第九章数模模数转换器课件.ppt

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1、9-1 9-1 概述概述9-29-2 D/A转换器转换器9-39-3 A/D转换器转换器本章小结本章小结本章基本要求掌握掌握A/DA/D、D/AD/A转换器的工作原理转换器的工作原理正确理解正确理解D/AD/A、A/DA/D转换器的主要参数转换器的主要参数9-1 9-1 概述概述 模模拟拟传感器传感器A/D转换器转换器 数字控制数字控制计算机计算机 D/A转换器转换器 模拟模拟控制器控制器 工业生产过程控制对象工业生产过程控制对象 ADCADC和和DACDAC已成为计算机系统中不可缺少的接口电路已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。传感器传感器(温度、压力、温度、压力、流量、应力等）流量、应力

2、等）计算机进行数字处计算机进行数字处理（如计算、滤波）理（如计算、滤波）、数据保存等、数据保存等用模拟量作用模拟量作为控制信号为控制信号A/D、D/A 转换器的精度和速度转换器的精度和速度精度精度保证转换的保证转换的准确性准确性速度速度保证保证适时控制适时控制1.DAC的功能的功能:将将数数字字量量成成正正比比地地转转换换与与之之对对应应 成成模模拟拟量量。（设设D/AD/A转转换换器器的的输输入入数数字字量量为为 n n位）位）n位位数字量数字量模拟量模拟量05V或或010V等等DAC4位位8位位10位位12位位16位等位等n=9-2 D/A9-2 D/A转换器转换器3.D/A3.D/A转换

3、器的组成转换器的组成 电阻网络电阻网络 模拟电子开关模拟电子开关 求和运算放大器求和运算放大器二、权电阻二、权电阻D/AD/A变换器变换器(倒倒T形电阻网络形电阻网络)Di=0,Si则将电阻则将电阻2R接地接地Di=1,Si接运算放大器反相端，电流接运算放大器反相端，电流Ii流入求和电路流入求和电路 电阻电阻网络网络模拟电模拟电子开关子开关求和运算放求和运算放大器大器输输出出模模拟拟电电压压输入输入4 4位位二进制数二进制数根据运放线性运用时虚地的概念可知，无论模根据运放线性运用时虚地的概念可知，无论模拟开关拟开关S Si i处于何种位置，与处于何种位置，与S Si i相连的相连的2R2R电阻

4、将电阻将接接“地地”或虚地或虚地。1 1、原理电路、原理电路2 2、D/AD/A转换器的倒转换器的倒T T形电阻网络形电阻网络基准电源基准电源V VREFREF提供的总电流为：提供的总电流为：I=I=？流过各开关支路的电流：流过各开关支路的电流：I I3 3=？I I2 2=？I I1 1=？I I0 0=？I/4I/8I/16RRRRI/2I/4I/8I/16I/2I3I2I1I0流入每个流入每个2R2R电阻的电流从高位到低位按电阻的电流从高位到低位按2 2的整数倍递减。的整数倍递减。3.3.工作原理：工作原理：II2I1I0I3输出模拟电压：输出模拟电压：3.3.工作原理工作原理4 4位倒

5、位倒T T形电阻网络形电阻网络DACDAC的输出模拟电压：的输出模拟电压：推广到推广到 n n 位倒位倒T T形电阻网络形电阻网络DAC,DAC,有：有：令：令：则则 O=K NB 上式表明，在电路中输入的每一个二进制数上式表明，在电路中输入的每一个二进制数N NB B，均能得到与之成正比的模拟电压输出。均能得到与之成正比的模拟电压输出。D Di i=1=1时，开关时，开关S Si i接接运放的反相端运放的反相端;D Di i=0=0时，开关时，开关S Si i接地。接地。在恒流源电路中，各支路权电流的大小均不受开关在恒流源电路中，各支路权电流的大小均不受开关导通电阻和压降的影响，这样降低了对

6、开关电路的导通电阻和压降的影响，这样降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。要求，提高了转换精度。采用恒流源电路采用恒流源电路后对提高转换精后对提高转换精度有什么好处？度有什么好处？三、权电流型三、权电流型D/AD/A转换器转换器为实际输出模拟电压与理想输出模拟电压间的最大误为实际输出模拟电压与理想输出模拟电压间的最大误差。差。(二二)转换误差转换误差可用占输出电压满刻度值的百分数表示或可用最可用占输出电压满刻度值的百分数表示或可用最低有效位（低有效位（LSB）的倍数表示。）的倍数表示。如如:（LSB）=输入为输入为 0001 时输出模拟电压时输出模拟电压的一半。的一半。产生原因：由于产生原因

7、：由于D/AD/A转换器中各元件参数值存在误差，转换器中各元件参数值存在误差，如基准电压不够稳定或运算放大器的零漂等各种因素如基准电压不够稳定或运算放大器的零漂等各种因素的影响。的影响。2.2.转换速度转换速度 输入数字量变化时，输出电压变化到响应对应电输入数字量变化时，输出电压变化到响应对应电压值所需的时间。压值所需的时间。建立时间和转换速率来描述。建立时间和转换速率来描述。建立时间：建立时间：输入数字量变化时，输出电压达到规定误输入数字量变化时，输出电压达到规定误差范围所需要的时间。差范围所需要的时间。转换速率：转换速率：大信号工作状态下，模拟输出电压的最大大信号工作状态下，模拟输出电压的

