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文檔簡介
1、一、數(shù)一、數(shù)/模和模模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器是模擬和數(shù)字系統(tǒng)間的橋梁數(shù)轉(zhuǎn)換器是模擬和數(shù)字系統(tǒng)間的橋梁模模 / 數(shù)數(shù)(A / D)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換:Analog to Digital Converter (ADC)數(shù)數(shù) / 模(模()轉(zhuǎn)換)轉(zhuǎn)換:Digital to Analog Converter (DAC)數(shù)字計算機數(shù)字計算機模擬系統(tǒng)模擬系統(tǒng)A/DD/A二進制二進制線性線性存儲存儲分析分析控制控制物理物理 生物生物 化學化學二、二、 常見常見數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換器應用系統(tǒng)舉例數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換器應用系統(tǒng)舉例壓力傳感器壓力傳感器溫度傳感器溫度傳感器流量傳感器流量傳感器四四路路模模擬擬開開關(guān)關(guān)數(shù)數(shù)字字控控制制計計算算機機
2、DAC模擬控制器模擬控制器模擬控制器模擬控制器液位傳感器液位傳感器DACDAC模擬控制器模擬控制器模擬控制器模擬控制器生生 產(chǎn)產(chǎn) 控控 制制 對對 象象DACADC三、三、A / D、D / A 轉(zhuǎn)換器的精度和速度轉(zhuǎn)換器的精度和速度精度精度保證轉(zhuǎn)換的保證轉(zhuǎn)換的準確性準確性速度速度保證保證適時控制適時控制7.1.1 D / A轉(zhuǎn)換的基本要求轉(zhuǎn)換的基本要求1. D / A轉(zhuǎn)換思路轉(zhuǎn)換思路d0d1dn-1uO或或iOn 位位二進制二進制如如 ( (1101) )213148212121023 10210niiidN可利用運算放大器實現(xiàn)運算可利用運算放大器實現(xiàn)運算2. 轉(zhuǎn)換特性轉(zhuǎn)換特性DuO/V765
3、4321001 010 011 100 101 110 111一、輸入、輸出關(guān)系框圖一、輸入、輸出關(guān)系框圖二、二、D/A 轉(zhuǎn)換的電路組成轉(zhuǎn)換的電路組成RRR2R2R2R2RUREFS0S1S2d0d0d1d2d1d2電子電子開關(guān)開關(guān)電阻網(wǎng)絡電阻網(wǎng)絡求和運放求和運放當當 d2d1d0 = 100,II / 2I / 4I / 8I/2I = UREF / RRIu2O RRU2REF 23REF212 UuO三、工作原理三、工作原理當當 d2d1d0 = 110,IRRR2R2R2R2RUREFuOI / 2I / 4I / 8RIIu)42(O )2121(2123REF URRURU)42(
4、REFREF 當當 d2d1d0 = 111,IRRR2R2R2R2RUREFuOI / 2I / 4I / 8RIIIu)842(O )212121(20123REF URRURURU)842(REFREFREF 表達式的一般形式表達式的一般形式)222(20011223REFO dddUu四、輸入為四、輸入為 n 位二進制數(shù)時的表達式位二進制數(shù)時的表達式當當 D = dn-1 dn-2 d1 d0 )22.2(2001111REFO dddUunnnDKDUun uREFO2, 轉(zhuǎn)換比例系數(shù)轉(zhuǎn)換比例系數(shù),可理解為分辨率或分解度可理解為分辨率或分解度nUK2REFu 7.1.2 DAC 的轉(zhuǎn)
