數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器第一頁(yè)，共46頁(yè)。模擬量（溫度(wnd)）A/D轉(zhuǎn)換器微處理器顯示(xinsh)打印(d yn)報(bào)警A/D轉(zhuǎn)換器微處理器D/A轉(zhuǎn)換器加熱器模擬量（溫度）測(cè)量控制11.1 概述設(shè)定溫度第1頁(yè)/共46頁(yè)第二頁(yè)，共46頁(yè)。 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器 權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器 開關(guān)(kigun)樹型D/A轉(zhuǎn)換器 權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器 具有雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器11.2 D/A轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器的分類(fn li) 第2頁(yè)/共46頁(yè)第三頁(yè)，共46頁(yè)。D/A轉(zhuǎn)換器功能(gngnng): 將數(shù)字量成正比地轉(zhuǎn)換成模擬量。N位數(shù)字量模擬量D/A轉(zhuǎn)

2、換器一個(gè)n位二進(jìn)制數(shù)可以(ky)表示為：Dn = dn-1dn-2. d0dn-1：最高位（MSB），其權(quán)為2n-1d0：最低位（LSB），其權(quán)為20100011221122222niiinnnndddddD102niiidkkDA第3頁(yè)/共46頁(yè)第四頁(yè)，共46頁(yè)。權(quán)電阻(dinz)網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器第4頁(yè)/共46頁(yè)第五頁(yè)，共46頁(yè)。倒T型電阻(dinz)網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器第5頁(yè)/共46頁(yè)第六頁(yè)，共46頁(yè)。CB7520（AD7520）的電路(dinl)原理圖第6頁(yè)/共46頁(yè)第七頁(yè)，共46頁(yè)。權(quán)電流(dinli)型D/A轉(zhuǎn)換器第7頁(yè)/共46頁(yè)第八頁(yè)，共46頁(yè)。利用倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)(wnglu)的權(quán)電流

3、型D/A 轉(zhuǎn)換器第8頁(yè)/共46頁(yè)第九頁(yè)，共46頁(yè)。VREF已知VREF=10V，RR=5k， RF=5k試寫出輸出(shch)電壓的表達(dá)式第9頁(yè)/共46頁(yè)第十頁(yè)，共46頁(yè)。開關(guān)(kigun)樹型D/A轉(zhuǎn)換器對(duì)負(fù)載(fzi)要求？對(duì)開關(guān)要求？第10頁(yè)/共46頁(yè)第十一頁(yè)，共46頁(yè)。權(quán)電容(dinrng)網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器第11頁(yè)/共46頁(yè)第十二頁(yè)，共46頁(yè)。轉(zhuǎn)換開始前令SD，S0S3接地(jid)，電容放電斷開SD假設(shè)(jish)d3d2d1d0=1000yccccc0012令REFtREFyREFyyoVccVcccVcccv3333111)2222(2001122334ddddVvREFo第12

4、頁(yè)/共46頁(yè)第十三頁(yè)，共46頁(yè)。1.輸出電壓精度只與各電容器電容量的比例有關(guān)，而與電容量的絕對(duì)值無(wú)關(guān)。2.輸出電壓的穩(wěn)態(tài)值不受開關(guān)電阻(dinz)及參考電壓源內(nèi)阻的影響，降低了對(duì)開關(guān)電路及參考電壓源的要求。3.穩(wěn)態(tài)下權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)不消耗功率。權(quán)電容(dinrng)網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器第13頁(yè)/共46頁(yè)第十四頁(yè)，共46頁(yè)。具有(jyu)雙極性輸出的DA轉(zhuǎn)換器 目的：能夠把以補(bǔ)碼形式輸入的正、負(fù)數(shù)分別轉(zhuǎn)換成正、負(fù)極性的模擬(mn)電壓補(bǔ)碼輸入補(bǔ)碼輸入對(duì)應(yīng)的對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)十進(jìn)制數(shù)要求的要求的輸出電壓輸出電壓d2 d1 d00 1 1+3+3V0 1 0+2+2V0 0 1+1+1V0 0 000V1 1 1

