數(shù)-模和模-數(shù)轉換課件

1、 11.1 概述 11.2 D/A轉換器 11.3 A/D轉換器第十一章 數(shù)-模與模-數(shù)轉換重點難點1、D/A、A/D的基本概念、對D/A、A/D轉化電路的要求重點：各種A/D內(nèi)部詳細結構和工作過程（非重點）3、A/D轉化電路常見類型、工作原理、輸入/出的定量關系、轉換速度、精度、分辨率難點：2、D/A轉化電路常見類型、工作原理、輸入/出的定量關系、轉換速度、精度、分辨率第十一章 數(shù)-模與模-數(shù)轉換11.1 概述模擬量：溫度、濕度、壓力、流量、速度等。從數(shù)字信號到模擬信號的轉換稱為數(shù)/模轉換（簡稱D/A轉換），實現(xiàn)數(shù)/模轉換的電路稱為D/A轉換器（簡稱DAC）。 從模擬信號到數(shù)字信號的轉換稱為

2、模/數(shù)轉換（簡稱A/D轉換），實現(xiàn)模/數(shù)轉換的電路叫做A/D轉換器（簡稱ADC）；典型數(shù)字控制系統(tǒng)框圖溫度時間！精度！速度傳感器放大器A/D轉換微型計算機控制對象D/A轉換電加熱爐熱電偶執(zhí)行機構11.2.1 權電阻型D/A轉換器 11.2.6 具有雙極性輸出的D/A轉換器11.2.2 倒T 型電阻網(wǎng)絡D/A轉換器 11.2 D/A轉換器11.2.7 D/A轉換器的轉換精度與轉換速度求和放大器一、電路結構和工作原理11.2.1 權電阻網(wǎng)絡D/A轉換器權電阻網(wǎng)絡基準參考電壓 電路特點：1. 優(yōu)點：簡單2. 缺點：電阻值相差大，難于保證精度，且大電阻不宜于集成在IC內(nèi)部希望用較少類型的電阻，仍然能得

3、到一系列權電流11.2.2 倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器雙向模擬開關di1時接運放di0時接地R2R倒T形電阻網(wǎng)絡 求和集成運算放大器 基準參考電壓 RRR 集成運算放大器的電流求和點為虛地，每個2R電阻的上端都相當于接地，從網(wǎng)絡的AA、BB、CC、DD每個端口向左看的對地電阻都是R。流過四個2R電阻的電流分別為：I/2、I/4、I/8、I/16。R電路特點：（1）電阻網(wǎng)絡僅有R和2R兩種規(guī)格的電阻，對于集成工藝是相當有利的；（2）倒T形電阻網(wǎng)絡具有較高的工作速度倒T形電阻網(wǎng)絡DAC被廣泛的采用集成D/A轉換器-AD7520/CB7520典型10bit DAC采用CMOS電子開關與TTL電平兼容

4、電源電壓范圍：515V采用R-2R電阻網(wǎng)絡 集成D/A轉換器-DAC0832具有二級數(shù)字輸入緩沖鎖存器，可與P數(shù)據(jù)總線直接相連，無需另接鎖存器與TTL電平兼容數(shù)字地與模擬地可分開，使用靈活 典型8bit DAC集成DAC0832及其應用補碼輸入對應的十進制要求的輸出d2 d1 d0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V11.2.6 具有雙極性輸出的DAC當輸入數(shù)字量有極性時，希望輸出的模擬電壓也對應為一、轉換原理輸入為3位二進制補碼。最高位為符號位，正數(shù)為0，負數(shù)為11原碼輸入對應的輸出偏移-4V后的輸出d2

5、 d1 d0111+7V+3V110+6V+2V101+5V+1V100+4V0V011+3V-1V010+2V-2V001+1V-3V0000V-4V補碼輸入對應的十進制要求的輸出d2 d1 d0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V*將輸出偏移使輸入為100時，輸出為0*將符號位反相后接至高位輸入二、電路實現(xiàn)*將符號位反相后接至高位輸入*增設由RB和VB組成的偏移電路題11.6 圖示電路是用CB7520組成的雙極性輸出D/A轉換器。其倒T形電阻網(wǎng)絡中的電阻R=10k。為了得到5V的最大輸出模擬電壓，RB=

6、20k，VREF= ？ VB =？ 取RB=20 k，VB= -10V解若 d0 d9均為0時，0= +5V， d0 d9均為1時，0= -5V則一、轉換精度（分辨率、轉換誤差）用輸入數(shù)字量的二進制數(shù)碼位數(shù)給出。D/A轉換器的位數(shù)11.2.7 DAC的轉換精度與速度分辨率（理論精度）D/A轉換器分辨模擬量最小值的能力。最低位LSB所代表的模擬量。例： n位DAC，區(qū)分出輸入的000到111全部2n個不同狀態(tài)， 能給出2n個不同等級的輸出電壓。分辨率表示理論上可以達到的精度。D/A轉換器能夠分辨出來的最小電壓與最大電壓之比轉換誤差用最低有效位的倍數(shù)來表示。2. 轉換誤差（實際精度）轉換誤差表示實

