第8章数模和模数转换优秀课件.ppt
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1、第第8章章 数模和模数转数模和模数转换换第1页,本讲稿共76页8.1 概概 述述 随着数字计算机的迅速发展,其应用越来越广,特别是计算机在自动控制、自动检测、通信、生物工程、医疗等其他领域中的广泛应用。由于数字计算机只能处理数字信号,因此需要将模拟信号转换成数字信号后才能送给数字系统进行处理。同时,往往还需要把处理后得到的数字信号再转换成相应的模拟信号,作为最后的输出。第2页,本讲稿共76页我们把将数字信号转换成模拟信号的电路或器件称为数字模拟转换器,又称D/A转换器或称DAC;将模拟信号转换为数字信号的电路或器件称为模拟数字转换器,又称A/D转换器或称ADC。为了保证数据处理的准确性,D/A
2、转换器和A/D转换器必须有足够的精度,同时,为了适应快速过程的控制和检测的需要,D/A转换器和A/D转换器还必须有足够快的转换速度。因此,转换精度和转换速度乃是衡量D/A转换器和A/D转换器性能优劣的主要标志。本章主要介绍D/A转换器和A/D转换器的基本原理和常见的典型电路。第3页,本讲稿共76页目前常见的D/A转换器中有权电阻网络D/A转换器、倒T型电阻网络D/A转换器、权电流型D/A转换器等几种类型。A/D转换器的类型也有多种,可分为直接A/D转换器和间接A/D转换器两大类。在常见的直接A/D转换器中,又有并联比较型A/D转换器和反馈比较型A/D转换器两类。目前使用的间接A/D转换器大多都
3、属于电压时间变换型,如双积分型A/D转换器和电压频率变换型两类。第4页,本讲稿共76页8.2 D/A转换器转换器(DAC)8.2.1权电阻网络D/A转换器1.电路组成图81所示为四位权电阻网络D/A转换器的原理图。它由权电阻网络20R、21R、22R、23R,电子模拟开关S0、S1、S2、S3,基准电压UREF及求和运算放大器组成。第5页,本讲稿共76页图8权电阻网络D/A转换器第6页,本讲稿共76页电子模拟开关S0S3受输入数字信号d0d3控制,如果第i位数字信号di=1,则Si接位置1,相应的电阻Ri和基准电压UREF接通;若di=0,则Si接位置0,Ri接地。求和运算放大器用于将权电阻网
4、络流入A的电流i转换为相应的模拟电压u0输出。调节反馈电阻RF的大小,可使输出的模拟电压u0符合要求。同时,求和运算放大器又是权电阻网络和输出负载的缓冲器。第7页,本讲稿共76页2.工作原理下面分析图81所示权电阻D/A转换器输出的模拟电压和输入数字信号之间的关系。在假设运算放大器输入电流为零的条件下可以得到:(8.2.1)第8页,本讲稿共76页取RF=R/2,则得到:(8.2.2)对于n位的权电阻网络D/A转换器,当反馈电阻取为R/2时,输出电压的计算公式可写成:(8.2.3)第9页,本讲稿共76页【例8.1】在图81所示权电阻网络D/A转换器中,设UREF=-8V,RF=R/2,试求:(1
5、)当输入数字量d3d2d1d0=0001时,输出电压值。(2)当输入数字量d3d2d1d0=0101时,输出电压值。(3)当输入最大数字量时,输出电压值。解:(1)根据式(8.2.2),可求得输入数字量d3d2d1d0=0001时的输出电压为第10页,本讲稿共76页(2)根据式(8.2.2),可求得输入数字量d3d2d1d0=0101时的输出电压为(3)根据式(8.2.2),可求得输入最大数字量d3d2d1d0=1111时的输出电压为第11页,本讲稿共76页权电阻网络D/A转换器的优点是电路结构比较简单,所用的电阻元件数较少。它的缺点是各个电阻的阻值相差比较大,尤其是在输入信号的位数较多时,这
