数模和模数转换讲稿.ppt

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1、关于数模和模数转换第一页，讲稿共五十五页哦1、掌握DAC和ADC的定义及应用；2、了解DAC的组成、倒T型电阻网络、集成D/A转换器、转换精度及转换速度；3、了解ADC组成、逐次逼近型A/D转换器、积分型A/D转换器、转换精度及转换速度。第二页，讲稿共五十五页哦11.1 概述概述模数转换（模数转换（A/D转换）：转换）：将模拟信号转换为数字信号。将模拟信号转换为数字信号。实现实现A/D转换的电路称为转换的电路称为A/D转换器，简写为转换器，简写为ADC(Analog-Digital Converter)数模转换（数模转换（D/A转换）：转换）：将数字信号转换为模拟信将数字信号转换为模拟信号。实

2、现号。实现D/A转换的电路称为转换的电路称为D/A转换器，简写为转换器，简写为DAC(Digital-Analog Converter)第三页，讲稿共五十五页哦用途用途Sensor放大器A/DMicrocomputer控制对象D/A温度时间要求要求:！精度！速度电加热炉热电偶第四页，讲稿共五十五页哦 D/A转换器转换器的任务是接收到一个数字量的任务是接收到一个数字量(D)后，输出一个相应后，输出一个相应的电压的电压(A)。11.2 D/A转换器转换器将数字信号转换为模拟信号的电路将数字信号转换为模拟信号的电路。D00111111 D/A转换器转换器A(电压or电流)？第五页，讲稿共五十五页哦电

3、阻网络求和放大器参考电压一、权电阻网络一、权电阻网络D/A转换器转换器电子开关虚短虚短:V-V+=0电子开关由输入数字信电子开关由输入数字信号号D控制；控制；D=d3d2d1d0，；当；当di=1时时Si接到接到VREF；当；当di=0时时Si接到接到地。地。第六页，讲稿共五十五页哦一、权电阻网络一、权电阻网络D/A转换器转换器虚短虚短:V-V+=0第七页，讲稿共五十五页哦 n位权电阻网络位权电阻网络D/A转换器，当反馈电阻取为转换器，当反馈电阻取为R/2时，时，输出电压的计算公式：输出电压的计算公式：输出电压的变化范围输出电压的变化范围:优点：优点：结构简单，所用的电阻元件数很少。结构简单，

4、所用的电阻元件数很少。缺点：缺点：各电阻的阻值相差较大，不能保证有很高的各电阻的阻值相差较大，不能保证有很高的精度。精度。第八页，讲稿共五十五页哦二、倒二、倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器第九页，讲稿共五十五页哦 由于由于V-V+=0,所以无论开关所以无论开关S合合到哪一边，都相当到哪一边，都相当于接到了于接到了“地地”，流过各支路的电，流过各支路的电流始终不变。流始终不变。第十页，讲稿共五十五页哦 n 位输入的倒位输入的倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器，当反馈电阻转换器，当反馈电阻取为取为R时，输出电压的计算公式：时，输出电压的计算公式：优点：优点：（1）只有）只有R和和2R两

5、种阻值的电阻，可达到较高的精度；两种阻值的电阻，可达到较高的精度；（2）各支路电流恒定不变，在开关状态变化时，不需电流建立时）各支路电流恒定不变，在开关状态变化时，不需电流建立时间，所以电路转换速度高，使用广泛。间，所以电路转换速度高，使用广泛。第十一页，讲稿共五十五页哦CB7520电路原理图电路原理图习题习题3、4、5第十二页，讲稿共五十五页哦三、权电流型三、权电流型D/A转换器转换器恒流源第十三页，讲稿共五十五页哦 为减少电阻阻值的种类，在实用的权电流型为减少电阻阻值的种类，在实用的权电流型D/A转换器中，经常利转换器中，经常利用倒用倒T形电阻网络的分流作用产生一组所需的恒流源。形电阻网络

6、的分流作用产生一组所需的恒流源。按比例加大发射结的面积第十四页，讲稿共五十五页哦DAC0808电路结构框图电路结构框图第十五页，讲稿共五十五页哦已知已知VREF=10V?第十六页，讲稿共五十五页哦当输入数字量有当输入数字量有极性时，希望输出的模拟电压也对应为极性时，希望输出的模拟电压也对应为。例：输入为三位二进制补码。最高位为符号位：正数为例：输入为三位二进制补码。最高位为符号位：正数为0，负数为负数为1补码输入对应的十进制要求的输出D2 D1 D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V四、具有双极性输出的四

