第七章数模模数转换精选文档.ppt

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1、第七章数模模数转换本讲稿第一页，共三十一页 数模与模数变换器是计算机与外部设备的数模与模数变换器是计算机与外部设备的重要接口重要接口,也是数字测量和数字控制系统的重要也是数字测量和数字控制系统的重要部件。部件。能将数字量转换为模拟量的装置称为能将数字量转换为模拟量的装置称为数数/模变换器模变换器(简称简称D/A转换器转换器);能将模拟量能将模拟量转换为数字量的装置称为模转换为数字量的装置称为模/数变换器数变换器(简称简称A/D转换器转换器)。概述概述本讲稿第二页，共三十一页A/D转换器、转换器、D/A转换器的应用转换器的应用放大器放大器传感器传感器(温度、压温度、压力、流量、力、流量、应力等）

2、应力等）采样采样/保持器保持器A/D计算机计算机显示器显示器D/A示波器示波器打印机打印机本讲稿第三页，共三十一页D/A功能功能:将数字量将数字量成正比成正比地转换成模拟量地转换成模拟量 D/An=4位位8位位10位位12位位16位位n位位数字量数字量模拟量模拟量05V或或010V4位数据位数据:0000 0V 1111 5V 7.1 D/A转换器转换器本讲稿第四页，共三十一页本讲稿第五页，共三十一页二二 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器（转换器（4位）位）所所以以，无无论论Si处处于于何何种种位位置置，与与Si相相连连的的2R电电阻阻均均接接“地地”（地地或或虚虚地）。地）。图中图中S

3、0S3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。本讲稿第六页，共三十一页分析计算：分析计算：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。总电流：总电流：本讲稿第七页，共三十一页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：其中：其中

4、：表明表明:D/A电路输出模拟电压电路输出模拟电压UO与输入的与输入的 数字量数字量D3D2D1D0成正比成正比本讲稿第八页，共三十一页三三 权电流型权电流型D/A转换器转换器为进一步提高为进一步提高D/A转换器的转换精度，可采用权电流型转换器的转换精度，可采用权电流型D/A转换器。转换器。图示为一图示为一4位权电流位权电流D/A转换器原理电路。这组恒流源从高位到转换器原理电路。这组恒流源从高位到低位电流的大小依次为低位电流的大小依次为I/2、I/4、I/8、I/16。本讲稿第九页，共三十一页四四.D/A转换器应用举例转换器应用举例 DAC0808是是8位位权权电电流流型型D/A转转换换器器，

5、其其中中D0D7是数字量输入端。是数字量输入端。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：本讲稿第十页，共三十一页DAC0808 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）本讲稿第十一页，共三十一页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）转换误差比例系数误差、失调误差、非线性误差。比例系数误差、失调误差、非线性误差。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

6、压(数数字字量量：00000001)与与最最大大输输出出电电压压(数数字字量量：全全1）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）。）。（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的位数表示量的位数表示D/A转换器的分辨率。转换器的分辨率。vO=-KNB最小最小 vO=-KNB=-K1 最大最大 vO=-KNB=-K(2n-1)本讲稿第十二页，共三十一页3.温

7、温度度系系数数在在输输入入不不变变的的情情况况下下，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。一一般般用用满满刻刻度度输输出出条条件件下下温温度度每每升升高高1，输输出出电电压压变变化化的百分数作为温度系数。的百分数作为温度系数。（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）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到相应稳定电压值所需时间。最短可达化到相应稳定电压值所需时间。最短可达0.1S。2.转换速度转换速度本讲稿第十三页，共三十一页7.

8、2 A/D转换器转换器一一A/D转换的一般步骤转换的一般步骤 由由于于输输入入的的模模拟拟信信号号在在时时间间上上是是连连续续量量，所所以以一一般般的的A/D转转换换过过程程为：为：取样、保持、量化和编码。取样、保持、量化和编码。本讲稿第十四页，共三十一页 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。本讲稿第十五页，共三

9、十一页 量化和编码量化和编码 数字量最小单位所对应的最小量值叫做量化单位。将采样保持电路的输出电压归化为量化单位的整数倍的过程叫做量化。用二进制代码来表示各个量化电平的过程，叫做编码。一个n位二进制数只能表示2n个量化电平，量化过程中不可避免会产生误差，这种误差称为量化误差。量化级分得越多（n越大），量化误差越小。本讲稿第十六页，共三十一页划分量化电平的两种方法（a）量化误差大；（b）量化误差小 本讲稿第十七页，共三十一页01tvI基本原理：基本原理：二二 并行比较型并行比较型A/D转换器转换器本讲稿第十八页，共三十一页3位并行比较型位并行比较型A/D转换器转换器本讲稿第十九页，共三十一页 并

