教学课件第8章 数模和模数转换ppt(全).ppt
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1、教学课件第教学课件第8章章 数模和模数转换数模和模数转换第第8章章 数数/模和模模和模/数转换数转换8.1 数数/模转换器模转换器(DAC)把数字量转换为模拟量的过程称作数把数字量转换为模拟量的过程称作数/模转换器,简模转换器,简称称DAC(Digital to Analog Converter)。)。8.2 模模/数转换器数转换器(ADC)将模拟量转换为数字量的过程称为模将模拟量转换为数字量的过程称为模/数转换,简称数转换,简称A/D转换。实现转换。实现A/D转换的电路被称之为模转换的电路被称之为模/数转换数转换器,简称器,简称ADC(Analog to Digital Converter)
2、。28.1 数数/模转换器模转换器(DAC)DAC的的输输入入是是数数字字信信号号。它它可可以以是是任任何何一一种种编编码码,常常用用的的是是二二进进制制码码。输输入入可可以以是是正正数数,也也可可以以是是负负数数,通通常常是是无无符符号号的的二二进制数。如图为进制数。如图为D/A转换框图。转换框图。d0d1d2d3DACvODAC框图框图3东北大学信息学院48.1.1 二进制权电阻二进制权电阻DACn位权电阻位权电阻DAC有:有:2/5/202352023/2/5东北大学信息学院69.1.2 R-2R倒倒T型电阻网络型电阻网络DACiAiBiCi3i2i1i0VREFS3S2S1S0iFIR
3、16RFvoRRR2R2R2R2R2RA-+iI11110000图图8-2 倒倒T型电阻网络型电阻网络DACABCDIR=VREFR由上述分析可写出图由上述分析可写出图8-2各支路的电流为各支路的电流为:2/5/20237对于对于n位位DAC2/5/20238例例8-1已已 知知 倒倒 T型型 电电 阻阻 网网 络络 DAC的的 RF=R,VREF=10V,试试分分别别求求出出四四位位和和八八位位DAC的的最最小小(只只有有数数字字信信号号最最低低位位为为1)输输出出电电压压VOmin。2/5/20239解:四位解:四位DAC的最小输出电压为:的最小输出电压为:八位八位DAC的最小输出电压为:
4、的最小输出电压为:2/5/2023102023/2/5东北大学信息学院11例例8-2已已 知知 倒倒 T型型 电电 阻阻 网网 络络 DAC的的 RF=R,VREF=10V,试试分分别别求求出出四四位位和和八八位位DAC的的最大最大(各位数字信号都为各位数字信号都为1)输出电压输出电压VOmax。解:四位解:四位DAC的最大输出电压为:的最大输出电压为:八位八位DAC的最大输出电压为:的最大输出电压为:2/5/202312例例8-3已已 知知 倒倒 T型型 电电 阻阻 网网 络络 DAC的的 RF=2R,VREF=10V,试试分分别别求求出出四四位位和和八八位位DAC的的最小输出电压最小输出电
5、压VOmin。2/5/202313解:四位解:四位DAC的最小输出电压为:的最小输出电压为:八位八位DAC的最小输出电压为:的最小输出电压为:2/5/2023142023/2/5东北大学信息学院15结论结论比较上述三例,在比较上述三例,在VREF和和RF相同条件下,相同条件下,位数越多,输出最小电压越小,输出最大位数越多,输出最小电压越小,输出最大电压越大;在电压越大;在VREF和位数相同条件下,和位数相同条件下,RF越大,则输出电压越大。越大,则输出电压越大。8.1.3 DAC的主要技术指标的主要技术指标分分辨辨率率:DAC所所能能分分辨辨的的最最小小输输出出电电压与满刻度输出电压之比。压与
6、满刻度输出电压之比。最最小小输输出出电电压压是是指指输输入入数数字字量量只只有有最最低低有有效效位位为为1时时的的输输出出电电压压;最最大大输输出出电电压压是是指输入数字量各位全为指输入数字量各位全为1时的输出电压。时的输出电压。n越大,分辨率越越大,分辨率越小,在相同条件下小,在相同条件下输出的最小电压越输出的最小电压越小。小。2/5/2023168.1.3 DAC的主要技术指标的主要技术指标转换误差转换误差转换误差常用满刻度转换误差常用满刻度FSR(Full Scale)的百分的百分数来表示。数来表示。如如AD7520的线性误差为的线性误差为0.05%FSR,即转,即转换误差等于满刻度的万