5、換精度、速度和主要參數(shù)的轉(zhuǎn)換精度、速度和主要參數(shù)一、轉(zhuǎn)換精度一、轉(zhuǎn)換精度指指 D/A 轉(zhuǎn)換器能夠分辨出來的最小輸出電壓轉(zhuǎn)換器能夠分辨出來的最小輸出電壓(對應的輸入數(shù)字量只對應的輸入數(shù)字量只有最低為是有最低為是1,其余全是其余全是0)與滿刻度輸出電壓與滿刻度輸出電壓(對應的輸入數(shù)字量全是對應的輸入數(shù)字量全是1)之比,也可用輸入二進制數(shù)的位數(shù)表示。之比,也可用輸入二進制數(shù)的位數(shù)表示。為實際輸出與理想輸出模擬電壓間的最大誤差。為實際輸出與理想輸出模擬電壓間的最大誤差。 ULSBUFSR=12n1分辨率分辨率=LSB Least Significant Bit2.轉(zhuǎn)換誤差轉(zhuǎn)換誤差可用占輸出電壓滿刻度值
6、的百分數(shù)表示或可用最可用占輸出電壓滿刻度值的百分數(shù)表示或可用最低有效位(低有效位(LSB)的倍數(shù)表示。)的倍數(shù)表示。如如: (LSB)= 輸入為輸入為 001 時輸出模擬電壓的一半。時輸出模擬電壓的一半。1.1.分辨率分辨率(Resolution)FSR Full Scale Range二、轉(zhuǎn)換速度二、轉(zhuǎn)換速度1. 建立時間建立時間 ts ts 為在大信號工作下(輸入由為在大信號工作下(輸入由全全 0 變?yōu)槿優(yōu)槿?1,或由或由全全 1 變?yōu)槿優(yōu)槿?0), 輸出輸出 電壓達到某一規(guī)定值所需時間電壓達到某一規(guī)定值所需時間 。不包含不包含 UREF 和運放的單片和運放的單片 DAC 最短最短 t
7、s 0.1 s;包含包含UREF 和運放的單片和運放的單片 DAC 最短最短 t s 0,uO 0 3. 分辨率分辨率單極性輸出單極性輸出: 分辨率分辨率121 n分辨率分辨率 = =1211 n5G7520 為為 10 位位 D / A 轉(zhuǎn)換器,轉(zhuǎn)換器,分辨率分辨率 = =000978. 01023112110 當當 UREF = 10 V時,時,最小輸出電壓最小輸出電壓 uO = 9.76 mV雙極性輸出雙極性輸出:對于對于 5G7520分辨率分辨率=00196. 051111219 當當 UREF = 10 V 時,時,最小輸出電壓最小輸出電壓 uO = 19.6 mVuI(t)CADC
8、的的量化編碼量化編碼電路電路dn-1d1d0u I(t)S模擬量模擬量數(shù)字量數(shù)字量量化編碼量化編碼取樣:取樣:把隨時間連續(xù)變化的信號變換為在時間上是離散的把隨時間連續(xù)變化的信號變換為在時間上是離散的 信號。信號。保持:保持:保持取樣信號保持取樣信號,使有充分時間將其變?yōu)閿?shù)字信號。使有充分時間將其變?yōu)閿?shù)字信號。取樣保持取樣保持(S / H Sample / Hold) 要想使離散的要想使離散的采樣采樣信號信號US能夠準確的能夠準確的代表輸入的模擬信號代表輸入的模擬信號UI, ,必須滿足必須滿足 fs 2 fimax , 式中式中fs為為采樣頻率采樣頻率, , fimax為輸入為輸入信號信號UI的
9、最高頻率分量的頻率的最高頻率分量的頻率. tOuIfO)( fAfs fimax fimaxuI tO三、量化和編碼三、量化和編碼量化單位量化單位數(shù)字信號最低位數(shù)字信號最低位LSB所對應的模擬信號大小,所對應的模擬信號大小,用用 表示(即表示(即 1 )。)。量化量化把取樣后的保持信號化為量化單位的整數(shù)倍。把取樣后的保持信號化為量化單位的整數(shù)倍。量化誤差量化誤差因模擬電壓不一定能被因模擬電壓不一定能被 整除而引起的誤差。整除而引起的誤差。編碼編碼把量化的數(shù)值用二進制代碼表示。把量化的數(shù)值用二進制代碼表示。劃分量化電平的兩種方法劃分量化電平的兩種方法01V1/82/83/84/85/86/87/
10、8000001010011100101110111模擬模擬電平電平二進制二進制代碼代碼代表的代表的模擬電平模擬電平0 = 01 = 1/82 = 2/83 = 3/84 = 4/85 = 5/86 = 6/87 =(7/ 8)V1V1/153/155/157/159/15 11/15 13/150000010100111001011101110模擬模擬電平電平二進制二進制代碼代碼代表的代表的模擬電平模擬電平0 = 01 = 2/152 = 4/153 = 6/154 =8/155 = 10/156 = 12/157 =(14/15)V最大量化誤差最大量化誤差 = = (1 / 8) V = /