6、个问题更突出。例如当输入信号增加到八位时,如果取权电阻网络中最小的电阻为R=10k,那么最大的电阻阻值将达到27R(=1.28M),两者相差128倍之多。要想在极为宽广的阻值范围内保证每个电阻都有很高的精度是十分困难的,尤其对制作集成电路更加不利。为了克服权电阻网络D/A转换器中电阻阻值相差太大的缺点,常采用倒T型电阻网络D/A转换器。第12页,本讲稿共76页8.2.2倒T型电阻网络D/A转换器1.电路组成图82所示为四位R2R倒T型电阻网络D/A转换器的原理图。和权电阻网络D/A转换器相比,除电阻网络结构呈倒T型外,电阻网络中只有R,2R两种阻值的电阻,这就给集成电路的设计和制作带来了很大的
7、方便。第13页,本讲稿共76页图8倒T型电阻网络D/A转换器第14页,本讲稿共76页2.工作原理电子模拟开关0S3受输入数字信号d0d3控制。如果第i位数字信号di=1,Si接求和运算放大器的虚地端;当di=0时,Si接地。可见,无论输入数字信号为0还是为1,即无论各电子模拟开关接“0”端还是接“1”端,各支路的电流都直接流入地或流入求和运算放大器的虚地端,所以对于倒T型电阻网络来说,各2R电阻的上端相当于接地。由图82看出,基准电压UREF对地电阻为R,其流出的电流i=UREF/R是固定不变的,而每个支路的电流依次为I/2、I/4、I/8、I/16,因此,(8.2.4)第15页,本讲稿共76
8、页在求和放大器的反馈电阻阻值等于R的条件下输出电压为(8.2.5)对于n位输入的倒T型电阻网络D/A转换器,在求和放大器的反馈电阻阻值为R的条件下,输出的模拟电压的计算公式为(8.2.6)第16页,本讲稿共76页由上式可看出,输出电压和输入数字量成正比。由于不论电子模拟开关接“0”端还是接“1”端,电阻2R的上端总是接地或接求和运算放大器的虚地端,因此流经2R支路上的电流不会随开关状态的变化而改变,它不需要建立时间,所以电路的转换速度提高了。倒T型电阻网络D/A转换器的电阻数量虽比权电阻网络多,但它只有R和2R两种阻值,因而克服了权电阻网络电阻阻值多,差别大的缺点,便于集成化。因此,R-2R倒
9、T型电阻网络D/A转换器得到了广泛的应用。第17页,本讲稿共76页但无论是权电阻网络D/A转换器还是倒T型电阻网络D/A转换器,在分析的过程中,都把电子模拟开关当作理想开关处理,没有考虑它们的导通电阻和导通电压降。而实际上这些开关总有一定的导通电阻和导通电压降,而且每个开关的情况不完全相同。它们的存在无疑将引起转换误差,影响转换精度。为了克服这一问题,常采用权电流型D/A转换器。第18页,本讲稿共76页8.2.3权电流型D/A转换器1.电路组成图83所示为四位权电流型D/A转换器的原理图。它由权电流I/16、I/8、I/4、I/2,电子模拟开关S0、S1、S2、S3,基准电压UREF及求和运算
10、放大器组成。电子模拟开关S0S3受输入数字信号d0d3控制,如果第i位数字信号di=1,则相应的开关Si将权电流源接至运算放大器的反相输入端;若di=0,其相应的开关将电流源接地。第19页,本讲稿共76页图8权电流型D/A转换器第20页,本讲稿共76页恒电流源电路经常使用图84所示的电路结构形式。只要在电路工作时UB和UEE稳定不变,则三极管的集电极电流可保持恒定,不受开关内阻的影响。电流的大小近似为(8.2.7)第21页,本讲稿共76页图8权电流D/A转换器中的电流源第22页,本讲稿共76页2.工作原理在权电流型D/A转换器中,有一组恒电流源,每个恒电流源的大小依次为前一个的1/2,和二进制
11、输入代码对应的权成正比。输出电压为(8.2.8)第23页,本讲稿共76页可见,输出电压u0正比于输入的数字量,实现了数字量到模拟量的转换。权电流D/A转换器各支路电流的叠加方法与传输方式和R2R倒T型电阻网络D/A转换器相同,因而也具有转换速度快的特点。此外,由于采用了恒流源,每个支路电流的大小不再受开关内阻和压降的影响,从而降低了对开关电路的要求。第24页,本讲稿共76页8.2.4D/A转换器的主要技术指标1.分辨率分辨率是指输入数字量的最低有效位为1时,对应输出可分辨的电压变化量U与最大输出电压之比,即分辨率(8.2.9)例如,10位D/A转换器的分辨率可以表示为分辨率越高,转换时对输入量
