模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器PPT演示課件

1、1,第 10 章,模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器,電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分,2,Analog Digital Converter and Digital Analog Converter,10.1 D/A轉(zhuǎn)換器,10.2 A/D轉(zhuǎn)換器,10 模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器,3,ADC和DAC已成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中不可缺少的接口電路,將溫度、壓力、流量、應(yīng)力等物理量轉(zhuǎn)換為模擬電量,計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字處理（如計(jì)算、濾波）、保存等,用模擬量作為控制信號(hào),10 模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器,4,3、正確理解D/A、A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù),1、掌握倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器(DAC)、集成D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理及相關(guān)計(jì)算,2、掌握并行比較、逐次比較、雙積

2、分A/D轉(zhuǎn)換器(ADC) 的工作原理及其特點(diǎn),本章學(xué)習(xí)要求,10 模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器,5,10.1 D/A轉(zhuǎn)換器,10.1.1 D/A轉(zhuǎn)換器的輸入/輸出特性及結(jié)構(gòu)框圖,10.1.3 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器,10.1.6 D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式,10.1.4 權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器,10.1.7 D/A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo),10.1.8 D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用,10.1.5 權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器,10.1.2 D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理,6,將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為與之成正比模擬量,1. D/A轉(zhuǎn)換器輸入/輸出特性,A = K D,O = K NB,10.1.1 D/A轉(zhuǎn)換器的輸入/輸出特性及其結(jié)構(gòu)框圖,10.1

3、D/A轉(zhuǎn)換器,7,D/A轉(zhuǎn)換器的輸出為階梯波信號(hào),1. D/A轉(zhuǎn)換器輸入/輸出特性,10.1.1 D/A轉(zhuǎn)換器的輸入/輸出特性及其結(jié)構(gòu)框圖,10.1 D/A轉(zhuǎn)換器,8,DAC的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可以并行輸入也可串行輸入,數(shù)字寄存器中用來(lái)存放數(shù)字量的各位數(shù)碼,由輸入數(shù)字量控制,產(chǎn)生權(quán)電流,將權(quán)電流相加產(chǎn)生與輸入成正比的模擬電壓,2. D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)框圖,10.1.1 D/A轉(zhuǎn)換器的輸入/輸出特性及其結(jié)構(gòu)框圖,10.1 D/A轉(zhuǎn)換器,9,數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合而成的， 對(duì)于有權(quán)碼，每位代碼都有一定的權(quán)值，如能將每一位代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量， 然后，將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字量成正比的

4、模擬量， 從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字量-模擬量的轉(zhuǎn)換,NDb424b323b222b121b020 124123022021120,將二進(jìn)制數(shù)ND(11001)B轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù),10.1.2 D/A轉(zhuǎn)換的基本原理,10.1 D/A轉(zhuǎn)換器,實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的基本思想,10,實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的原理電路,10.1 D/A轉(zhuǎn)換器,在電路中輸入的每一個(gè)二進(jìn)制數(shù)NB，均能得到與之成正比的模擬電壓輸出,10.1.2 D/A轉(zhuǎn)換的基本原理,11,D/A轉(zhuǎn)換器的分類(lèi),按解碼網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分類(lèi),T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC,倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC,權(quán)電流DAC,權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC,按模擬電子開(kāi)關(guān)電路分類(lèi),CMOS開(kāi)關(guān)型DAC,雙極型開(kāi)關(guān)型DAC,電流

5、開(kāi)關(guān)型DAC,ECL電流開(kāi)關(guān)型DAC,D/A 轉(zhuǎn)換器,10.1 D/A轉(zhuǎn)換器,10.1.2 D/A轉(zhuǎn)換的基本原理,12,10.1.2 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器,Di=0, Si則將電阻2R接地 Di=1, Si接運(yùn)算放大器反相端，電流Ii流入求和電路,電阻網(wǎng)絡(luò),模擬電子開(kāi)關(guān),求和運(yùn)算放大器,輸出 模擬電壓,輸入4位二進(jìn)制數(shù),根據(jù)運(yùn)放線(xiàn)性運(yùn)用時(shí)虛地的概念可知，無(wú)論模擬開(kāi)關(guān)Si處于 何種位置，與Si相連的2R電阻將接“地” 或虛地,1、4位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器,基準(zhǔn)電壓,10.1 D/A轉(zhuǎn)換器,13,基準(zhǔn)電源VREF提供的總電流為：I =,流過(guò)各開(kāi)關(guān)支路的電流：I3 =？I2 =？ I1

