数模与模数转换幻灯片.ppt
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1、数模与模数转换第1页,共42页,编辑于2022年,星期六图图11.1.1 工业控制系统框图示例工业控制系统框图示例变变换换器器传传感感器器防防混混低低通通滤滤波波器器模模数数转转换换器器数数字字处处理理子子系系统统数数模模转转换换器器模模拟拟执执行行机机构构数数 字字 执执行机构行机构电电量量非非电电量量数字量或数字量或开关量开关量模拟子系统模拟子系统模拟子系统模拟子系统重重构构低低通通滤滤波波器器数模、模数转换器是模拟系统与数字系统的桥梁,称为接口电路。它们是用数数模、模数转换器是模拟系统与数字系统的桥梁,称为接口电路。它们是用数字系统处理模拟信号所必须的电子电路。字系统处理模拟信号所必须的
2、电子电路。back第2页,共42页,编辑于2022年,星期六11.2数模转换器数模转换器(DAC)图11.2.1 DAC框图开开关关网网络络解解码码网网络络寄寄存存器器 基准电源电路基准电源电路VREF.变换网络变换网络D0D1.Dn-1n位输入数字量被锁存于寄存器中,分别控制位输入数字量被锁存于寄存器中,分别控制n个模拟电子开关(开关网络)个模拟电子开关(开关网络)的通断;对每一次确定的数字量输入,解码网络和开关网络组成相应的线性的通断;对每一次确定的数字量输入,解码网络和开关网络组成相应的线性电路,输出与对应数字量和基准电压成正比的电压或电流。电路,输出与对应数字量和基准电压成正比的电压或
3、电流。back第3页,共42页,编辑于2022年,星期六11.2.1 倒倒T形电阻网络形电阻网络DAC1工作原理工作原理 2R 2R 2R 2R 2R R R R+Rf I/8 I/4 I/2 I I/2 I/4 I/8 I/16 I/16 VREF S3 S2 S1 S0 D3 D2 D1 D0 Ov 图图11.2.2 4位倒位倒T形电阻网络形电阻网络DAC IO1 IO2 R 1 2 3 4 N P(LSB)(MSB)back如果如果Di=1,开关的定端,开关的定端”与运放的反相输入与运放的反相输入端端N相连;如果相连;如果Di=0,开关的定端与运放,开关的定端与运放的同相输入端的同相输入
4、端P相连。相连。第4页,共42页,编辑于2022年,星期六单刀双置开关可以用双极型三极管或单刀双置开关可以用双极型三极管或MOS管实现。管实现。图图 11.2.3 CMOS 模拟开关模拟开关 TN2 1 Di TN1Si N PA 数字量数字量Di控制控制NMOS开关管开关管TN1和和TN2。如果如果Di=1,TN1导通,导通,TN2截止,截止,固定端固定端A与与N(运放的反相端运放的反相端)相连;相连;如果如果Di=0,TN1截止,截止,TN2导通,导通,固定端固定端A与与P(运放的同相端运放的同相端)相相连。连。back第5页,共42页,编辑于2022年,星期六补充补充1:权电阻网络权电阻
5、网络DACI I0 0I I1 1I I2 2I I3 3I IDi=1时:时:第6页,共42页,编辑于2022年,星期六特点:电阻取值太多。补充补充1:权电阻网络权电阻网络DACI I0 0I I1 1I I2 2I I3 3I I第7页,共42页,编辑于2022年,星期六二、T型电阻网络DAC(1)电流相加型特点:流过开关的电流变化较大。第8页,共42页,编辑于2022年,星期六T型电阻网络DAC(2)电压相加型特点:流过开关的电流变化较大。第9页,共42页,编辑于2022年,星期六DAC的应用的应用:斜坡发生器斜坡发生器 Ov D9+D0 D1 图图11.2.5 斜坡电压发生器斜坡电压发
6、生器 (a)原理框图原理框图 (b)波形波形 10位位二进二进制计制计数器数器 DAC AD 7520 Rf IO1 IO2 GND CP t/TCP O 1023 2047 LSB Ov(a)(b)A VREF=5V 10位二进制计数器对周期脉冲位二进制计数器对周期脉冲CP计数,输出自然二进制码,计数,输出自然二进制码,DAC将其转换为阶梯电压,近似线性电压输出,如图将其转换为阶梯电压,近似线性电压输出,如图(b)所示。所示。阶梯高度为单位电压阶梯高度为单位电压LSBback第10页,共42页,编辑于2022年,星期六11.2.2 权电流型权电流型DAC在倒在倒T形电阻网形电阻网络络DAC中