8、最大变化率。变化率。二、二、A/DA/D转换器的工作过程转换器的工作过程1.1.取样与保持取样与保持 采样是将随时间连续变化的模采样是将随时间连续变化的模拟量转换为在时间离散的模拟量。拟量转换为在时间离散的模拟量。采样信号采样信号S(t)S(t)的频率愈高，所的频率愈高，所采得信号经低通滤波器后愈能真采得信号经低通滤波器后愈能真实地复现输入信号。合理的采样实地复现输入信号。合理的采样频率由采样定理确定。频率由采样定理确定。采样定理：采样定理：设采样信号设采样信号S S(t t)的的频率为频率为f fs s，输入模拟信号，输入模拟信号 I I(t t)的的最高频率分量的频率为最高频率分量的频率为

9、f fimaximax，则则 f fs s 2 2f fimaximax要求：要求：A AV1V1 A AV2V2=1A=1A1 1的的R Ri i高，高，A A2 2的的R Ri i 高，高，A A2 2的的R Ro o低。低。采样采样不能不能放电放电保持保持保持：保持：保持取样信号保持取样信号,使有充分时间将其变为数字信号。使有充分时间将其变为数字信号。为了给后续的量化编码过程提供一个稳定的值，在取样为了给后续的量化编码过程提供一个稳定的值，在取样电路后要加保持电路，将所采样的模拟信号保持一段时电路后要加保持电路，将所采样的模拟信号保持一段时间。间。2.编码与量化编码与量化将采样将采样保持

10、电路的输出电量，按某种近似方式归化保持电路的输出电量，按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上。这一转化过程我们称为数到与之相应的离散电平上。这一转化过程我们称为数值量化，简称量化。值量化，简称量化。任何一个数字量的大小只能是某任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。个规定的最小数量单位的整数倍。量化后的数值最后还需通过编码过程用一个代码表量化后的数值最后还需通过编码过程用一个代码表示出来。经编码后得到的代码就是示出来。经编码后得到的代码就是A/DA/D转换器输出的转换器输出的数字量。数字量。编码编码量化误差量化误差量化过程中所取最小数量单位称为量化单位用量化过程中所取最小数

11、量单位称为量化单位用 表示。表示。它是数字信号最低位为它是数字信号最低位为1 1时所对应的模拟量，即时所对应的模拟量，即1 1LSBLSB。任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。位的整数倍。在量化过程中由于采样电压不一定能被在量化过程中由于采样电压不一定能被 整除，所以整除，所以量化前后不可避免地存在误差，此误差我们称之为量量化前后不可避免地存在误差，此误差我们称之为量化误差，用化误差，用 表示。表示。两种近似量化方式：舍尾取整方式和四舍五入的量两种近似量化方式：舍尾取整方式和四舍五入的量化方式。化方式。（2 2）两种量化方式）

12、两种量化方式舍尾取整方式舍尾取整方式:量化中把不足量化中把不足1 1个量化单位的部分舍弃；个量化单位的部分舍弃；最大量化误差为：最大量化误差为：01V1111101011000110100010000=0 v7=7/8 v6=6/8 v5=5/8 v4=4/8 v3=3/8 v2=2/8 v1=1/8 v输入信号输入信号编码编码模拟电平模拟电平1/8V2/8V6/8V4/8V5/8V3/8V7/8V最大量化误差最大量化误差 =(1/8)V三、并行比较型三、并行比较型A/DA/D转换器转换器 1、电路组成、电路组成电压比较器电压比较器输入模输入模拟电压拟电压精密电阻精密电阻网络（网络（23个电阻

13、）个电阻）精密参精密参考电压考电压D触发器触发器VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15输出输出数字数字量量11VREF/159VREF/1513VREF/157VREF/153VREF/15VREF/155VREF/15VI=8VREF/1511110000001111I7的优先级最高的优先级最高001vivO2 2、工作原理、工作原理 vI CO1 CO2 CO3 CO4 CO5 CO6 CO7 D2 D1 D0 7VREF/15 vI 9VREF/15 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 9VREF/15 vI

14、 11VREF/15 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 5VREF/15 vI 7VREF/15 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 3VREF/15 vI 5VREF/15 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 11VREF/15 vI 13VR/15 0 1 1 1 1 1 1 1 1 013VREF/15 vI VREF 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 VREF/15 vI 3VREF/15 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 vI VREF/15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与根据各比较器的参考电压

15、值，可以确定输入模拟电压值与各比较器输出状态的关系。比较器的输出状态由各比较器输出状态的关系。比较器的输出状态由D D触发器存储，触发器存储，经优先编码器编码，得到数字量输出。经优先编码器编码，得到数字量输出。2 2、工作原理、工作原理A/DA/D转转换换器器和和D/AD/A转转换换器器是是数数字字系系统统和和各各种种工工程程技技术相联系的桥梁，在二者之间起着术相联系的桥梁，在二者之间起着“翻译翻译”的作用。的作用。A=DR 和和 D常常用用的的A/DA/D转转换换器器主主要要有有双双积积分分型型、逐逐次次比比较较型型和和并行比较型三种。并行比较型三种。小结小结常用的常用的D/AD/A转换器主要有权电阻型和倒转换器主要有权电阻型和倒T T形电阻网络形电阻网络两种电路。两种电路。实现实现D/AD/A转换和转换和A/DA/D转换，都需要一个模拟参考量转换，都需要一个模拟参考量R R，使得使得返回返回