7、際的D/A轉換特性和理想特性之間的最大偏差。二、誤差分析與輸入數(shù)字量的大小成正比-比例系數(shù)誤差 造成D/A轉換器轉換誤差的原因：參考電壓VREF的波動、運算放大器的零點漂移、模擬開關的導通內(nèi)阻和導通壓降、電阻網(wǎng)絡中的電阻值的偏差、三極管的特性不一致等等。與輸入數(shù)字量的數(shù)值無關-漂移誤差、平移誤差。與輸入數(shù)字量的數(shù)值無關-非線性誤差。輸出總誤差：解 電路工作在計數(shù)狀態(tài)，連續(xù)輸入16個計數(shù)脈沖時，電路狀態(tài)將從0000 1111循環(huán)，d6d7d8d9也從0000 1111循環(huán)，用 計算出對應的輸出電壓值。畫出輸出電壓0的波形，并標出波形圖上各點電壓的幅度波形發(fā)生器電路試分析電路的工作原理，畫出輸出電

8、壓0的波形圖11.3.1 A/D轉換的基本原理 11.3.4 反饋比較型A/D轉換器 11.3.3 并聯(lián)比較型A/D轉換器 11.3.5 雙積分型A/D轉換器 11.3.6 V-F變換型A/D轉換器 11.3.7 A/D轉換器的轉換精度與轉換速度 11.3 A/D轉換器直接型間接型A/D轉換目標：將時間連續(xù)、幅值也連續(xù)的模擬信號轉換為時間離散、幅值也離散的數(shù)字信號。一、 采樣定理 采樣:將時間上連續(xù)變化的模擬量轉換成時間上離散的模擬量11.3.1 A/D轉換原理四個步驟：采樣、保持、量化、編碼。 采樣定理：設取樣脈沖s(t)的頻率為fS，輸入模擬信號x(t)的最高頻率分量為fmax，必須滿足

9、fs 2fmax ，y(t)才可以正確的反映輸入信號(從而能不失真地恢復原模擬信號)。fs （35）fmax11.3.2 采樣-保持電路 取樣-保持電路的基本形式 s(t)有效期間，開關管VT導通，uI向C充電，uO (=uc)跟隨uI的變化而變化s(t)無效期間，開關管VT截止，uO (=uc)保持不變，直到下次采樣。 集成運放A具有很高的輸入阻抗，在保持階段，電容C上所存電荷不易泄放集成采樣保持電路LF398 二、 量化和編碼 量化：進行A/D轉換時，將采樣電壓表示為最小數(shù)量單位的整數(shù)倍過程叫做量化。量化誤差：當采樣電壓不能被整除時，量化過程誤差編碼：將量化的結果用代碼表示出來（二進制，二

10、-十進制）注意：一個n位二進制數(shù)只能表示2n個量化電平，量化級分得越多，量化誤差越小。 A/D 轉換的輸出結果 量化單位 ：數(shù)字量最小單位所對應的最小量值叫做量化單位，用表示（數(shù)字信號最低有效位LSB的1所代表的數(shù)量大小就等于） 。量化電平劃分的兩種方法量化誤差大量化誤差小量化誤差 量化11.3.3 并聯(lián)比較型A/D轉換器量化 編碼111110101100011010001000特點*快，CLK觸發(fā)信號到達到輸出穩(wěn)定建立只需50ns*有存儲器，不需要S/H電路*精度，主要取決于量化電平的劃分 *電路規(guī)模，n位需要2n-1比較器， 2n-1觸發(fā)器基本原理：取一個“D”加到DAC上，得到模擬輸出電

11、壓，將該值與輸入電壓比較，如兩者不等，則調(diào)整D的大小，到相等為止，則D為所求值。！簡單！慢11.3.4 反饋比較型A/D轉換器計數(shù)型2、逐次漸近型！電路不太復雜！較快1 0 0 0 03位逐次漸近型A/D轉換器環(huán)形移位寄存器 逐次漸進寄存器 初始狀態(tài) Q1Q2Q3Q4Q5=10000電壓比較器 3位DAC轉換器時鐘脈沖源 工作原理設：VR=-5V，Vi=3.2V初始化QAQBQC=000 Q1Q2Q3Q4Q5=10000 第一個CLKQAQBQC=100Q1Q2Q3Q4Q5=01000VoVi，VB=1 第二個CLKQ2=1，QB=1；VB=0，封鎖了與門G1，Q2不能通過門G1使QA復位，Q

