數(shù)學(xué)電子技術(shù)基礎(chǔ)第11章.ppt

第十一章 數(shù) 模和模 數(shù)轉(zhuǎn)換 教學(xué)內(nèi)容 11 1概述 11 2D A轉(zhuǎn)換器 11 3A D轉(zhuǎn)換器 教學(xué)要求 1 掌握DAC和ADC的定義及應(yīng)用 2 了解DAC的組成 倒T型電阻網(wǎng)絡(luò) 集成D A轉(zhuǎn)換器 轉(zhuǎn)換精度及轉(zhuǎn)換速度 3 了解ADC組成 逐次逼近型A D轉(zhuǎn)換器 積分型A D轉(zhuǎn)換器 轉(zhuǎn)換精度及轉(zhuǎn)換速度 11 1概述 模 數(shù)轉(zhuǎn)換 A D轉(zhuǎn)換 將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào) 實(shí)現(xiàn)A D轉(zhuǎn)換的電路稱為A D轉(zhuǎn)換器 簡(jiǎn)寫為ADC Analog DigitalConverter 數(shù) 模轉(zhuǎn)換 D A轉(zhuǎn)換 將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào) 實(shí)現(xiàn)D A轉(zhuǎn)換的電路稱為D A轉(zhuǎn)換器 簡(jiǎn)寫為DAC Digital AnalogConverter 例如 對(duì)于0 5V的直流電壓 計(jì)算機(jī)用8位數(shù)字量來(lái)描述時(shí) 最小值 00000000 B 0對(duì)應(yīng)0V 最大值 11111111 B 255對(duì)應(yīng)5V 中間值 01111111 B 127對(duì)應(yīng)2 5V等D A的任務(wù)是接收到一個(gè)數(shù)字量后 給出一個(gè)相應(yīng)的電壓 比如收到 00111111 B 應(yīng)給出幅度為1 25V的電壓 11 2D A轉(zhuǎn)換器 將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的電路 電阻網(wǎng)絡(luò) 模擬電子開關(guān) 求和放大器 參考電壓 一 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D A轉(zhuǎn)換器 集成運(yùn)放通過(guò)RF接入負(fù)反饋 有虛短 V V 0 取RF R 2 n位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D A轉(zhuǎn)換器 當(dāng)反饋電阻取為R 2時(shí) 輸出電壓的計(jì)算公式 輸出電壓的變化范圍 優(yōu)點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 所用的電阻元件數(shù)很少 缺點(diǎn) 各電阻的阻值相差較大 不能保證有很高的精度 二 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D A轉(zhuǎn)換器 電阻網(wǎng)絡(luò) 模擬電子開關(guān) 求和放大器 由于V V 0 所以開關(guān)S合到哪一邊 都相當(dāng)于接到了 地 電位 流過(guò)每條電路的電流始終不變 可等效為 取RF R n位輸入的倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D A轉(zhuǎn)換器 當(dāng)反饋電阻取為R時(shí) 輸出電壓的計(jì)算公式 優(yōu)點(diǎn) 1 只有R和2R兩種阻值的電阻 可達(dá)到較高的精度 2 各支路電流恒定不變 在開關(guān)狀態(tài)變化時(shí) 不需電流建立時(shí)間 所以電路轉(zhuǎn)換速度高 使用廣泛 CB7520電路原理圖 三 權(quán)電流型D A轉(zhuǎn)換器 恒流源 恒流源模型 只要電路工作時(shí)保證VB和VEE穩(wěn)定不變 則三極管的集電極電流即可保持恒定 不受開關(guān)內(nèi)阻的影響 為減少電阻阻值的種類 在實(shí)用的權(quán)電流型D A轉(zhuǎn)換器中 經(jīng)常利用倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)的分流作用產(chǎn)生一組所需的恒流源 按比例加大發(fā)射結(jié)的面積 DAC0808電路結(jié)構(gòu)框圖 已知VREF 10V 四 具有雙極性輸出的D A轉(zhuǎn)換器 五 D A轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù) 1 分辨率 D A轉(zhuǎn)換器理論上可達(dá)到的精度 1 D A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度 分辨率也可用D A轉(zhuǎn)換器能夠分辨出來(lái)的最小輸出電壓與最大輸出電壓的比值來(lái)表示 10位D A轉(zhuǎn)換器的分辨率為 