6、=？ I0 =,I/4,I/8,I/16,R,R,R,R,I/2,I/4,I/8,I/16,I/2,I3,I2,I1,I0,流入每個(gè)2R電阻的電流從高位到低位按2的整數(shù)倍遞減,I3=VREF /2R,I2=VREF /4R,I1=VREF /8R,I0=VREF /16R,10.1.2 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器,1、4位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器,10.1 D/A轉(zhuǎn)換器,14,i I0 + I1 + I2 + I3,輸出模擬電壓,對(duì)電路中輸入的每一個(gè)二進(jìn)制數(shù)NB，均能得到與之成正比的模擬電壓輸出,10.1.2 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器,1、4位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器,10.1 D/A轉(zhuǎn)

7、換器,流入運(yùn)放的總電流,15,n 位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC有,令,則,O = K NB,在電路中輸入的每一個(gè)二進(jìn)制數(shù)NB，均能得到與之成正比的模擬電壓輸出,10.1.2 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器,1、4位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器,10.1 D/A轉(zhuǎn)換器,16,AD7533D/A轉(zhuǎn)換器,使用:1)要外接運(yùn)放， 2)運(yùn)放的反饋電阻可使用內(nèi)部電阻 ， 也可采用外接電阻,2.集成D/A轉(zhuǎn)換器,10位CMOS電流開(kāi)關(guān)型D/A轉(zhuǎn)換器,10.1.2 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器,10.1 D/A轉(zhuǎn)換器,CMOS模擬開(kāi)關(guān)電路,2.集成D/A轉(zhuǎn)換器,10.1.2 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器,10.1 D/A轉(zhuǎn)換

8、器,18,關(guān)于D/A轉(zhuǎn)換器精度的討論,1)基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定性好,2) 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)中R和2R電阻比值的精度要高,4)為實(shí)現(xiàn)電流從高位到低位按2的整數(shù)倍遞減，模擬開(kāi)關(guān) 的導(dǎo)通電阻也相應(yīng)地按2的整數(shù)倍遞增,為進(jìn)一步提高D/A轉(zhuǎn)換器的精度，可采用權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器,為提高D/A轉(zhuǎn)換器的精度，對(duì)電路參數(shù)的要求,3) 每個(gè)模擬開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)電壓降要相等,10.1.2 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器,10.1 D/A轉(zhuǎn)換器,19,Di =1時(shí)，開(kāi)關(guān)Si接運(yùn)放的反相端,Di= 0時(shí)，開(kāi)關(guān)Si接地,10.1.4 權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器,1. 4位權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器,10.1 D/A轉(zhuǎn)換器,20,在恒流源電路中，各支路權(quán)電

9、流的大小均不受開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻和壓降的影響，這樣降低了對(duì)開(kāi)關(guān)電路的要求，提高了轉(zhuǎn)換精度,10.1.4 權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器,1. 4位權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器,10.1 D/A轉(zhuǎn)換器,21,2.實(shí)際的權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器電路,10.1.4 權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器,10.1 D/A轉(zhuǎn)換器,電壓恒定,各BJT的 發(fā)射結(jié)電壓相等,基準(zhǔn)電流產(chǎn)生電路,22,10.1.6 D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式,10.1 D/A轉(zhuǎn)換器,23,常用雙極性編碼,注：表中VLSB=VREF/256,10.1.6 D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式,10.1 D/A轉(zhuǎn)換器,24,10.1.6 D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式,10.1 D/A轉(zhuǎn)換器,25,10.1.7

10、 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo),分辨率：定義為D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級(jí)數(shù)。n位DAC最多有2n個(gè)模擬輸出電壓。位數(shù)越多D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率越高,分辨率也可以用能分辨的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比給出。n位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率可表示為,1、分辨率,10.1 D/A轉(zhuǎn)換器,26,2、轉(zhuǎn)換精度,轉(zhuǎn)換精度是指對(duì)給定的數(shù)字量，D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際值與理論值之間的最大偏差,產(chǎn)生原因：由于D/A轉(zhuǎn)換器中各元件參數(shù)值存在誤差，如基準(zhǔn)電壓不夠穩(wěn)定或運(yùn)算放大器的零漂等各種因素的影響,幾種轉(zhuǎn)換誤差：有如比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差和非線(xiàn)性誤差等,10.1.7 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo),10.1 D/A轉(zhuǎn)換器