5、-1-1V1 1 0-2-2V1 0 1-3-3V1 0 0-4-4V原碼輸入原碼輸入無(wú)偏移時(shí)無(wú)偏移時(shí)的輸出的輸出偏移偏移4V后的輸出后的輸出d2 d1 d01 1 1+7V+3V1 1 0+6V+2V1 0 1+5V+1V1 0 0+4V0V0 1 1+3V-1V0 1 0+2V-2V0 0 1+1V-3V0 0 00V-4V第14頁(yè)/共46頁(yè)第十五頁(yè)，共46頁(yè)。具有(jyu)雙極性輸出電壓的D/A轉(zhuǎn)換器第15頁(yè)/共46頁(yè)第十六頁(yè)，共46頁(yè)。能夠分辨出來(lái)的最小輸出(shch)電壓和最大輸出(shch)電壓之比。也可以用輸入二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)表示。轉(zhuǎn)換精度：通常由分辨率和轉(zhuǎn)換誤差(wch)來(lái)描述

6、。分辨率：表示DA轉(zhuǎn)換器在理論上能達(dá)到的精度。分辨率的表示方法：第16頁(yè)/共46頁(yè)第十七頁(yè)，共46頁(yè)。轉(zhuǎn)換誤差：描述(mio sh)DA轉(zhuǎn)換器實(shí)際能達(dá)到的精度轉(zhuǎn)換誤差產(chǎn)生的原因：參考電壓的波動(dòng)。運(yùn)算放大器的零點(diǎn)(ln din)漂移。模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通壓降，電阻網(wǎng)絡(luò)中電阻阻值的偏差以及三極管的特性的不一致等。第17頁(yè)/共46頁(yè)第十八頁(yè)，共46頁(yè)。NoImageREFnnoVDv211第18頁(yè)/共46頁(yè)第十九頁(yè)，共46頁(yè)。第19頁(yè)/共46頁(yè)第二十頁(yè)，共46頁(yè)。非線性誤差：模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻(dinz)和壓降不同造成第20頁(yè)/共46頁(yè)第二十一頁(yè)，共46頁(yè)。NoImage建立時(shí)間：從輸入的數(shù)字量

7、開始(kish)突變開始(kish)，直到輸出電壓進(jìn)入與穩(wěn)態(tài)相差0.5LSB范圍以內(nèi)的這段時(shí)間。第21頁(yè)/共46頁(yè)第二十二頁(yè)，共46頁(yè)。如何(rh)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換？時(shí)間上幅度上離散(lsn)的數(shù)字量時(shí)間(shjin)上幅度上連續(xù)的模擬量11.3 A/D轉(zhuǎn)換器 vsvitt第22頁(yè)/共46頁(yè)第二十三頁(yè)，共46頁(yè)。A/D轉(zhuǎn)換一般包括采樣、保持(boch)、量化、編碼四個(gè)步驟。 A/D轉(zhuǎn)換的一般(ybn)步驟 采樣保持：完成對(duì)模擬信號(hào)時(shí)間(shjin)上的離散化。量化：將采保電路得到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。編碼：將數(shù)字信號(hào)按照一定的編碼形式輸出。第23頁(yè)/共46頁(yè)第二十四頁(yè)，共46頁(yè)。一.

8、采樣(ci yn)：采樣(ci yn)定理(max)2isff 為了能正確無(wú)誤地用取樣信號(hào)表示模擬信號(hào)，取樣信號(hào)必須有足夠高的頻率。可以(ky)證明，為了保證能從取樣信號(hào)將原來(lái)的被取樣信號(hào)恢復(fù)，必須滿足(max)if為輸入模擬信號(hào)的最高頻率分量的頻率其中vivs)(A f(max)if(max)isff f第24頁(yè)/共46頁(yè)第二十五頁(yè)，共46頁(yè)。采樣保持電路: 基本(jbn)形式信號(hào)保持精度取樣速度(sd)輸入阻抗第25頁(yè)/共46頁(yè)第二十六頁(yè)，共46頁(yè)。改進(jìn)的采樣保持(boch)電路LF198 第26頁(yè)/共46頁(yè)第二十七頁(yè)，共46頁(yè)。A1A2LR1R2SCh30030k1D2DiuLuo uo

