制数数，则则D/A转转换换器器的的输输出电压为：出电压为：第20页，此课件共36页哦04.04.2023219.2 A/D转换器转换器9.2.1 A/D9.2.1 A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程转换的一般工作过程转换的一般工作过程9.2.2 9.2.2 并行比较型并行比较型并行比较型并行比较型A/DA/D转换器转换器转换器转换器9.2.3 9.2.3 逐次比较型逐次比较型逐次比较型逐次比较型A/DA/D转换器转换器转换器转换器退出退出退出退出第21页，此课件共36页哦04.04.2023229.2.1 A/D的一般工作过程的一般工作过程模拟电子开关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。第22页，此课件共36页哦04.04.202323t0时刻S闭合，CH被迅速充电，电路处于取样阶段。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。第23页，此课件共36页哦04.04.2023242.2.量化和编码量化和编码1.1.量化：将数值连续的模拟量转换为数字量的过程。量化：将数值连续的模拟量转换为数字量的过程。2.2.量化误差：当采样电压不能被量化误差：当采样电压不能被整除时，将引入量化误差整除时，将引入量化误差3.3.2.2.编码：将量化的结果用代码表示出来（二进制，二编码：将量化的结果用代码表示出来（二进制，二-十进制）十进制）舍尾取整法四舍五入法第24页，此课件共36页哦04.04.2023259.2.2 并行比较型并行比较型A/D转换器转换器量化第25页，此课件共36页哦04.04.202326输入量化 编码111110101100011010001000习题9.2.1第26页，此课件共36页哦04.04.2023272、特点、特点*快，快，CLK触发信号到达到输触发信号到达到输出稳定建立只需几十纳秒出稳定建立只需几十纳秒*精度，受参考电压、分压精度，受参考电压、分压 网络等因素影响网络等因素影响*有存储器，不需要有存储器，不需要S/H电路电路*电路规模，电路规模，n位需要位需要2n-1比较器，比较器，触发器触发器第27页，此课件共36页哦04.04.202328第28页，此课件共36页哦04.04.202329转换开始前先将所有寄存器清零。开始转换以后，时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为1000。这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压uo，送到比较器中与ui进行比较。若uiuo，说明数字过大了，故将最高位的1清除；若uiuo，说明数字还不够大，应将这一位保留。然后，再按同样的方式将次高位置成1，并且经过比较以后确定这个1是否应该保留。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。原原原原理理理理框框框框图图图图基基基基本本本本原原原原理理理理第29页，此课件共36页哦04.04.2023303 3位逐次比较型位逐次比较型位逐次比较型位逐次比较型A/DA/D转换器转换器转换器转换器第30页，此课件共36页哦04.04.202331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第31页，此课件共36页哦04.04.202332基本原理基本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。原理电路原理电路原理电路原理电路第32页，此课件共36页哦04.04.202333第33页，此课件共36页哦04.04.202334（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）转换时间转换时间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。第34页，此课件共36页哦04.04.2023359.2.6 集成集成A/D转换器及应用转换器及应用第35页，此课件共36页哦04.04.2023感感谢谢大大家家观观看看第36页，此课件共36页哦