11、,27,10.1.6 集成D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用,1) 數(shù)字式可編程增益控制電路,10.1 D/A轉(zhuǎn)換器,Iout1 I0 + I1 + I2 + I9,28,根據(jù)虛斷有,Iout1 I0 + I1 + I2 + I9,10.1.6 集成D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用,1) 數(shù)字式可編程增益控制電路,10.1 D/A轉(zhuǎn)換器,29,2) 脈沖波產(chǎn)生電路,74163具同步清零功能,74163和與非門(mén)構(gòu)成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器：00001001,10.1.6 集成D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用,10.1 D/A轉(zhuǎn)換器,30,10.2.6 集成A/D轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用,10.2 A/D 轉(zhuǎn)換器,10.2.1 A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過(guò)程,10.2

12、.2 并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器,10.2.3 逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器,10.2.4 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器,10.2.5 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo),31,概述,1. A/D功能,10.2 A/D 轉(zhuǎn)換器,將時(shí)間和幅值都連續(xù)的模擬量，轉(zhuǎn)換為時(shí)間和幅值都離散的數(shù)字量,32,并聯(lián)比較型 特點(diǎn): 轉(zhuǎn)換速度快,轉(zhuǎn)換時(shí)間 10ns 1s, 但電路復(fù)雜,逐次逼近型 特點(diǎn): 轉(zhuǎn)換速度適中,轉(zhuǎn)換時(shí)間 為幾s 100 s, 轉(zhuǎn)換精度高，在轉(zhuǎn)換速度和硬件復(fù)雜度之間達(dá)到一個(gè)很好的平衡,雙積分型 特點(diǎn): 轉(zhuǎn)換速度慢,轉(zhuǎn)換時(shí)間 幾百s 幾ms,但抗干擾能力最強(qiáng),2. A/D轉(zhuǎn)換器分類(lèi),10.2 A/D 轉(zhuǎn)換器,概述,33,

13、取樣,時(shí)間上離散的信號(hào),保持、量化,量值上也離散的信號(hào),編碼,10.2.1 A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過(guò)程,A/D轉(zhuǎn)換器一般要包括取樣， 保持，量化及編碼4個(gè)過(guò)程,10.2 A/D 轉(zhuǎn)換器,34,1. 取樣與保持,采樣是將隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為在時(shí)間離散的模擬量,采樣信號(hào)S(t)的頻率愈高，所采得信號(hào)經(jīng)低通濾波器后愈能真實(shí)地復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)。合理的采樣頻率由采樣定理確定,采樣定理：設(shè)采樣信號(hào)S(t)的頻率為fs，輸入模擬信號(hào)I(t)的最高頻率分量的頻率為fimax,則 fs 2fimax,S(t)=1:開(kāi)關(guān)閉合 S(t)=0:開(kāi)關(guān)斷開(kāi),10.2.1 A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過(guò)程,10.2 A/D 轉(zhuǎn)換

14、器,35,采得模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)都需要一定時(shí)間，為了給后續(xù)的量化編碼過(guò)程提供一個(gè)穩(wěn)定的值，在取樣電路后要求將所采樣的模擬信號(hào)保持一段時(shí)間,采樣,保持,取樣與保持電路及工作原理,10.2.1 A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過(guò)程,10.2 A/D 轉(zhuǎn)換器,36,2. 量化,數(shù)字信號(hào)在數(shù)值上是離散的。采樣保持電路的輸出電壓還需按某種近似方式歸化到與之相應(yīng)的離散電平上，即將取樣信號(hào)表示為一最小數(shù)量單位的整數(shù)倍,將量化后的數(shù)值用二進(jìn)制碼或其他代碼表示出來(lái)的過(guò)程稱(chēng)為編碼。經(jīng)編碼后得到的代碼就是A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量,3.編碼,10.2.1 A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過(guò)程,10.2 A/D 轉(zhuǎn)換器,37,10.2.2

15、 并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器,電壓比較器,輸入模擬電壓,精密電阻網(wǎng)絡(luò),精密參考電壓,VREF/15,3VREF/15,7VREF/15,9VREF/15,11VREF/15,5VREF/15,13VREF/15,輸出數(shù)字量,1、電路組成,38,VI=8VREF/15,1,1,1,1,0,0,0,0 0 1,10.2.2 并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器,39,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 11VREF/15 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1,5VR