9、u D1和D2兩個(gè)(lin )二極管起到什么作用？ 第27頁(yè)/共46頁(yè)第二十八頁(yè)，共46頁(yè)。二. 量化和編碼(bin m) 數(shù)字信號(hào)不僅僅在時(shí)間上是離散的，而且在幅度上也是離散的，任何一個(gè)數(shù)字量的大小只能是某個(gè)(mu )最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。將一個(gè)取樣信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)最小數(shù)量單位的整數(shù)倍這樣的過程，稱為量化。這個(gè)(zh ge)最小數(shù)量單位叫量化單位，用表示，數(shù)字信號(hào)的最低有效位（LSB）的1所代表的數(shù)量大小就為 。連續(xù)的模擬信號(hào)和離散的數(shù)字信號(hào)之間的誤差稱為量化誤差。第28頁(yè)/共46頁(yè)第二十九頁(yè)，共46頁(yè)。111110101100011010001000111110101100011010001

10、000輸入信號(hào)1V7/8V6/8V5/8V4/8V3/8V2/8V1/8V0二進(jìn)制代碼輸入信號(hào)二進(jìn)制代碼1V13/15V11/15V9/15V7/15V5/15V3/15V1/15V0代表的模擬電壓7=7/8（V）6=6/8（V）5=5/8（V）4=4/8（V）3=3/8（V）2=2/8（V）1=1/8（V）0 =0 （V）代表的模擬電壓7=14/15（V）6=12/15（V）5=10/15（V）4= 8/15（V）3= 6/15（V）2= 4/15（V）1= 2/15（V）0 = 0 (V）要求：將01V的模擬電壓(diny)信號(hào)轉(zhuǎn)換成3位二進(jìn)制代碼=1/8V=2/15V第29頁(yè)/共46頁(yè)第

11、三十頁(yè)，共46頁(yè)。 A/D轉(zhuǎn)換器的分類(fn li) A/D轉(zhuǎn)換器直接型并行比較型反饋比較型逐次逼近型計(jì)數(shù)型間接型電壓-時(shí)間型（VT）型-雙積分型電壓-頻率型（VF）型第30頁(yè)/共46頁(yè)第三十一頁(yè)，共46頁(yè)。REFViVCP)(2MSBd)(0LSBd1d電壓比較器寄存器代碼轉(zhuǎn)換器9.3.3 直接A/D轉(zhuǎn)換器并行(bngxng)比較型例：若Vi處于(chy)(3/155/15) VREF之間110000011101000010第31頁(yè)/共46頁(yè)第三十二頁(yè)，共46頁(yè)。邏輯(lu j)狀態(tài)關(guān)系表寄存器狀態(tài)(zhungti)(01/15) VREFQ7d2d0d1編碼器輸出(shch)輸入電壓Vi0

12、00000000000 000011 110000011 11 11 1111111111111111 111111111110000000000000000000111(1/153/15) VREF(3/155/15) VREF(7/159/15) VREF(9/1511/15) VREF(11/1513/15) VREF(13/151) VREFQ6Q5Q4Q3Q2Q1(5/157/15) VREF第32頁(yè)/共46頁(yè)第三十三頁(yè)，共46頁(yè)。直接A/D轉(zhuǎn)換器反饋(fnku)比較型（計(jì)數(shù)器型）LvivovBv第33頁(yè)/共46頁(yè)第三十四頁(yè)，共46頁(yè)。 其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四個(gè)砝碼共重