11、 2 = (1/15)VuI(t)Cu I(t)S7.2.2 取樣取樣 - 保持電路保持電路一、電路組成及工作原理一、電路組成及工作原理當當 uL 為為高高電平:電平:RfChRiuIuOuLTRf = RiT 導通,導通,Ch 充電至:充電至:uO = uI = uC當當 uL 為為低低電平:電平:T 截止,截止,Ch 基本不放電?;静环烹姟O 保持保持:為使為使 Ch 充電快充電快,Ri 越越小小越越好;好;為使電路輸入電阻高為使電路輸入電阻高,Ri 越越大大越越好。好。二、改進電路二、改進電路 (LF198) 及工作原理及工作原理R2ChR1uIuOuLu O300 30 k D1D
12、2S當當 uL = 1, S 閉合閉合 uO = u O = uI , uC = uI 當當 uL = 0, S 斷開斷開 uO 保持保持D1 、D2的作用的作用:限制:限制 u O 在在 uI + uD以內(nèi),起保護作用。以內(nèi),起保護作用。6 2145387uOuIuLChLF198一一 、基本工作原理電路、基本工作原理電路7.2.3 逐次漸近型逐次漸近型 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器D/AuI逐次漸近逐次漸近寄存器寄存器比較器比較器參考參考電源電源時鐘時鐘信號信號MSBLSBMSBLSB并行數(shù)字輸出并行數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換控制信號轉(zhuǎn)換控制信號3.2V10008V101004V00102V000113V000
13、11讀出控制讀出控制控制邏輯控制邏輯電路電路逐次漸近逐次漸近寄存器寄存器比比較較器器 二、轉(zhuǎn)換過程舉例二、轉(zhuǎn)換過程舉例3 位位 D/AQ1S1Rd0 +CPd1d2 1Q1S1RFFBFFC1 d0d1d2uIuOuCC5位環(huán)行移位寄存器位環(huán)行移位寄存器Q1Q2 Q3Q4Q5QFFA1S1R /2輸出偏移輸出偏移Q n+1 1 1 1 0 0 1 0 0功能功能R SQ n10不用不用保持保持置置1置置0不許不許CP 12345Q1 Q2Q3 Q4 Q5QA QB QCuI/VuO/V u O/VuCd2 d1 d00 0 0 0 1 0 0 05.90 0.500 0 01 0 0 0 01
14、 0 043.500 0 00 1 0 0 0 1 1 065.500 0 00 0 1 0 0 1 1 176.510 0 00 0 0 1 01 1 065.500 0 00 0 0 0 1 1 1 065.501 1 07.2.4 雙積分型雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換思路:轉(zhuǎn)換思路:模擬輸入模擬輸入 uI t t 控制計數(shù)控制計數(shù) CP 個數(shù)個數(shù)輸出二進制數(shù)輸出二進制數(shù) 一、電路組成和工作原理一、電路組成和工作原理CO S2CS1uI邏輯邏輯控制門控制門C定時器定時器n 位二進制位二進制計數(shù)器計數(shù)器&dn1d0uCP基準電壓基準電壓 0 正向積分:正向積分:對被測信號對被測
15、信號uI進行定時積分,完成一次進行定時積分,完成一次 2n 進制計數(shù)。進制計數(shù)。 反向積分反向積分:對:對基準電壓積分基準電壓積分至至u= 0,計數(shù)結(jié)果與計數(shù)結(jié)果與uI成正比。成正比。二、定量分析二、定量分析uI積分器輸入積分器輸入Iu(t)積分器輸出積分器輸出固定時間固定時間t1t2N1CPN2CP1I0I1o11)(tRCUdtuRCtut t1 = N1TCP = 2nTCP0)()(2REF1o2o tRCUtutut2 = N2TCP = DTCP1REFI2tUUt nnUUUUD2/2REFIREFI = UI / 單位單位電壓電壓REFS2CS1uI邏輯邏輯控制門控制門C定時器
