数模与模数转换器.ppt

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1、数模与模数转换器数模与模数转换器9.1 D/A转换器转换器 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标9.2 A/D转换器转换器 A/D转换器的基本原理转换器的基本原理 并行比较型并行比较型A/D转换器转换器 逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器 双积分型双积分型A/D转换器转换器9.1 D/A转换器转换器一一 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 对于有权码，先将每位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后对于有权码，先将每位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后相加，即可得到与数字量成正比的总模

2、拟量，从而实现数字相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现数字/模拟转换。模拟转换。最小量化单位最小量化单位二二 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器（转换器（4位）位）所以，无论所以，无论Si 处于何种位置，与处于何种位置，与Si 相连的相连的2R电阻均接电阻均接“地地”（地或虚地）。（地或虚地）。图中图中S0S3为模拟开关，由输入数码为模拟开关，由输入数码Di 控制，控制，当当Di=1时，时，Si 接运算放大器反相输入端（虚地），电流接运算放大器反相输入端（虚地），电流Ii 流入求和电路；流入求和电路；当当Di=0时，时，Si 将电阻将电阻2R接地。接地。电路由倒电路由倒T形电阻

3、网络，模拟开关和运算放大器组成形电阻网络，模拟开关和运算放大器组成。运算放大器：运算放大器：1.A 趋向于无穷大趋向于无穷大 2。V+=V-=0V 3。VO=-i.RfR-2R倒倒T形电阻网络形电阻网络基准电流基准电流:I=VREF/R，基准电流基准电流:I=VREF/R，流过各开关支路（从右到左）的电流分别为流过各开关支路（从右到左）的电流分别为 I/2、I/4、I/8、I/16。将输入数字量扩展到将输入数字量扩展到n位，则有：位，则有：可简写为：可简写为：vO=KNB 输出电压：输出电压：总电流：总电流：其中：其中：分析计算：分析计算：三三.D/A转换器应用举例转换器应用举例 DAC080

4、8是是8位位权权电电流流型型D/A转转换换器器，其其中中D0D7是是数数字字量量输输入入端。端。使使用用时时，需需要要外外接接运运算算放放大大器器和和产产生生基基准准电流用的电阻电流用的电阻R1。当当VREF=10V、R1=5k、Rf=5k时，时，输出电压为：输出电压为：D/A转换器输出与输入的关系转换器输出与输入的关系（设设VREF=10V）1。单极性二进制码：单极性二进制码：数 字 量 模 拟 量 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 +0 1 0 0 0 0 0 0 0 -0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1

5、 1 1 2。符号数值双极性码符号数值双极性码1.转换精度转换精度 五五 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标（2）转换误差）转换误差此此外外，也也可可用用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之之比比来来表表示示分分辨辨率率，n位位D/A转换器的分辨率可表示为转换器的分辨率可表示为 1/（2n-1）。）。2.转换速度转换速度3.温温度度系系数数在在输输入入一一定定时时，输输出出模模拟拟电电压压随随温温度度变变化化产产生生的的变变化化量量。一一般用满刻度输出条件下温度每升高般用满刻度输出条件下温度每升高1，输出电压变化的百分数来表示。，输出电压变化

6、的百分数来表示。（2）转换速率（）转换速率（SR）在大信号工作状态下模拟电压的变化率。在大信号工作状态下模拟电压的变化率。（1）分辨率）分辨率D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。输输入入数数字字量量位位数数越越多多，分分辨辨率率越越高高。所所以以，在在实实际际应应用用中中，常常用用数数字字量量的的位位数表示数表示D/A转换器的分辨率。转换器的分辨率。（1）建建立立时时间间（tset）当当输输入入的的数数字字量量发发生生变变化化时时，输输出出电电压压变变化化到到相相应应稳定电压值所需时间。最短可达稳定电压值所需时间。最短可达0.1S。9.2 A/D转