7、、具有双极性输出的D/A转换器转换器第十七页，讲稿共五十五页哦原码输入对应的输出偏移后的输出D2 D1 D0111+7V+3V110+6V+2V101+5V+1V100+4V0V011+3V-1V010+2V-2V001+1V-3V0000V-4V补码输入对应的十进制要求的输出D2 D1 D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V*将符号位反相后接至高位输入将符号位反相后接至高位输入*将输出偏移将输出偏移,使输入为使输入为100100时，输出为时，输出为0 01双极性输出双极性输出单极性输出单极性输出如何将单

8、极性的如何将单极性的D/A转换器改造成双极性转换器改造成双极性D/A转换器？转换器？第十八页，讲稿共五十五页哦接偏置电流符号位求反*将符号位反相后接至高位输入将符号位反相后接至高位输入*将输出偏移将输出偏移,使输入为使输入为100100时，输出为时，输出为0 0电路实现：电路实现：第十九页，讲稿共五十五页哦*将符号位反相后接至高位输入将符号位反相后接至高位输入*将输出偏移将输出偏移,使输入为使输入为100100时，输出为时，输出为0 0电路实现：电路实现：偏移偏移-4V,使输入使输入D=100时时,v0=0V选择合适的选择合适的VB和和RB可实现双极性输出可实现双极性输出习题习题6、7第二十页

9、，讲稿共五十五页哦五、五、D/A转换器的主要参数转换器的主要参数（1 1）分辨率：）分辨率：D/A转换器理论上可达到的精度。转换器理论上可达到的精度。1.D/A转换器的转换精度转换器的转换精度 分辨率也可用分辨率也可用D/A转换器能够分辨出来的最小输出电压与最大输转换器能够分辨出来的最小输出电压与最大输出电压的比值来表示。例如：出电压的比值来表示。例如：10位位D/A转换器的分辨率为：转换器的分辨率为：分辨率可以用输入二进制数码的位数表示。分辨率可以用输入二进制数码的位数表示。分辨率也可以用分辨率也可以用D/A转换器能够分辨出来的最小输出电压表转换器能够分辨出来的最小输出电压表示（示（1LSB

10、）。）。第二十一页，讲稿共五十五页哦（2）转换误差：）转换误差：D/A转换器实际上能达到的转换精度（误差）转换器实际上能达到的转换精度（误差）。可可以以用用输输出出电电压压满满刻刻度度值值的的百百分分数数表表示示，也也可可用用最最低低位位有有效效值值的的倍数（倍数（m LSB）表示。）表示。第二十二页，讲稿共五十五页哦（1）建立时间）建立时间tset：指指输入数字量各位由全输入数字量各位由全0变为全变为全1或或由全由全1变为全变为全0时时,输出电压达到某一规定值所需要的时输出电压达到某一规定值所需要的时间。间。通常建立时间在通常建立时间在100 ns 几十几十 s之间。之间。2.D/A转换器的

11、转换速度转换器的转换速度（2）转换速率）转换速率SR：习题习题13、11第二十三页，讲稿共五十五页哦11.3 AD转换器转换器A/D转换器转换器 UI输入模拟电压输入模拟电压D7D0输出数字量输出数字量0 V 5 V0000000011111111第二十四页，讲稿共五十五页哦一、一、A/D转换的基本原理转换的基本原理 A/D转换的三个过程：转换的三个过程：采样量化编码采样量化编码 第二十五页，讲稿共五十五页哦采样采样 采样是对模拟信号进行周期性地抽取样值的过采样是对模拟信号进行周期性地抽取样值的过程。程。把模拟信号把模拟信号 vI 转换成时间上断续、幅度等于采样时模拟信号值转换成时间上断续、幅

12、度等于采样时模拟信号值的离散信号的离散信号 vS。采样定理：采样定理：fs2fi(max)输入模拟信号中的最高频率采样频率由采样由采样-保持电路完成保持电路完成第二十六页，讲稿共五十五页哦量化量化 将采样保持电路的输出电压，按某种近似方式归化到与之将采样保持电路的输出电压，按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上，这一转化过程称为相应的离散电平上，这一转化过程称为数值量化数值量化，简称，简称量化量化。量化后的数值用一个二进制代码表示出来，这一过程称为量化后的数值用一个二进制代码表示出来，这一过程称为编编码码。将采样输出电压表示为一个最小单位的整数倍，所取将采样输出电压表示为一个最小单位的整数倍