7、分之五。换误差等于满刻度的万分之五。有时转换误差用最低有效位有时转换误差用最低有效位LSB(Least Significant Bit)的倍数表示。的倍数表示。2/5/202317如如DAC的转换误差等于的转换误差等于1/2LSB,表示输出电压的,表示输出电压的绝对误差为最低有效位(绝对误差为最低有效位(LSB)为)为1时输出电压的时输出电压的一半。一半。DAC产产生生误误差差的的主主要要原原因因有有:参参考考电电压压VREF的的波波动动、运运算算放放大大器器的的零零点点漂漂移移、电电阻阻网网络络电电阻阻值值的的偏偏差等。差等。分分辨辨率率和和转转换换误误差差共共同同决决定定了了DAC的的精精
8、度度。要要想想DAC的的精精度度高高,不不仅仅要要选选位位数数高高的的DAC,还还要要选选用用稳稳定定度度高高的的基基准准电电压压源源和和低低漂漂移移的的运运算算放放大大器器与与其配合。其配合。8.1.3 DAC的主要技术指标的主要技术指标2/5/202318建立时间建立时间建建立立时时间间是是指指数数字字信信号号由由全全1变变全全0或或由由全全0变变全全1时时,模模拟拟信信号号电电压压或或电电流流达达到到稳稳态态值值所所需需要要的的时时间间。建建立立时时间间短短说说明明DAC的的转换速度快。转换速度快。8.1.3 DAC的主要技术指标的主要技术指标2/5/202319例例8-4 若若DAC的
9、的最最大大输输出出电电压压为为10V,要要想想使使转转换换误差在误差在10mV以内,应选多少位以内,应选多少位DAC?解解:要要想想转转换换误误差差在在10mV以以内内,就就必必须须能能分分辨辨出出10mV电压。就是说分辨率必须小于电压。就是说分辨率必须小于根根据据分分辨辨率率可可以以表表示示DAC的的精精度度这这一一结结论论,至至少少需要需要10位位DAC,若考虑其它因素,需选,若考虑其它因素,需选12位位DAC。8.1.3 DAC的主要技术指标的主要技术指标2/5/202320DAC电路都做成集成电路供使用者选择。电路都做成集成电路供使用者选择。按按DAC输输出出方方式式分分为为电电流流输
10、输出出DAC和和电电压压输出输出DAC。DAC的的芯芯片片型型号号繁繁多多,常常用用的的有有并并行行输输入入的的DAC0832、串串行行输输入入的的AD7543等等,下下面面介绍介绍DAC0832。8.1.4 集成集成DAC2/5/202321电路结构:电路结构:DAC0832是电流输出型八位数是电流输出型八位数/模转模转换电路,它也可以连成电压输出型。可以直接与微换电路,它也可以连成电压输出型。可以直接与微处理器相连而不需要加处理器相连而不需要加I/O接口。采用接口。采用CMOS工艺制工艺制成的成的20脚双列直插式八位脚双列直插式八位D/A转换器。其结构框图转换器。其结构框图如图如图8-3(
11、a)所示。所示。8.1.4 集成集成DAC2/5/202322双缓冲方式双缓冲方式2/5/202323R2R01R2R01R2R01R2R01R2R01R2R01R2R012R2R01VREFIO1IO2(MSB)(LSB)(a)电流型开关电流型开关DAC0832采采用用T型型电电阻阻解解码码网网络络,用用电电流流输输出出工工作作方方式式时时,接接成成倒倒T型型网网络络,如如图图8-4(a)所示。所示。8.1.4 集成集成DAC2/5/2023248.1.4 集成集成DAC用电压方式工作时,参考电压接到一个电流输出用电压方式工作时,参考电压接到一个电流输出端端(二进制原码接二进制原码接IO1端
12、,反码接端,反码接IO2端端),输出电压,输出电压从原来的从原来的VREF端得到,如图端得到,如图8-4(b)所示。所示。R2R01R2R01R2R01R2R01R2R01R2R01R2R012R2R01VOIO1IO2(MSB)(LSB)(b)电压型开关电压型开关VREF2/5/2023258.1.5 D/A转换器应用举例转换器应用举例 可编程增益控制放大器可编程增益控制放大器由D/A转换器AD7520、运算放大器A和四线-十线译码器组成。DAC接到运算放大器的输出端和反相输入端。运算放大器的输出电压作为AD7520的参考电压,D/A转换器的输出电流IO被送回到运算放大器的反相输入端。8.1