13、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(bzhu)來(lái)秤量：砝碼重第一次第二次第三次第四次加4克加2克加1克8 克 砝碼總重 待測(cè)重量Wx ，故保留砝碼總重仍 待測(cè)重量Wx ，故撤除砝碼總重 待測(cè)重量Wx ，故保留暫時(shí)結(jié)果8 克12 克12 克13 克 結(jié) 論直接A/D轉(zhuǎn)換器反饋比較型（逐次(zh c)逼近型）第34頁(yè)/共46頁(yè)第三十五頁(yè)，共46頁(yè)。2Q3Q4Q5Q&11&+-2d12dd0DAC)2(2)2(1)2(0+-AQBQAFBFCQC1R1S1C1R1S1C1R1S1CF1G2G3G4G5G6G7G8GAU1DC11DC11

14、DC11DC11DC1LU9GiuBU(LSB)MSB)(CPC1Q1F2F3F4F5FBvivovLv第35頁(yè)/共46頁(yè)第三十六頁(yè)，共46頁(yè)。 9.3.4 間接(jin ji)A/D轉(zhuǎn)換器雙積分型第36頁(yè)/共46頁(yè)第三十七頁(yè)，共46頁(yè)。第37頁(yè)/共46頁(yè)第三十八頁(yè)，共46頁(yè)。 采樣(ci yn)階段定時(shí)積分階段：i10i1o1d)(1URCTtRUCUT比較轉(zhuǎn)換(zhunhun)階段定電壓積分階段： i1REF2URCTVRCT1RRFi2TVUT iREF12UVNND第38頁(yè)/共46頁(yè)第三十九頁(yè)，共46頁(yè)。A/D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo) 1.轉(zhuǎn)換精度： 采用(ciyng)分辨率和轉(zhuǎn)換誤差兩個(gè)指標(biāo)

15、描述轉(zhuǎn)換精度。2.分辨率：說(shuō)明AD轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的分辨能力，通常以輸出二進(jìn)制的位數(shù)來(lái)表示。N位的AD轉(zhuǎn)換器能夠區(qū)分的輸入電壓的最小差異為1/2n(FSR)。例：一個(gè)10位的AD轉(zhuǎn)換器，滿量程電壓(diny)為5V，那么它的分辨率為多少？分辨率mVV88. 42510第39頁(yè)/共46頁(yè)第四十頁(yè)，共46頁(yè)。2. 轉(zhuǎn)換速度：取決于完成一次從模擬量到數(shù)字量之間轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間，在組成高速(o s)AD轉(zhuǎn)換器時(shí)還應(yīng)將采樣保持電路的獲取時(shí)間計(jì)入轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)。 轉(zhuǎn)換誤差：表示實(shí)際輸出(shch)的數(shù)字量和理論上應(yīng)有的數(shù)字量之間的差別，一般以最低有效位的倍數(shù)表示。第40頁(yè)/共46頁(yè)第四十一頁(yè)，共46頁(yè)。例：電

16、路如圖所示。Ux是輸入被測(cè)信號(hào)，UO是D/A轉(zhuǎn)換器的輸出，參考(cnko)電壓UREF=5V。Uc是比較器的輸出，X是控制信號(hào)，DA轉(zhuǎn)換器的電路開始工作時(shí)，應(yīng)先對(duì)計(jì)數(shù)器清零。分析電路功能。 第41頁(yè)/共46頁(yè)第四十二頁(yè)，共46頁(yè)。例：電路如圖所示，當(dāng)輸入信號(hào)某位Di為0時(shí)對(duì)應(yīng)(duyng)的開關(guān)Si接地；Di=1時(shí)，Si接基準(zhǔn)電壓UREF。試問：UREF=10V，輸入(shr)信號(hào)D4D3D2D1D0=10011，則輸出模擬電壓Uo=？A2R2R2R2RRRR3RiUREFUoD0D1S0S12RD2S22RIS3S4D3D4第42頁(yè)/共46頁(yè)第四十三頁(yè)，共46頁(yè)。VVVRRVRVRVUREFREFREFREFo94. 5)222(210)222(233213161321301450145）（第43頁(yè)/共46頁(yè)第四十四頁(yè)，共46頁(yè)。例：逐次(zh c)逼近型A/D轉(zhuǎn)換器中的10位D/A轉(zhuǎn)換