16、EF/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 0,13VREF/15 vI VREF/15 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,根據(jù)各比較器的參考電壓值，可以確定輸入模擬電壓值與各比較器輸出狀態(tài)的關(guān)系。比較器的輸出狀態(tài)由D觸發(fā)器存儲(chǔ)，經(jīng)優(yōu)先編碼器編碼，得到數(shù)

17、字量輸出,10.2.2 并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器,40,3、電路特點(diǎn),在并行A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入電壓I同時(shí)加到所有比較器的輸入端。如不考慮各器件的延遲，可認(rèn)為三位數(shù)字量是與I輸入時(shí)刻同時(shí)獲得的。所以它的轉(zhuǎn)換時(shí)間最短,缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，如三位ADC需7個(gè)比較器、7個(gè)觸發(fā)器、8個(gè)電阻。位數(shù)越多，電路越復(fù)雜,為了解決提高分辨率和增加元件數(shù)的矛盾，可以采取分級(jí)并行轉(zhuǎn)換的方法,單片集成并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的產(chǎn)品很多，如AD公司的AD9012 (TTL工藝8位)、AD9002 (ECL工藝，8位)、AD9020 (TTL工藝，10位)等,10.2.2 并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器,41,10.2.3 逐次比較型A

18、/D轉(zhuǎn)換器,逐次逼近轉(zhuǎn)換過(guò)程與用天平稱(chēng)物重非常相似,轉(zhuǎn)換原理,所用砝碼重量：8克、4克、2克和1克。 設(shè)待秤重量Wx = 13克,42,第一個(gè)CP,10.2.3 逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換原理,1 0 0 0,1 0 0 0,43,第二個(gè)CP,10.2.3 逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換原理,0 1 0 0,1 1 0 0,44,第三個(gè)CP,10.2.3 逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換原理,0 0 1 0,1 0 1 0,45,46,小結(jié),1、 逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)越多轉(zhuǎn)換精度越高,2、逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需時(shí)間與其位數(shù)n和時(shí)鐘脈沖頻率有關(guān)，位數(shù)愈少，時(shí)鐘頻率越

19、高，轉(zhuǎn)換所需時(shí)間越短,10.2.3 逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器,47,10.2.4 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器,1、雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的基本指導(dǎo)思想,對(duì)輸入模擬電壓和參考電壓分別進(jìn)行兩次積分，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時(shí)間間隔，然后利用時(shí)鐘脈沖和計(jì)數(shù)器測(cè)出此時(shí)間間隔，進(jìn)而得到相應(yīng)的數(shù)字量輸出。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器也稱(chēng)為電壓時(shí)間數(shù)字式積分器,48,2、電路組成,10.2.4 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器,49,0,Cr信號(hào)將計(jì)數(shù)器清零；開(kāi)關(guān)S2閉合，待積分電容放電完畢后，斷開(kāi)S2 使電容的初始電壓為0,3、工作原理,1) 準(zhǔn)備階段,10.2.4 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器,50,2) 第一次積分,51,VRE

20、F加到積分器的輸入端，積分器反方向進(jìn)行第二次積分；當(dāng)t=t2時(shí)積分器輸出電壓O0，比較器輸出C=0，時(shí)鐘脈沖控制門(mén)G被關(guān)閉，計(jì)數(shù)停止,3) 第二次積分,52,T1=2nTC,T2=Tc,T2=t1 t2,在計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)=Qn-1Q1Q0，就是A/D轉(zhuǎn)換器得到的結(jié)果,53,優(yōu)點(diǎn),1. 由于轉(zhuǎn)換結(jié)果與時(shí)間常數(shù)RC無(wú)關(guān)，從而消除了積分非線(xiàn) 性帶來(lái)的誤差,2. 由于雙積分A/D轉(zhuǎn)換器在T1時(shí)間內(nèi)采的是輸入電壓的平均值， 因此具有很強(qiáng)的抗工頻干擾的能力,T1=2nTC,3. 只要求時(shí)鐘源在一個(gè)轉(zhuǎn)換周期時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定即可,10.2.4 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器,54,1.轉(zhuǎn)換精度,10.2.5 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo),單片集成A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來(lái)描述的,分辨率