10、行比较型并行比较型A/D转换器真值表转换器真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

11、1 1 10 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1本讲稿第二十页，共三十一页三三 逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器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：本讲稿第二十一页，共三十一页2 转换框图：转换框图：本讲稿第二十二页，共三十一页 3 逻辑电路逻辑电路101111110100001111001010011111101101010100本讲稿第二十三页，共三十一页四双积分型四双积分型A/D转换器转换器 它它由由积积分分器器、

12、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、计计数器（数器（FF0FFn）等几部分组成。）等几部分组成。本讲稿第二十四页，共三十一页（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，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：本讲稿第二十五页，共三十一页由于由于vO0V，比较器输出，比较器输出vC=0，控制门，控制门G被关闭，计数停被关闭，计数停止。止。同时，同时，

13、N级计数器又从级计数器又从0开始计数。开始计数。本讲稿第二十六页，共三十一页在此阶段结束时在此阶段结束时vO的表达式可写为：的表达式可写为：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个数为设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为，则：，则：可见，可见，T2与与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。上式表明，计数器中所计得的数上式表明，计数器中所计得的数（=Qn-1Q1Q0），与在取样时间），与在取样时间T1内输入电压的内输入电压的平均值平均值VI成正比。只要成正比。只要VIVREF，转换器就能将输入电压转换为数字量。

14、，转换器就能将输入电压转换为数字量。T2=TC 本讲稿第二十七页，共三十一页六六 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压一一定时，输出位数愈多，量化单位愈小，分辨率愈高。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到的的输输出出数数字字量之间的误差小于最低

15、位的半个字。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出数数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。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数字字信信号号所所经过的时间。经过的时间。并行比较并行比较A/D转换器转换速度最高；逐次比较型转换器转换速度最高；逐次比较型A/D转换器次之；转换器次之；本讲稿第二十八页，共三十一页本章小结本章小结1 1A/DA/D和和D/AD/A转换器是现代数字

16、系统的重要部件，应用日益广泛。转换器是现代数字系统的重要部件，应用日益广泛。5 5A/DA/D转转换换器器和和D/AD/A转转换换器器的的主主要要技技术术参参数数是是转转换换精精度度和和转转换换速速度度，在在与与系系统统连连接接后后，转转换换器器的的这这两两项项指指标标决决定定了了系系统统的的精精度度与与速速度度。目目前前，A/DA/D与与D/AD/A转转换换器器的的发发展展趋趋势势是是高高速速度度、高高分分辨辨率率及及易易于于与与微微型型计计算算机机接接口口，用用以以满满足足各各个个应应用用领领域域对对信信号号处理的要求。处理的要求。2 2倒倒T T型型电电阻阻网网络络D/AD/A转转换换器

17、器中中电电阻阻网网络络阻阻值值仅仅有有R R和和2 2R R两两种种，各各2R2R支支路路电电流流I Ii i与与D Di i数数码码状状态态无无关关，是是一一定定值值。由由于于支支路路电电流流流流向向运运放放反反相相端端时时不不存存在在传传输输时时间间，因因而而具具有有较高的转换速度。较高的转换速度。3 3在在权权电电流流型型D/AD/A转转换换器器中中，由由于于恒恒流流源源电电路路和和高高速速模模拟拟开开关关的的运运用用使使其其具具有有精精度度高、转换快的优点，双极型单片集成高、转换快的优点，双极型单片集成D/AD/A转换器多采用此种类型电路。转换器多采用此种类型电路。4 4不不同同的的A

18、/DA/D转转换换方方式式具具有有各各自自的的特特点点，并并行行A/DA/D转转换换器器速速度度高高；双双积积分分A/DA/D转转换换器器精精度度高高；逐逐次次比比较较型型A/DA/D转转换换器器在在一一定定程程度度上上兼兼有有以以上上两两种种转转换换器器的的优优点点，因因此得到普遍应用。此得到普遍应用。本讲稿第二十九页，共三十一页填空题填空题选择题选择题综合题综合题作图作图计算计算分析、设计分析、设计简单计算简单计算基本概念基本概念简单计算简单计算基本概念基本概念考试时间待定第第1章章 第第7章章课堂所授内容课堂所授内容要求独立完成要求独立完成判断题判断题简单计算简单计算基本概念基本概念本讲稿第三十页，共三十一页本讲稿第三十一页，共三十一页