分辨率可以用輸入二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)給出 2 轉(zhuǎn)換誤差 D A轉(zhuǎn)換器實(shí)際上能達(dá)到的轉(zhuǎn)換精度 可以用輸出電壓滿刻度值的百分?jǐn)?shù)表示 也可用最低位有效值的倍數(shù)表示 如 轉(zhuǎn)換誤差為0 5LSB 表示輸出模擬電壓的絕對(duì)誤差等于當(dāng)輸入數(shù)字量的LSB 1時(shí) 其余各位均為0時(shí)輸出模擬電壓的一半 轉(zhuǎn)換誤差可分為靜態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差 產(chǎn)生靜態(tài)誤差的原因是基準(zhǔn)電源不穩(wěn)定 運(yùn)放的零點(diǎn)漂移 模擬開關(guān)導(dǎo)通時(shí)的內(nèi)阻和壓降及電阻網(wǎng)絡(luò)中阻值的偏差等 動(dòng)態(tài)誤差則是在轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)過(guò)程中產(chǎn)生的附加誤差 1 建立時(shí)間tset 指輸入數(shù)字量各位由全0變?yōu)槿?或由全1變?yōu)槿?時(shí) 輸出電壓達(dá)到某一規(guī)定值所需要的時(shí)間 通常建立時(shí)間在100ns 幾十 s之間 2 D A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度 2 轉(zhuǎn)換速率SR 指輸入數(shù)字量各位由全0變?yōu)槿?或由全1變?yōu)槿?時(shí) 輸出電壓的變化率 11 3A D轉(zhuǎn)換器 0 5V 00000000 11111111 一 A D轉(zhuǎn)換的基本原理 取樣 保持 取樣是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行周期性地抽取樣值的過(guò)程 就是把隨時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)轉(zhuǎn)換成在時(shí)間上斷續(xù) 在幅度上等于取樣時(shí)間內(nèi)模擬信號(hào)大小的一串脈沖 取樣定理 fs 2fi max 輸入模擬信號(hào)的最高頻率分量的頻率 取樣頻率 量化 編碼 將取樣 保持電路的輸出電壓 按某種近似方式歸化到與之相應(yīng)的離散電平上 這一轉(zhuǎn)化過(guò)程稱為數(shù)值量化 簡(jiǎn)稱量化 量化后的數(shù)值最后還須通過(guò)編碼過(guò)程用一個(gè)代碼表示出來(lái) 這一過(guò)程稱為編碼 最大量化誤差為 即1 8V 最大量化誤差為1 2 即1 15V 取 取 對(duì)雙極性模擬電壓的量化和編碼 二進(jìn)制補(bǔ)碼的形式編碼 二 直接A D轉(zhuǎn)換器 并聯(lián)比較型 反饋比較型 逐次比較型A D轉(zhuǎn)換器 其工作原理可用天平秤重作比喻 若有四個(gè)砝碼共重15克 每個(gè)重量分別為8 4 2 1克 設(shè)待秤重量Wx 13克 可以用下表步驟來(lái)秤量 轉(zhuǎn)換開始前先將所有寄存器清零 開始轉(zhuǎn)換以后 時(shí)鐘脈沖首先將寄存器最高位置成1 使輸出數(shù)字為100 0 這個(gè)數(shù)碼被D A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓uo 送到比較器中與ui進(jìn)行比較 若ui uo 說(shuō)明數(shù)字過(guò)大了 故將最高位的1清除 若ui uo 說(shuō)明數(shù)字還不夠大 應(yīng)將這一位保留 然后 再按同樣的方式將次高位置成1 并且經(jīng)過(guò)比較以后確定這個(gè)1是否應(yīng)該保留 這樣逐位比較下去 一直到最低位為止 比較完畢后 寄存器中的狀態(tài)就是所要求的數(shù)字量輸出 三 間接A D轉(zhuǎn)換器 雙積分型 又稱為電壓 時(shí)間變換型 V T變換型 首先使積分電容C完全放電 固定時(shí)間積分 反方向積分 第一步 對(duì)輸入模擬電壓進(jìn)行固定時(shí)間T1積分 第二步 對(duì)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行反向積分 使電容放電 放光為止 即vo 0 對(duì)反向放電時(shí)間計(jì)數(shù) 它與輸入幅度成正比 四 A D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù) A D轉(zhuǎn)換器的分辨率用輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示 位數(shù)越多 誤差越小 轉(zhuǎn)換精度越高 例如 輸入模擬電壓的變化范圍為0 5V 輸出10位二進(jìn)制數(shù)可以分辨的最小模擬電壓為5V 2 10 4 88mV 1 分辨率 1 A D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度 2 轉(zhuǎn)換誤差通常