7、换器转换器一一A/D转换的一般步骤和取样定理转换的一般步骤和取样定理 由于由于输入的模拟信号在时间上是连续量，所以一般的输入的模拟信号在时间上是连续量，所以一般的A/D转换过程为：转换过程为：取样、保持、量化和编码。取样、保持、量化和编码。取样定理：取样定理：因因为为每每次次把把取取样样电电压压转转换换为为相相应应的的数数字字量量都都需需要要一一定定的的时时间间，所所以以在在每每次取样以后，必须把取样电压保持一段时间。次取样以后，必须把取样电压保持一段时间。式中式中fS为取样频率，为取样频率，fimax为输入信号为输入信号vI的最高频率分量的频率。的最高频率分量的频率。对输入模拟信号的采样对输

8、入模拟信号的采样可见，进行可见，进行A/D转换时所用的输入电压，实际上是每次取样结束时的转换时所用的输入电压，实际上是每次取样结束时的vI值。值。二二 取样取样保持电路保持电路电路组成及工作原理（取电路组成及工作原理（取Ri=Rf）:当当vL为高电平时，为高电平时，T导通，导通，vI 经经 Ri 和和T 向电容向电容 Ch 充电。充电。vO=vI=vC。当当vL 返回低电平后，返回低电平后，T 截止。截止。Ch 无放电回路，所以无放电回路，所以 vO 的数值可被保存下来。的数值可被保存下来。三三 并行比较型并行比较型A/D转换器（转换器（3位）位）并行比较型并行比较型A/D转换器真值表转换器真

9、值表输入模拟电压输入模拟电压寄存器状态寄存器状态数字量输出数字量输出D2 D1 D0Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1（01/15）VREF（1/15 3/15）VREF（3/15 5/15）VREF（5/15 7/15）VREF（7/15 9/15）VREF（9/15 11/15）VREF（11/15 13/15）VREF（13/15 1）VREF0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 1 10 0 0 0 1 1 10 0 0 1 1 1 10 0 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 10 0 00 0 10 1 00

10、1 11 0 01 0 11 1 01 1 1并行比较型并行比较型A/D转换器的特点：转换器的特点：1。转换是并行的，转换时间只受比较器、触发器和编。转换是并行的，转换时间只受比较器、触发器和编码电路延迟时间限制，因此转换速度快码电路延迟时间限制，因此转换速度快3。转换精度较低。转换精度较低2。随着分辨率的提高，元件数目按几何级数。随着分辨率的提高，元件数目按几何级数()增加，增加，电路复杂电路复杂1 转换原理：转换原理：Gd3g3+d2g2+d1g1+d0g0di1 有效有效0 无效无效有效砝码的总重量逐次逼近重物的重量：有效砝码的总重量逐次逼近重物的重量：四四 逐次比较型逐次比较型A/D转

11、换器转换器移位寄存器移位寄存器(Q3Q2Q1Q0)数据寄存器数据寄存器(Q3Q2Q1Q0)D/A输出标输出标准电压准电压vo VC 输出量 1 1000 1000 8/16VREF 1 Q3=1 D3=1 2 0100 1100 12/16VREF 0 Q2=0 D2=0 3 0010 1010 10/16VREF 0 Q1=0 D1=0 4 0001 1001 9/16VREF 1 Q0=1 D0=1 2 转换框图：转换框图：3 逻辑电路逻辑电路0111 1 1 1 0000001 1 1 1 00000110100018/16VREF11 1 1 0 100011001112/16VREF

12、011110000 3 逻辑电路逻辑电路1011 1 1 1 0000111 1 1 0 1001112/16VREF01 1 0 1 100101010110/16VREF000000000 3 逻辑电路逻辑电路1011 1 1 1 0001011 1 0 1 1010110/16VREF01 0 1 1 10100110019/16VREF100001111 3 逻辑电路逻辑电路1011 1 1 1 0010011 0 1 1 110019/16VREF10 1 1 1 11100111111001逐次比较型逐次比较型A/D转换器的特点：转换器的特点：1.电路结构比较简单电路结构比较简单2

