數(shù)字電子技術(shù)數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)用教案

1、8.1 概述概述 主要(zhyo)要求： 理解(lji)數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的概念和作用。 第1頁/共36頁第一頁，共36頁。一、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換的概念一、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換的概念(ginin)(ginin)和作用和作用 數(shù)模轉(zhuǎn)換即將數(shù)字(shz)量轉(zhuǎn)換為模擬電量(電壓或電流)，使輸出的模擬電量與輸入的數(shù)字(shz)量成正比。 實(shí)現(xiàn)(shxin)數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路稱數(shù)模轉(zhuǎn)換器 Digital - Analog Converter，簡稱 D/A 轉(zhuǎn)換器或 DAC。 模數(shù)轉(zhuǎn)換即將模擬電量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，使輸出的數(shù)字量與輸入的模擬電量成正比。 實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路稱模數(shù)轉(zhuǎn)換器 Analog - Digital Con

2、verter，簡稱 A/D 轉(zhuǎn)換器或 ADC。 第2頁/共36頁第二頁，共36頁。為何(wih)要進(jìn)行數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換？ 第3頁/共36頁第三頁，共36頁。二、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用二、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用(yngyng)(yngyng)舉例舉例壓力傳感器溫度傳感器流量傳感器四路模擬開關(guān)數(shù)字控制計算機(jī)DAC模擬控制器模擬控制器液位傳感器DACDAC模擬控制器模擬控制器生 產(chǎn) 控 制 對 象DACADC二、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例 第4頁/共36頁第四頁，共36頁。主要(zhyo)要求： 了解(lioji)數(shù)模轉(zhuǎn)換的基本原理。 了解常用(chn yn) D/A 轉(zhuǎn)換器的類型和主要參數(shù)。 了解 R -

3、 2R 倒 T 形電阻網(wǎng)絡(luò) D/A 轉(zhuǎn)換器的電路與工作原理。 8.2 D/A 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器器 第5頁/共36頁第五頁，共36頁。一、數(shù)模轉(zhuǎn)換的基本原一、數(shù)模轉(zhuǎn)換的基本原理理 輸出(shch)模擬電壓 uO = D = (Dn-1 2n-1 + Dn-2 2n-2 + + D1 21 + D0 20 ) 可見，uO D，uO 的大小反映(fnyng)了數(shù)字量 D 的大小。DACD0D1Dn-2Dn-1uO一、數(shù)模轉(zhuǎn)換的基本原理 LSB Least Significant Bit 輸入(shr)數(shù)字量 D = (Dn-1 Dn-2 D1 D0 ) 2 = Dn-1 2n-1 + Dn-2 2n-2

4、+ + D1 21 + D0 20 是 DAC 能輸出的最小電壓值，稱為 DAC 的單位量化電壓，它等于 D 最低位(LSB)為 1、其余各位均為 0 時的模擬輸出電壓(用 ULSB 表示)。第6頁/共36頁第六頁，共36頁。S0+-uOS1S2S3D3D2D1D0iRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI301111000RRR (一) 電路組成與轉(zhuǎn)換原理 二、二、R - 2R R - 2R 倒倒 T T 形電阻形電阻(dinz)(dinz)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò) DAC DAC 由倒 T 型電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)和一個電流電壓轉(zhuǎn)換電路(簡稱 I/U 轉(zhuǎn)換電路)組成。模擬開關(guān) Si 打

5、向“1”側(cè)時，相應(yīng) 2R 支路(zh l)接虛地；打向“0”側(cè)時，相應(yīng) 2R 支路(zh l)接地。故無論開關(guān)打向哪一側(cè)，倒 T 型電阻網(wǎng)絡(luò)均可等效為下圖：第7頁/共36頁第七頁，共36頁。II3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI3RRRABC從 A、B、C 節(jié)點(diǎn)(ji din)向左看去，各節(jié)點(diǎn)(ji din)對地的等效電阻均為 2R。因此，I =VREFRI3 =I2= 23 ( )，I24I2 =I32= 22 ( )，I24=I4I1 =I22= 21 ( )，I24=I8I0 =I12= 20 ( )I24=I16可見，支路(zh l)電流值 Ii 正好代表了二進(jìn)制

6、數(shù)位 Di 的權(quán)值 2i 。即 I3 = 23 I0， I2 = 22 I0， I1 = 21 I0， I0 = 20 I0 RVI 4REF422第8頁/共36頁第八頁，共36頁。模擬開關(guān) Si 受相應(yīng)數(shù)字位 Di 控制。當(dāng) Di = 1 時，開關(guān)合向“1”側(cè)，相應(yīng)支路電流 Ii 輸出；Di = 0 時，開關(guān)合向“0”側(cè)， Ii 流入地而不能輸出。S0+-uOS1S2S3D3D2D1D0iRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI301111000RRRu0 = - i RF = - D I0 RF = - D RRV 4FREF2i = D3 I3 + D2 I2 +

7、 D1 I1 + D0 I0 = ( D3 23 + D2 22 + D1 21 + D0 20 ) I0 = D I0對 n 位 DAC， uO= - D RRVn 2FREF若取 RF = R， 則uO= - D nV2REF n 位 DAC 將參考電壓 VREF 分成(fn chn) 2n 份，uO 是每份的 D 倍。調(diào)節(jié) VREF 可調(diào)節(jié) DAC 的輸出電壓。uO= - D RRV 4FREF2第9頁/共36頁第九頁，共36頁。三、常用三、常用(chn(chn yn yn) DAC ) DAC 的類的類型和主要參數(shù)型和主要參數(shù) (一) 常用(chn yn) DAC 的類型 常用 DAC