13、，所取的最小数量单位称为量化单位的最小数量单位称为量化单位(1LSB），用），用 表示。表示。编码编码 量化编码过程量化编码过程第二十七页，讲稿共五十五页哦取量化间隔取量化间隔:=0.5V双极性信号量化编码过程双极性信号量化编码过程第二十八页，讲稿共五十五页哦量化误差：量化误差：当采样电压不能被当采样电压不能被当采样电压不能被当采样电压不能被 整除时，将引入量化误差整除时，将引入量化误差整除时，将引入量化误差整除时，将引入量化误差0V第二十九页，讲稿共五十五页哦第三十页，讲稿共五十五页哦二、直接二、直接A/D转换器转换器 并联比较型并联比较型0vi VREF/15时时，7个个比比较较器器输输

14、出出 全全 为为 0 0，CP 到到来来后后，7个个触触发发器器都都置置0 0。经经编编码码器器编编码码后后输输出出的的二二进进制制代代码码为为d2d1d0000。第三十一页，讲稿共五十五页哦时，时，7个比较器个比较器中只有中只有C1输出输出为为1，CP到来到来后，只有触发后，只有触发器器FF1置置1，其，其余触发器仍为余触发器仍为0。经编码器编码经编码器编码后输出的二进后输出的二进制代码为制代码为d2d1d0=001。第三十二页，讲稿共五十五页哦时，比较器中时，比较器中C1、C2输出为输出为1，CP到来后，到来后，触发器触发器FF1、FF2置置1，其余，其余触发器仍为触发器仍为0。经编码器编

15、码经编码器编码后输出的二进后输出的二进制代码为制代码为d2d1d0=011。第三十三页，讲稿共五十五页哦第三十四页，讲稿共五十五页哦*快快:CP:CP触发信号到达到输出稳定建立只需几十触发信号到达到输出稳定建立只需几十nsns*精度精度:受参考电压、分压网络等因素影响受参考电压、分压网络等因素影响*电路规模电路规模:n:n位需要位需要2n-12n-1比较器，触发器。比较器，触发器。并联比较型并联比较型特点特点第三十五页，讲稿共五十五页哦逐次比较型逐次比较型AD转换器转换器 其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四个砝码共重其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四个砝码共重15克，每个重量分别为克，每个

16、重量分别为8、4、2、1克。设待秤重量克。设待秤重量Wx=13克，可克，可以用下表步骤来秤量以用下表步骤来秤量：砝码重砝码重第一次第一次第二次第二次第三次第三次第四次第四次加加4克克加加2克克加加1克克8 克克砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx，故保留，故保留砝码总重仍砝码总重仍 待测重量待测重量Wx，故撤除，故撤除砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx，故保留，故保留暂时结果暂时结果8 克克12 克克12 克克13 克克 结结 论论反馈比较型反馈比较型 第三十六页，讲稿共五十五页哦！电路不太复杂！较快反馈比较型反馈比较型 第三十七页，讲稿共五十五页哦1 0 0 0 0逐次比较型逐次比较型

17、A/D转换器转换器电路原理图电路原理图0 0 000 0 01 1第三十八页，讲稿共五十五页哦1 0 0 0 03位：5个CPN位:(n+2)个CP逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器电路原理图电路原理图0 0 000 0 01 110 1 0 0 00 0110第三十九页，讲稿共五十五页哦三、间接三、间接A/D转换器转换器双积分型双积分型A/D转换器转换器又称为电压时间变换型（又称为电压时间变换型（VT变换型）变换型）第四十页，讲稿共五十五页哦双积分型双积分型A/D转换器转换器0，t=T1时时第四十一页，讲稿共五十五页哦双积分型双积分型A/D转换器转换器第四十二页，讲稿共五十五页哦 先将先

18、将Vi转换成与之成转换成与之成正比的时间信号，然后正比的时间信号，然后在这个时间内用固定频在这个时间内用固定频率脉冲计数率脉冲计数.双积分型双积分型A/D转换器原理转换器原理:（VT变换型）变换型）A/D转换器转换器第四十三页，讲稿共五十五页哦控制电路的实现控制电路的实现第四十四页，讲稿共五十五页哦V-F 变换型变换型fout=k1vI;计数器在计数器在TG时间里对时间里对fout计数，计数，则则 D=TG fout=TGk1vID适合远距离传输适合远距离传输第四十五页，讲稿共五十五页哦不同的不同的A/D转换器的比较转换器的比较第四十六页，讲稿共五十五页哦四、四、A/D转换器的主要参数转换器的