13、.转换速度比较快转换速度比较快3.转换精度较高转换精度较高转换时间与位数和转换时间与位数和CP频率有关，位数越少，频率有关，位数越少，CP频率越高，频率越高，转换速度越快，但是位数越少，转换精度下降。转换速度越快，但是位数越少，转换精度下降。五双积分型五双积分型A/D转换器转换器 它它由由积积分分器器、过过零零比比较较器器（C）、时时钟钟脉脉冲冲控控制制门门（G）和和定定时时器器/计数器（计数器（FF0FFn）等几部分组成。）等几部分组成。G（2）第一次积分阶段）第一次积分阶段工作原理：工作原理：（1）准备阶段）准备阶段计数器清零，计数器清零，积分电容放电，积分电容放电，vO=0V。t=0时，

14、开关时，开关S1与与A端端接通，输入电压接通，输入电压vI加到加到积分器的输入端。积分积分器的输入端。积分器从器从0开始积分：开始积分：vG(b)(e)ttv(d)(a)tontv(c)vs1Q0tc0000由于由于vO0V，比较器输出比较器输出vC=0，控制门，控制门G被关闭，被关闭，计数停止。计数停止。设设T2=t2t1，于是有：，于是有：设在此期间计数器所累计的时钟脉冲设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为个数为,则：则：T2=TC 可见，可见，T2与输入模拟电压与输入模拟电压VI成正比，成正比，T2就是双积分就是双积分A/D转换过程的中间变量。转换过程的中间变量。t2即即：T2=TC

15、设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为所以所以：表明，计数器中所计得的数表明，计数器中所计得的数（=Qn-1Q1Q0），），与在取样时间与在取样时间T1内输入电压的平均值内输入电压的平均值VI成正比。成正比。只要只要VIVREF，转换器就能将输入电压，转换器就能将输入电压转换为数字量。转换为数字量。双积分型双积分型A/D转换器的特点：转换器的特点：1。电路结构简单。电路结构简单2。转换速度慢。转换速度慢3。转换精度高。转换精度高4.抗干扰能力强抗干扰能力强六六 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标（1）分辨率）分辨率说明说明A/D转换器对输入信号

16、的分辨能力。转换器对输入信号的分辨能力。一一般般以以输输出出二二进进制制（或或十十进进制制）数数的的位位数数表表示示。因因为为，在在最最大大输输入入电电压一定时，输出位数愈多，量化单位愈小，分辨率愈高。压一定时，输出位数愈多，量化单位愈小，分辨率愈高。1.转换精度转换精度例例如如，相相对对误误差差LSB/2，就就表表明明实实际际输输出出的的数数字字量量和和理理论论上上应应得得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。（2）转转换换误误差差它它表表示示A/D转转换换器器实实际际输输出出的的数数字字量量和和理理论论上上的的输输出数字量之间的差别。常用最

17、低有效位的倍数表示。出数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。2.转转换换时时间间指指从从转转换换控控制制信信号号到到来来开开始始，到到输输出出端端得得到到稳稳定定的的数字信号所经过的时间。数字信号所经过的时间。并并行行比比较较A/D转转换换器器转转换换速速度度最最高高；逐逐次次比比较较型型A/D转转换换器器次次之之；间间接接A/D转换器的速度最慢。转换器的速度最慢。本章小结本章小结4。正确理解双积分型。正确理解双积分型A/D转换器的工作原理转换器的工作原理1正正确确理理解解倒倒T型型电电阻阻网网络络D/A转转换换器器的的电电路路结结构构及及工工作作原原理，了解理，了解权电流型权电流型D/A转换器的工作原理转换器的工作原理2。正确理解并行比较型。正确理解并行比较型A/D转换器的工作原理及电路特点转换器的工作原理及电路特点3 3。正确理解逐次比较型。正确理解逐次比较型A/DA/D转换器的电路结构及工作原理转换器的电路结构及工作原理