第九章数模和模数转换器优秀PPT.ppt
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1、第九章数模和模数转换器第一页,本课件共有47页u数模转换器(简称数模转换器(简称D/A转换器或转换器或DAC)9.1 9.1 概述概述 能够将数字信号转换成模拟信号的电路。能够将数字信号转换成模拟信号的电路。u模数转换器(简称模数转换器(简称A/D转换器或转换器或ADC)能够将模拟信号转换成数字信号的电路。能够将模拟信号转换成数字信号的电路。非非电电模模拟拟量量电电模模拟拟量量模模数数转转换换计算机或计算机或数字系统数字系统传传感感器器开关控制开关控制数模转换数模转换模拟控制模拟控制数字控制系统原理框图数字控制系统原理框图数据传输系统原理框图数据传输系统原理框图电电模模拟拟量量模模数数转转换换
2、存储、传存储、传输、处理输、处理声声音音或或图图像像声声音音或或图图像像传传感感器器数数模模转转换换ADCADC和和DACDAC是沟通模拟是沟通模拟电路和数字电路的桥电路和数字电路的桥梁,也可称之为两者梁,也可称之为两者之间的接口,在各种之间的接口,在各种系统中应用很广。系统中应用很广。第二页,本课件共有47页一、一、D/A转换器的基本工作原理转换器的基本工作原理D/A转换器实质上是一个译码器(解转换器实质上是一个译码器(解码器),将输入的二进制数字量转换码器),将输入的二进制数字量转换成模拟量,并以电压或电流的形式输成模拟量,并以电压或电流的形式输出。出。9.2 9.2 D/A转换器转换器
3、D/A (MSB)(LSB)D0Dn-2Dn-1D1vO(iO)将输入的每一位二进制代码按其将输入的每一位二进制代码按其权值权值大小转换成相应的模拟量,大小转换成相应的模拟量,然后将代表各位的然后将代表各位的模拟量相加模拟量相加,则所得的总模拟量就与数字量成,则所得的总模拟量就与数字量成正比,这样便实现了从数字量到模拟量的转换。正比,这样便实现了从数字量到模拟量的转换。1 1、数、数/模转换方法模转换方法:第三页,本课件共有47页uDAC的输出特性的输出特性:DAC输出特性输出特性000000110110100111001111103579111315vO/kDI1101DAC输出模拟量的大小
4、与输入数输出模拟量的大小与输入数字量大小成正比:字量大小成正比:两两个个相相邻邻数数码码转转换换出出的的电电压压值值之之间间的的差差值值,是是信信息息所所能能分分辨辨的的最最小小量量(1LSB);最最大大输输入入数数字字量量对对应应的的输输出出电电压压值值(绝绝对对值值)用用FSR表示。表示。1LSBLeast Significant BitFSRFull Scale Range第四页,本课件共有47页2 2、D/AD/A转换器的一般构成转换器的一般构成D/A转换器一般由转换器一般由数码缓冲寄存器数码缓冲寄存器、模拟电子开关模拟电子开关、参考电压参考电压、解解码网络码网络和和求和电路求和电路等
5、组成。等组成。数字量以串行或并行方式输入,并存储在数码缓冲寄存器数字量以串行或并行方式输入,并存储在数码缓冲寄存器中;寄存器的输出驱动对应数位上的电子开关,将在解码网络中;寄存器的输出驱动对应数位上的电子开关,将在解码网络中获得的相应数位的权值送入求和电路;求和电路将各位权值中获得的相应数位的权值送入求和电路;求和电路将各位权值相加,便得到与数字量对应的模拟量。相加,便得到与数字量对应的模拟量。n位数字量位数字量输输入入模模拟拟量量输输出出n 位位D/A转换器方框图转换器方框图数数码缓码缓冲冲寄存器寄存器n位数控位数控模模拟拟开关开关解解码码网网络络求和求和电电路路参考参考电压电压按解码网络的
6、结构不同,有按解码网络的结构不同,有权电阻网络权电阻网络DAC、倒倒T型电阻网型电阻网络络DAC、权电流型权电流型DAC等。等。第五页,本课件共有47页二、权电阻网络二、权电阻网络D/AD/A转换器转换器“权电阻权电阻”:电阻值的大小与对应数字量的权重密切相关。电阻值的大小与对应数字量的权重密切相关。di=1时,时,Si接接VREF;di=0时,时,Si接地接地。“电子开关电子开关”:1、电路构成、电路构成VREF+-uOd3d2d1d0I0I1I2I38R4R2RRIR/2S0S1S2S3LSBMSB权电阻权电阻双向模拟开关双向模拟开关求和电路求和电路运放组成运放组成反相求和反相求和电路实现