7、,由中,由于模拟电子开关于模拟电子开关的导通电阻不等,的导通电阻不等,使得电阻网络不使得电阻网络不能准确地按能准确地按R-2R构成构成,导致并,导致并联电阻的电流偏离联电阻的电流偏离权电流值(权电流值(I/2、I/4、I/8、I/16、),),使输出产生误差。使输出产生误差。为克服这一缺点,为克服这一缺点,用多路电流源产生用多路电流源产生准确的权电流,形准确的权电流,形成权电流型成权电流型DAC,+Rf 2R R R R R I/2 I/4 I/8 I/16 I/16 VREF S3 S2 S1 S0 D3 D2 D1 D0 Ov 图图 11.2.6 4 位权电流型位权电流型DAC 2R 2R
8、 2R 2R I=VREF/R+R I-VEE 权电流网络权电流网络 IB0 静静态态偏偏置置电电流流 T3 T2 T1 T0 TC TR 开关网络开关网络 IO1 A2 A1(MSB)(LSB)back第11页,共42页,编辑于2022年,星期六+Rf 2R R R R R I/2 I/4 I/8 I/16 I/16 VREF S3 S2 S1 S0 D3 D2 D1 D0 Ov 图图11.2.6 4 位权电流型位权电流型 DAC 2R 2R 2R 2R I=VREF/R+R I-VEE 权电流网络权电流网络 IB0 静静态态偏偏置置电电流流 T3 T2 T1 T0 TC TR 开关网络开关
9、网络 IO1 A2 A1(MSB)(LSB)例如,例如,计算计算T2的射极到的射极到负电源(负电源(-VEE)间的等)间的等效电阻效电阻的电路的电路图图11.2.7 计算计算T2射极到负电源间的等效电阻射极到负电源间的等效电阻 R R R-VEE 2R R 2R 2R 2R 2R VEVEVETRT3T2T1T0Tc第12页,共42页,编辑于2022年,星期六例如,例如,计计算算T2的射极到的射极到负电负电源(源(-VEE)间间的等效的等效电电阻阻的的电电路如路如图图11.2.7所示。所示。等效等效电电阻阻为为:图图11.2.7 计算计算T2射极到负电源间的等效电阻射极到负电源间的等效电阻 R
10、 R R-VEE 2R R 2R 2R 2R 2R VEVEVER 2IE 2R 2R VE VE-VEE IE IE backTRT3T2T1T0Tc-VEET2第13页,共42页,编辑于2022年,星期六+Rf 2R R R R R I/2 I/4 I/8 I/16 I/16 VREF S3 S2 S1 S0 D3 D2 D1 D0 Ov 图图11.2.6 4 位权电流型位权电流型 DAC 2R 2R 2R 2R I=VREF/R+R I-VEE 权电流网络权电流网络 IB0 静静态态偏偏置置电电流流 T3 T2 T1 T0 TC TR 开关网络开关网络 IO1 A2 A1(MSB)(LS
11、B)同样,由电路可知,三极管同样,由电路可知,三极管TR、T3、T2、T1、T0和和TC的射极电位的射极电位相等(相等(VE),它们的射极到负电源(),它们的射极到负电源(-VEE)间的等效电阻依次)间的等效电阻依次为为R、2R、4R、8R、16R(按(按2n递增的电阻称为权电阻)和递增的电阻称为权电阻)和16R。back第14页,共42页,编辑于2022年,星期六权电流网络输出到开关网络的权电流为权电流网络输出到开关网络的权电流为I、I/2、I/4、I/8。所以,输出电压为:所以,输出电压为:即输出电压与输入自然二进制数成正比,实现数模转换。注即输出电压与输入自然二进制数成正比,实现数模转换