16、定時器3 位二進制位二進制計數(shù)器計數(shù)器&d2d0u基準電壓基準電壓 逐次比較型逐次比較型 雙積分型雙積分型7.2.7 幾種幾種A/D轉(zhuǎn)換器的性能比較轉(zhuǎn)換器的性能比較一、一、A/D類型:類型:直接直接 A/D反饋比較型:反饋比較型:逐次比較型逐次比較型,計數(shù)型。,計數(shù)型。間接間接 A/D電壓電壓-時間變換型(時間變換型(V -T):):雙積分型雙積分型電壓電壓-頻率變換型(頻率變換型(V- F)并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型二、性能比較:二、性能比較:優(yōu)點優(yōu)點缺點缺點并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型轉(zhuǎn)換速度高轉(zhuǎn)換速度高轉(zhuǎn)換精度差轉(zhuǎn)換精度差逐次比較型逐次比較型分辨率高、誤差低分辨率高、誤差低轉(zhuǎn)換速度較快轉(zhuǎn)換速度
17、較快雙積分型雙積分型性能穩(wěn)定性能穩(wěn)定轉(zhuǎn)換精度高轉(zhuǎn)換精度高抗干擾能力強抗干擾能力強轉(zhuǎn)換速度低轉(zhuǎn)換速度低一、一、D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器1. 功能:功能:將輸入的二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成與之成正比將輸入的二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成與之成正比的模擬電量。的模擬電量。2. 種類:種類:權(quán)電阻網(wǎng)絡、權(quán)電阻網(wǎng)絡、R - 2R T 形電阻網(wǎng)絡和形電阻網(wǎng)絡和 R - 2R 倒倒 T 形電阻網(wǎng)絡形電阻網(wǎng)絡 D/A 轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換有多種方式,常用的是實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換有多種方式,常用的是電阻網(wǎng)絡電阻網(wǎng)絡 D/A 轉(zhuǎn)換器,包括轉(zhuǎn)換器,包括 其中以其中以 R - 2R 倒倒 T 形電阻網(wǎng)絡形電阻網(wǎng)絡 D/A 轉(zhuǎn)換器為重點作了詳轉(zhuǎn)換器為
18、重點作了詳細介紹,它的特點是速度快、性能好,適合于集成工藝制造,細介紹,它的特點是速度快、性能好,適合于集成工藝制造,因而被廣泛采用。因而被廣泛采用。3. 分辨率和轉(zhuǎn)換精度:分辨率和轉(zhuǎn)換精度: 與與 D/A 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換器的位數(shù)位數(shù)有關(guān),位數(shù)越多,分辨率和精度越高。有關(guān),位數(shù)越多,分辨率和精度越高。二、二、A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器1. 功功 能:能: 將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與之成正比將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與之成正比的二進制數(shù)。的二進制數(shù)。2. 轉(zhuǎn)換過程:轉(zhuǎn)換過程: 采樣、保持、量化、編碼。采樣、保持、量化、編碼。采樣采樣 保持保持電路電路A / D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器采樣采樣 - 保持電路:保持電路: 對輸入模擬信號抽取樣值,并展寬(保持)。對輸入模擬信號抽取樣值,并展寬(保持)。采樣時必須滿足采樣定理,即采樣時必須滿足采樣定理,即 fs 2 fImax 。量化量化 對樣值脈沖進行分級。對樣值脈沖進行分級。編碼編碼 將分級后的信號轉(zhuǎn)換成二進制代碼。將分級后的信號轉(zhuǎn)換成二進制代碼。A / D 轉(zhuǎn)換器:轉(zhuǎn)換器:二、二、A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器3. 種類:種類:直接轉(zhuǎn)
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