7、各支路电流相加并转换电路实现各支路电流相加并转换成电压输出。成电压输出。“求和电路求和电路”:第六页,本课件共有47页运放组成反相求和电路实现各支路电流相加并运放组成反相求和电路实现各支路电流相加并转换成电压输出。转换成电压输出。“求和电路求和电路”:二、权电阻网络二、权电阻网络D/AD/A转换器转换器2、工作原理、工作原理运放工作在线性区,运放工作在线性区,虚地,虚地,U-=0。若若di=0,Si接地,接地,Ii=0若若di=1,Si接接VREF,I0=VREF8RI1=VREF4R“权电阻权电阻”:电阻值的大小与有关数字量的权重密切相关。电阻值的大小与有关数字量的权重密切相关。di=1时,
8、时,Si接接VREF;di=0时,时,Si接地接地。“电子开关电子开关”:I=I3+I2+I1+I0输入的数输入的数字量字量VREF+-uOd3d2d1d0I0I1I2I38R4R2RRIR/2S0S1S2S3LSBMSBI2=VREF2RI3=VREFR第七页,本课件共有47页二、权电阻网络二、权电阻网络D/AD/A转换器转换器2、工作原理、工作原理VREF+-uOd3d2d1d0I0I1I2I38R4R2RRIR/2S0S1S2S3LSBMSB对于对于n位的位的DAC,输出电压的计算式为:,输出电压的计算式为:3、电路特点:、电路特点:(1)结构简单;)结构简单;(2)电阻的阻值相差较)电
9、阻的阻值相差较大,在位数多时,很难保大,在位数多时,很难保证精度。证精度。输出电压的范围:输出电压的范围:单位单位电压电压极性与参考电压相反。极性与参考电压相反。第八页,本课件共有47页VREFREFVOOR R R RF F F F三、倒三、倒T T型电阻网络型电阻网络D/AD/A转换器转换器1、电路构成、电路构成解码电路中,电阻只有解码电路中,电阻只有R和和2R两种,并构成倒两种,并构成倒T型电阻网络。当型电阻网络。当di=1时,相应的开关时,相应的开关Si接到求和点;当接到求和点;当di=0时,相应的开关时,相应的开关Si接地。但接地。但由于由于虚短虚短,求和点和地相连,所以不论开关如何
10、转向,电阻,求和点和地相连,所以不论开关如何转向,电阻2R总是总是与地相连与地相连。流经。流经2R电阻上的支路电流与开关状态无关。电阻上的支路电流与开关状态无关。求和点求和点虚地虚地第九页,本课件共有47页VREFREFVOOR R R RF F F F2、工作原理、工作原理求和点求和点虚地虚地从每个节点向左看,等效电阻均为从每个节点向左看,等效电阻均为2R;整个网络的等效输入电阻为整个网络的等效输入电阻为R。2R2R2R2R2R2R2R2R R RII2I4I8I16I2I4I8流入求和点的各支路电流为:流入求和点的各支路电流为:第十页,本课件共有47页流入求和点的电流为:流入求和点的电流为
11、:运算放大器的输出电压为:运算放大器的输出电压为:即输出的模拟电压即输出的模拟电压uO正比正比于输入的数字量于输入的数字量NB,从而实现了,从而实现了从数字量到模拟量的转换。从数字量到模拟量的转换。第十一页,本课件共有47页V VREFREFVOOR R R RF F F F应用:它是目前集成应用:它是目前集成D/A转换器中转换速度较高且使用转换器中转换速度较高且使用较多的一种,如较多的一种,如8位位D/A转换器转换器DAC0832,就是采用倒,就是采用倒T型电阻网络。型电阻网络。3、倒、倒T型电阻网络型电阻网络DAC的特点:的特点:优点:电阻种类少,只有优点:电阻种类少,只有R和和2R,提高