13、.5 D/A转换器应用举例转换器应用举例可编程增益控制放大器可编程增益控制放大器可编程增益控制放大器如图所示。可编程增益控制放大器如图所示。四线四线-十线译码器十线译码器2R2RR2RR2RR2RR2RR98210-+AVOVIIiIfa10a9a3a2a1数据输入数据输入AD7520BCD数据输入数据输入a1=1:IO=21Iia2=1:IO=22Iia3=1:IO=23Iia4=1:IO=24Ii a5=1:IO=25Iia6=1:IO=26Ii a7=1:IO=27Iia8=1:IO=28Ii a9=1:IO=29Iia10=1 IO=210Ii 其中:其中:Ii=Vi/R 2/5/20
14、2327所以:所以:因为:因为:放大器的电压放大倍数为:放大器的电压放大倍数为:因为四线因为四线十线译码器的十个输出端只能有一个为十线译码器的十个输出端只能有一个为1,所以上式为:,所以上式为:n:098.2 模模/数转换器数转换器(ADC)模模/数数(A/D)转换是把模拟电压或电流转换转换是把模拟电压或电流转换为与之成正比的数字量。为与之成正比的数字量。一般一般A/D转换需经采样、保持、量化、编转换需经采样、保持、量化、编码四个步骤。码四个步骤。其中采样和保持由采样保持电路完成,其中采样和保持由采样保持电路完成,量化与编码在转换过程中同时完成。量化与编码在转换过程中同时完成。2/5/2023
15、298.2.1 几个基本概念几个基本概念采样与保持采样与保持采样就是按一定时间间隔采集模拟信号。采样就是按一定时间间隔采集模拟信号。由于由于A/D转换需要时间,所以采样得到的转换需要时间,所以采样得到的“样值样值”在在A/D转换期间就不能改变,因转换期间就不能改变,因此对采样得到的信号此对采样得到的信号“样值样值”就需要保持就需要保持一段时间,直到下一次采样。一段时间,直到下一次采样。2/5/2023308.2.1 几个基本概念几个基本概念采样与保持采样与保持CSvIvSvC(a)电路示意图电路示意图vOvO0tvIvI0tvS(b)波形图波形图2/5/202331采样定理采样定理采样定理:只
16、有当采样频率大于模拟信号最采样定理:只有当采样频率大于模拟信号最高频率分量的高频率分量的2倍倍(fS2fmax)时,所采集的信时,所采集的信号样值才能不失真地反映原来模拟信号的变号样值才能不失真地反映原来模拟信号的变化规律。化规律。因为任何一个模拟信号都可以看作是由若干因为任何一个模拟信号都可以看作是由若干个不同频率的正弦信号叠加而成,所以用图个不同频率的正弦信号叠加而成,所以用图8-8所示电路说明采样定理的物理意义。所示电路说明采样定理的物理意义。2/5/202332(a)vfS2fAfS2fAv(b)fS=2fA(c)vfS=2fA(d)v采样定理的物理意义采样定理的物理意义2/5/202
17、333fS2fAv(e)fS2fA(f)v从给定的一组采样值中得到两种不同频率从给定的一组采样值中得到两种不同频率的正弦波称作混叠的正弦波称作混叠(alias)。混叠将导致模糊。混叠将导致模糊。采样定理的物理意义采样定理的物理意义2023/2/534常用的几种采样保持电路常用的几种采样保持电路采样保持电路种类很多,图采样保持电路种类很多,图8-9是三种常用是三种常用的采样保持电路。的采样保持电路。vO(t)vI(t)vS(t)T-+A(a)基本采样保持电路基本采样保持电路C2/5/202335常用的几种采样保持电路常用的几种采样保持电路增加了射极跟随器用于提高输入阻抗。增加了射极跟随器用于提高
18、输入阻抗。vO(t)vI(t)vS(t)T-+A2(b)高输入阻抗的采样保持电路高输入阻抗的采样保持电路C-+A12/5/202336常用的几种采样保持电路常用的几种采样保持电路要求要求R2C必须足够小,必须足够小,vO才能跟踪输入才能跟踪输入vI。vO(t)vS(t)T-+A(c)R2CTC的采样保持电路R1R2C2/5/202337量化与编码量化与编码任任何何一一个个数数字字量量的的大大小小只只能能是是规规定定的的最最小小数数量量的的整整数数倍倍,而而不不能能是是小小数数。因因此此对对采采样样保保持持得得到到的的信信号号要要用用近近似似的的方方法法进进行行取取值。近似的过程就是量化。值。近
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