12、的微小变化的反应就越灵敏。第25页,本讲稿共76页如果输出模拟电压满量程为10V,那么10位D/A转换器能够分辨的最小电压是10/1023(0.009775)V,而八位D/A转换器能够分辨的最小电压是10/255(0.039125)V,可见,D/A转换器的位数越高,分辨输出电压的能力就越强。第26页,本讲稿共76页2.转换精度转换精度是实际输出值与理论计算值之差。这种差值由转换过程的各种误差引起,主要是静态误差。它包括:(1)非线性误差。它是由电子开关导通的电压降和电阻网络电阻值偏差产生的,常用满刻度的百分数来表示。(2)比例系数误差。它是参考电压UREF的偏离引起的误差。以图82的倒T型电阻
13、网络D/A转换器为例,如果UREF偏离标准值UREF,则输出将产生误差电压:(8.2.10)第27页,本讲稿共76页这个结果说明,由UREF的变化所引起的误差和输入数字量的大小是成正比的。因此把由U引起的转换误差叫做比例系数误差。图85中以虚线表示出了当UREF一定时,输出的电压值偏离理论值的情况。(3)漂移误差。它是由运算放大器零点漂移产生的误差。当输入数字量为0时,由于运算放大器的零点漂移,输出的模拟电压并不为0。这使实际输出电压值与理想电压值产生一个相对位移,如图86中虚线所示。第28页,本讲稿共76页图8比例系数误差第29页,本讲稿共76页图8漂移误差第30页,本讲稿共76页【例8.】
14、在图82的倒T型电阻网络D/A转换器中,外接参考电压UREF=-10。为保证UREF偏离标准值所引起的误差小于1/2LSB(最低有效位),试计算UREF的相对稳定度应取多少?解:先计算对应于1/2LSB输入的输出电压。由式(8.2.6)可知,当输入代码只有LSB=1而其余各位均为0时的输出电压为第31页,本讲稿共76页故与1/2LSB相对应的输出电压绝对值为其次,计算由于参考电压UREF变化UREF所引起的输出电压变化u0,由式(8.2.6)可知,在n位输入的D/A转换器中,由UREF引起的输出电压变化应为第32页,本讲稿共76页而且在数字量所有各位全为1时u0最大。这时的输出电压绝对值为根据
15、题意,u0必须小于等于1/2LDB对应的输出电压,于是得到第33页,本讲稿共76页3.建立时间从数字信号输入DAC到输出电流(或电压)达到稳态值所需的时间为建立时间。建立时间的大小决定了转换速度。目前,1012位单片集成D/A转换器(不包括运算放大器)的建立时间可以在1s以内。故得到参考电压UREF的相对稳定度为第34页,本讲稿共76页8.3 A/D转换器转换器(ADC)8.3.1A/D转换器的基本工作原理在A/D转换器中,因为输入的模拟信号在时间上是连续的,而输出的数字信号是离散的,所以转换只能在一系列选定的瞬间对输入的模拟信号取样,然后再把这些取样值转换成输出的数字量。因此,A/D转换的过
16、程是首先对输入的模拟电压信号取样,取样结束后进入保持时间,在这段时间内将取样的电压量化为数字量,并按一定的编码形式给出转换结果。然后,再开始下一次取样。第35页,本讲稿共76页1.取样与保持取样是将时间上连续变化的信号转换为时间上离散的信号,即将时间上连续变化的模拟量转换为一系列等间隔的脉冲,脉冲的幅度取决于输入模拟量,其过程如图8所示。图中,ui(t)是输入模拟信号,s(t)为取样脉冲,uo(t)为取样后的输出信号。第36页,本讲稿共76页图8取样过程第37页,本讲稿共76页在取样脉冲作用的周期内,取样开关接通,使uo(t)=ui(t),在其他时间(Ts-)内,输出等于。因此,每经过一个取样
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