19、主要参数 A/DA/D转转换换器器的的分分辨辨率率用用输输出出二二进进制制数数的的位位数数表表示示，位位数数越越多多，误差越小，转换精度越高。误差越小，转换精度越高。分辨率也可以用分辨率也可以用1LSB的电压表示，是的电压表示，是 A/D转换器能够分辨出来的最转换器能够分辨出来的最小输出电压。小输出电压。例例如如：输输入入模模拟拟电电压压的的变变化化范范围围为为0 05V5V，输输出出1010位位二二进进制制数数可可以分辨的最小模拟电压为以分辨的最小模拟电压为5V2104.88mV。(1)分辨率：分辨率：1.A/D转换器的转换精度转换器的转换精度（2）转换误差）转换误差 通通常常以以输输出出误

20、误差差最最大大值值的的形形式式给给出出，表表表表示示示示实实实实际际际际输输输输出出出出的的的的数数数数字字字字量量量量和和和和理论上应有的输出数字量之间的差别。理论上应有的输出数字量之间的差别。理论上应有的输出数字量之间的差别。理论上应有的输出数字量之间的差别。第四十七页，讲稿共五十五页哦2.A/D转换器的转换速度转换器的转换速度 A/DA/D转转换换速速度度是是指指完完成成一一次次转转换换所所需需的的时时间间。转转换换时时间间是是指指从从接接到到模模拟拟输输入入信信号号开开始始，到到输输出出端端得得到到稳稳定定的的数数字字输输出出信信号号所所经过的这段时间。经过的这段时间。A/D转换速度转

21、换速度取决于电路结构类型取决于电路结构类型取决于电路结构类型取决于电路结构类型:并联比较型：并联比较型：并联比较型：并联比较型：1uS1uS逐次逼近型：几逐次逼近型：几逐次逼近型：几逐次逼近型：几100uS100uS双积分型：几十双积分型：几十双积分型：几十双积分型：几十mS/mS/次次次次第四十八页，讲稿共五十五页哦AD7767是高速、低功耗、单电源供电、高精度的是高速、低功耗、单电源供电、高精度的24位位AD转换器，它采转换器，它采用逐次逼近结构。芯片内部还集成了跟踪保持电路，此器件广泛的应用逐次逼近结构。芯片内部还集成了跟踪保持电路，此器件广泛的应用于多通道系统中。其特点如下：用于多通道

22、系统中。其特点如下：(1)功耗为功耗为15mw，109.5dB动态范围，转换速率动态范围，转换速率128kbs。(2)高精度：高精度：24位內无误编码位內无误编码(No Missing Codes；NMC)。(3)温度漂移性低，零误差漂移为温度漂移性低，零误差漂移为15nV/度度(摄氏摄氏)。(5)工作温度范围：工作温度范围：-40至至105。(6)片内自带低通片内自带低通FIR滤波器滤波器:带通纹波：带通纹波：0.005dB，带阻衰减：，带阻衰减：100dB*A/D转换器芯片介绍转换器芯片介绍第四十九页，讲稿共五十五页哦AD7767的主要引脚及功能：的主要引脚及功能：VREF：基准输入端基准

23、输入端,电压值范围是电压值范围是2.4V5VMCLK：主时钟输入主时钟输入。AD7767的采样频率的采样频率 等于主时钟频率。等于主时钟频率。DVDD：数字电源输入端。数字电源输入端。CS ：片选端。在它的下降沿，转换结果片选端。在它的下降沿，转换结果 放到数据总线上放到数据总线上。SDI：串行数据输入端。用于多片串行数据输入端。用于多片D7767 级联的输入。级联的输入。SDO：24位串行数据输出端，高位先出。位串行数据输出端，高位先出。DRDY：数据准备输出端。它的下降沿表示有新数据准备输出端。它的下降沿表示有新的转换数据已经存在输出寄存器中的转换数据已经存在输出寄存器中SCLK：串行时钟

24、输入。串行时钟输入。V in+：模拟差分输入的正端模拟差分输入的正端。V in-：模拟差分输入的负端。模拟差分输入的负端。：多片同步及掉电输入端。：多片同步及掉电输入端。第五十页，讲稿共五十五页哦功能框图如图功能框图如图 第五十一页，讲稿共五十五页哦AD7767时序图AD7767与单片机接口与单片机接口3.03.1第五十二页，讲稿共五十五页哦第五十三页，讲稿共五十五页哦ADS1271内部结构图 ADS1271:高带宽的24位模/数转换器（ADC）ADS1271接收差分接收差分模拟信号，要测量模拟信号，要测量的输入信号接到引的输入信号接到引脚脚AINP和和AINN。AINP为正信号输入为正信号输入端，端，AINN为负信号为负信号输入端。输入端。第五十四页，讲稿共五十五页哦感谢大家观看第五十五页，讲稿共五十五页哦