12、。注意,由于多路电流源输出电流是单向的,所以,权电流型意,由于多路电流源输出电流是单向的,所以,权电流型DACDAC的的基准电压基准电压V VREFREF只能为正。只能为正。back第15页,共42页,编辑于2022年,星期六推广到一般情况,推广到一般情况,n位位权电流型权电流型DAC的输出电压为的输出电压为BZ是是n位自然二进制数,位自然二进制数,K是是1个单位数字量对应的电压,个单位数字量对应的电压,称为单位电压,常记为称为单位电压,常记为LSB。back第16页,共42页,编辑于2022年,星期六11.2.3 DAC的双极性输出的双极性输出(略略)+Rf 2R R R R R I/2 I
13、/4 I/8 I/16 I/16 VREF S3 S2 S1 S0 D3 D2 D1 D0 Ov 图图11.2.8 4位权电流型双极位权电流型双极性性DAC(偏移二进制码)偏移二进制码)2R 2R 2R 2R I=VREF/R+R I-VEE 权电流网络权电流网络 IB0 静静态态偏偏置置电电流流 T3 T2 T1 T0 TC TR IO1 2R IP=VREF/2R=I/2 A1 A2 如果单极性如果单极性输出电压减输出电压减去去BZ的中值的中值BZZ对应的输出对应的输出电压值,则变电压值,则变为双极性输出为双极性输出电压:电压:BP称为偏移二进制码,其值域为称为偏移二进制码,其值域为-2n
14、-1,2n-1-1,故输出变为双极性电压。,故输出变为双极性电压。back第17页,共42页,编辑于2022年,星期六+Rf 2R R R R R I/2 I/4 I/8 I/16 I/16 VREF S3 S2 S1 S0 D3 D2 D1 D0 Ov 图图11.2.8 4位权电流型双极位权电流型双极 性性DAC(偏移二进制码)偏移二进制码)2R 2R 2R 2R I=VREF/R+R I-VEE 权电流网络权电流网络 IB0 静静态态偏偏置置电电流流 T3 T2 T1 T0 TC TR IO1 2R IP=VREF/2R=I/2 A1 A2 back第18页,共42页,编辑于2022年,星
15、期六11.2.4 DAC的主要技术指标的主要技术指标1.转换精度:转换精度:通常用分辨率和转换误差描述通常用分辨率和转换误差描述DAC的转换精度。的转换精度。输出电压范围可能被等分的数目定义为输出电压范围可能被等分的数目定义为DAC的分辨率。参考(的分辨率。参考(11.2.1)或)或(11.2.2)式,一个)式,一个n位二进制码位二进制码DAC理论上可将输出电压范围分为理论上可将输出电压范围分为2n-1个个等份,故分辨率为等份,故分辨率为2n-1,简述为,简述为n位分辨率位分辨率。分辨率还可定义为最小输出电压变化量与输出电压变化幅度之比的绝对值。分辨率还可定义为最小输出电压变化量与输出电压变化
16、幅度之比的绝对值。参考(参考(11.2.111.2.1)或()或(11.2.211.2.2)式,一个)式,一个n n位二进制码位二进制码DACDAC的输出电压变化幅度的输出电压变化幅度与输入数字量的变化幅度(与输入数字量的变化幅度(2 2n n-1-1)成正比,最小输出电压变化量与输入数)成正比,最小输出电压变化量与输入数字量变化字量变化1 1个单位成正比。所以,分辨率也可表达为个单位成正比。所以,分辨率也可表达为back第19页,共42页,编辑于2022年,星期六2.转换速度:转换速度:完成一次数模转换所需的时间。常用建立时间和转换速率描述。完成一次数模转换所需的时间。常用建立时间和转换速率
17、描述。建立时间建立时间ts定义为从输入数字量突变开始到输出达到稳定值规定的误差带定义为从输入数字量突变开始到输出达到稳定值规定的误差带之内所需的最大时间。规定的误差带一般为之内所需的最大时间。规定的误差带一般为1/2LSB,输入数字量突变通,输入数字量突变通常是由全常是由全0变全变全1。目前,在不包含运放的单片集成。目前,在不包含运放的单片集成DAC中,建立时间最短可中,建立时间最短可达达0.1S以内;在包含运放的集成以内;在包含运放的集成DAC中,建立时间最短可达中,建立时间最短可达1.5S以内。以内。转换速率转换速率SRSR是指输出电压的最大变化率。在外接运放的是指输出电压的最大变化率。在
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