12、A仍為1QAQBQC=110Q1Q2Q3Q4Q5=00100 第三個CLKQ3=1，QC=1；VB=1，門G2被打開，Q3通過門G2使QB=0；同時QA =1保持不變Vo=5/23（22+20） =3.125VVoVi，VB=0QAQBQC=101Q1Q2Q3Q4Q5=00010即QAQBQC=101Q1Q2Q3Q4Q5=00001 第四個CLKVB=0封鎖門G1G3Q1Q2Q3=000，QA QB QC保持原狀態(tài)不變Q5=1，使QAQBQC通過門G6、G7、G8輸出轉換結果。 d2d1d0=101 第五個CLK后Q1Q2Q3Q4Q5=10000又重新開始轉換Q5=0，門G6、G7、G8被封鎖

13、，轉換輸出信號隨之消失?；驹恚合葘轉換成與之成正比的時間寬度信號，然后在這個時間內(nèi)對固定頻率的脈沖計數(shù)，計數(shù)結果即為數(shù)字信號11.3.5 雙積分型A/D轉換器- V-T變換型工作原理時段：固定時間積分，到時結束時段：固定斜率積分，過零結束雙積分型A/D轉換器特點優(yōu)點：精度較高，對元件要求低 抗干擾能力比較強缺點：工作速度低每完成一次轉換的時間為11.3.6 V-F變換型A/D轉換器11.3.7 ADC的轉換速度與轉換精度1、分辨率：以輸出二進制或十進制的位數(shù)表示，說明A/D轉換器對輸入信號的分辨能力。2、轉換誤差：通常以輸出誤差最大值的形式給出，表示實際輸出的數(shù)字量和理論上應有的輸出數(shù)字

14、量之間的差別，一般以最低有效位的倍數(shù)給出（ 0.5 LSB）。能區(qū)分輸入電壓的最小差異為一、轉換精度并聯(lián)比較型：1微秒（8位A/D 50ns）逐次漸近型：10100微秒/次雙積分型 ：幾十毫秒數(shù)百毫秒/次二、轉換速度：取決于電路結構類型作業(yè)11-5，8A/D轉換器產(chǎn)品舉例-ADC0809特點：屬CMOS電路8路模擬輸入，8 bit 輸出與常用P兼容采用逐次比較法，轉換時間約100s ICL7107ICL7107構成直流電壓表A/D轉換器產(chǎn)品舉例-ICL7106/7107 特點：直接輸出7段譯碼信號7106驅動LCD；7107驅動LED十進制3位半A/D轉換器雙積分型電路，內(nèi)含基準源 特點：6b

15、it高速A/D轉換器，速率可達90M帶偏移矯正的55MHZ帶寬差動放大器功耗僅190mW有效位為5.85bit A/D轉換器產(chǎn)品舉例-MAX1011 第11章 小結 1. A/D轉換器和D/A轉換器是數(shù)字系統(tǒng)和各種工程技術相聯(lián)系的橋梁，在二者之間起著“翻譯”的作用。 2. 常用的D/A轉換器主要有權電阻型和R-2R網(wǎng)絡型兩種電路。由于R-2R網(wǎng)絡型的電阻種類少，易于集成和提高精度，因此多為集成D/A轉換器所采用。 3. 常用的A/D轉換器主要有雙積分型、逐次比較型和并行比較型三種。三種電路在精度、轉換速率及其他參數(shù)等方面各具特色，因而應用都比較廣泛。 5. 由于D/A轉換器和A/D轉換器在電子

16、系統(tǒng)、特別是數(shù)字系統(tǒng)中的應用越來越廣泛，技術與工藝的進步，其新產(chǎn)品也不斷涌現(xiàn)。因此，要根據(jù)實際需要來選擇各項指標以及價格、廠商等，切不可片面地追求某一項指標。 4. 作為產(chǎn)品的實例，幾種中、大規(guī)模集成電路：7520、0832、MAX5013；0809、7106/7107、MAX1011，它們中既有應用廣泛的傳統(tǒng)電路，也有剛剛推向市場的新產(chǎn)品。 本章習題類型與解題方法 1、 A/D、D/A轉換的基本概念、D/A轉換器輸出電壓的定量計算； 2、D/A轉換器應用的題目； 3、D/A轉換器與A/D轉換器中參考電壓VREF穩(wěn)定度的計算。概念性比較強，有實用意義。 二、 D/A轉換器的應用1、 組成波形發(fā)生器（1） 分析給定波形發(fā)生器電路。 找出D/A轉換器輸入的數(shù)字序列數(shù)值，然后算出與這些數(shù)字量輸出模擬電壓數(shù)值，再將這些模擬電壓作為輸出波形的幅值，按時間順序畫出波形，就得到輸出電壓波形。（2） 設計產(chǎn)生波形發(fā)生器電路。2、 組成增益可編程放大器 一