12、了制造精度;,提高了制造精度;而且支路电流同时流入求和点,不存在时间差,因而提而且支路电流同时流入求和点,不存在时间差,因而提高了转换速度。高了转换速度。第十二页,本课件共有47页四、权电流型四、权电流型D/A D/A 转换器转换器各支路恒流源的大小与对应各支路恒流源的大小与对应数字量的权重成正比。数字量的权重成正比。+-uORF-VREFS0S1S2S3i D0D1D2D316I8I4I2I若若Di=0,Si接地,接地,Ii不能加到运放输入端不能加到运放输入端若若Di=1,Si将对应的恒流将对应的恒流源加到运放输入端源加到运放输入端对于对于n位的位的DAC:第十三页,本课件共有47页五、五、
13、D/A D/A 转换器转换器的主要技术指标的主要技术指标DAC的主要技术指标有:的主要技术指标有:转换精度转换精度、转换速度转换速度。1 1、分辨率、分辨率分辨率用于表征分辨率用于表征D/A转换器对输入微小量变化的敏感程度。转换器对输入微小量变化的敏感程度。定义为定义为D/A转换器的模拟输出电压可能被分离的等级数。转换器的模拟输出电压可能被分离的等级数。05/75001 010 011 100 101 110 111vo/VD000n位位DAC有有2n个不同的模拟量个不同的模拟量输出值,即分辨率为输出值,即分辨率为2n,实际中通常用实际中通常用输入数字量的有效位输入数字量的有效位数数表示表示D
14、AC的分辨率,的分辨率,显然位数越多,分辨率越高。显然位数越多,分辨率越高。如如10位、位、8位等。位等。另外也用另外也用DACDAC的最小非零输出电压与最大的最小非零输出电压与最大输出电压输出电压之比之比来表示分辨率来表示分辨率:分辨率分辨率DAC的转换精度通常用的转换精度通常用分辨率分辨率、转换误差转换误差来描述。来描述。第十四页,本课件共有47页2 2、转换误差、转换误差用最低有效位的倍数表示。用最低有效位的倍数表示。如:某个如:某个DAC的转换误差为的转换误差为1/2LSB,表示输出模拟电压与理论值之间的绝对误差小于等于输入表示输出模拟电压与理论值之间的绝对误差小于等于输入数字代码为数
15、字代码为001时输出电压的一半。时输出电压的一半。用输出电压满刻度的百分数表示。用输出电压满刻度的百分数表示。(1)造成转换误差的主要原因)造成转换误差的主要原因:参考电压参考电压VREF的波动的波动比例系数误差比例系数误差运算放大器的零点漂移运算放大器的零点漂移失调误差失调误差模拟开关的导通内阻和导通电压模拟开关的导通内阻和导通电压电阻网络中的电阻值偏差等电阻网络中的电阻值偏差等转换误差指输出模拟电压的转换误差指输出模拟电压的实际值与理想值之差实际值与理想值之差的最大值。的最大值。非线性误差非线性误差(2)转换误差的表示方法)转换误差的表示方法:如:如:1(FSR)第十五页,本课件共有47页
16、建立时间建立时间tSet:输入由全输入由全0变为全变为全1,输出电压与稳态,输出电压与稳态值相差(值相差(LSB/2)LSB/2)所需的时间。所需的时间。一般一般DAC的的tset0,000000011101 100001第二十七页,本课件共有47页(2)四舍五入法)四舍五入法当当vI的尾数的尾数/2时,舍尾取整。时,舍尾取整。这种方法这种方法可正可负,可正可负,当当vI的尾数的尾数/2时,舍尾入整。时,舍尾入整。01V1/153/155/157/159/1511/1513/1501234567000001010011100101110111000001100 110100010第二十八页,本
17、课件共有47页 A/D转换器有转换器有直接转换法直接转换法和和间接转换法间接转换法两大类。两大类。直直接接法法是是通通过过一一套套基基准准电电压压与与取取样样保保持持电电压压进进行行比比较较,从从而而直直接接将将模模拟拟量量转转换换成成数数字字量量。其其特特点点是是工工作作速速度度高高,转转换换精精度度容容易易保保证证,调调准准也也比比较较方方便便。直直接接A/D转转换换器器有有并行比较型并行比较型、逐次比较型逐次比较型等。等。间间接接法法是是将将取取样样后后的的模模拟拟信信号号先先转转换换成成中中间间变变量量时时间间t或或频频率率f,然然后后再再将将t或或f转转换换成成数数字字量量。其其特特
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