8、 主要有權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)(wnglu) DAC、 R - 2R T 形電阻網(wǎng)絡(luò)(wnglu) DAC、R - 2R 倒 T 形電阻網(wǎng)絡(luò)(wnglu) DAC和權(quán)電流網(wǎng)絡(luò)(wnglu) DAC。其中，后兩者轉(zhuǎn)換速度快，性能好，因而被廣泛采用，權(quán)電流網(wǎng)絡(luò)(wnglu) DAC 轉(zhuǎn)換精度高，性能最佳。 第10頁/共36頁第十頁，共36頁。 (二) 主要參數(shù) 1. 分辨率 DAC 的最小輸出電壓變化量，也即 DAC 的最小輸出電壓值121FSRLSB- - nUU分分辨辨率率 表示滿度輸出電壓值，F(xiàn)SR 即 Full Scale Range指 D/A 轉(zhuǎn)換器模擬輸出所能產(chǎn)生的最小電壓(diny)變化量與滿刻

9、度輸出電壓(diny)之比。 UFSR = uO|D = 11 1 = ( 2n 1 ) ULSBn 位均為 1例如(lr)，一個 10 位的 DAC，分辨率為 0.000 978。DAC 的位數(shù)越多，分辨率值就越小，能分辨的最小輸出(shch)電壓值也越小。第11頁/共36頁第十一頁，共36頁。要獲得較高精度的 D/A 轉(zhuǎn)換結(jié)果，除了正確選用 DAC 的位數(shù)外，還要選用低漂移高精度的求和運(yùn)算放大器。 3. 轉(zhuǎn)換(zhunhun)時間指 DAC 在輸入數(shù)字信號開始轉(zhuǎn)換(zhunhun)，到輸出的模擬信號達(dá)到穩(wěn)定值所需的時間。轉(zhuǎn)換時間(shjin)越小，轉(zhuǎn)換速度就越高。2. 轉(zhuǎn)換精度 指 DAC

10、 實(shí)際輸出模擬電壓與理想輸出模擬電壓間的最大誤差。它是一個綜合指標(biāo)，不僅與 DAC 中元件參數(shù)的精度有關(guān)，而且與環(huán)境溫度、求和運(yùn)算放大器的溫度漂移以及轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有關(guān)。 通常要求 DAC的誤差小于 ULSB / 2。第12頁/共36頁第十二頁，共36頁。四、集成(j chn) DAC應(yīng)用舉例四、集成 DAC 應(yīng)用(yngyng)舉例1. 集成 DAC 簡介 常用集成 DAC 有兩類：一類內(nèi)部僅含有電阻網(wǎng)絡(luò)和電子模擬開關(guān)兩部分，常用于一般的電子電路。另一類內(nèi)部除含有電阻網(wǎng)絡(luò)和電子模擬開關(guān)外，還帶有數(shù)據(jù)鎖存器，并具有片選控制和數(shù)據(jù)輸入控制端，便于和微處理器進(jìn)行連接，多用于微機(jī)控制系統(tǒng)中。 第13頁

11、/共36頁第十三頁，共36頁。2. 8 位 CMOS 集成(j chn) D/A 轉(zhuǎn)換器 CDA7524 簡介數(shù)據(jù)鎖存器20 k 20 k 20 k20 k 20 k10 k 10 k10 k10 kVDDVREF151213CSWR45611D7(MSB)D6D5D0(LSB)S0S1S2S7OUT112316iRFBOUT2GND基準(zhǔn)(jzhn)電壓輸入端 VREF 可正可負(fù) 片選控制(kngzh)端 電源電壓范圍 + 5 V + 15 V 8 位數(shù)據(jù)輸入端，其電平與 TTL 電平兼容。MSB 表示最高位，LSB 表示最低位。接地端 內(nèi)部反饋電阻 RF 的引出端 兩個輸出端，一般將 OUT

12、2 接地，OUT1 接運(yùn)放反向端。 寫信號控制端 第14頁/共36頁第十四頁，共36頁。 例右圖為 CDA7524 的單極性輸出應(yīng)用電路。圖中電位器 R1 用于調(diào)整運(yùn)放增益，電容 C 用以消除運(yùn)放的自激。已知 ULSB = VREF / 256，試求滿度輸出電壓及滿度輸出時所需的輸入信號。 CDA752445789106111213D7D6D4D3D2D1D5D0CS314VDD151612VREF = 10V+-OUT1OUT2uOC2 kR2R11 k15 pFWR 961. 9256550225625512REFLSB8 - - VUU解： 當(dāng) D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1

13、D0 = 11111111 時，輸出(shch)為滿度值。uO = - UFSR - 9.961 V。第15頁/共36頁第十五頁，共36頁。主要(zhyo)要求：了解(lioji)模數(shù)轉(zhuǎn)換的基本原理。了解(lioji) A/D 轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)。 了解常用 轉(zhuǎn)換器。8.3 A/D 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器器 第16頁/共36頁第十六頁，共36頁。一、一、A /D A /D 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換(zhunhun)(zhunhun)的基本的基本原理和一般步驟原理和一般步驟 “ ”表示(biosh)取整。 基本原理ADCD0D1Dn-2Dn-1uI可見，輸出(shch)數(shù)字量 D 正比于輸入模擬量 uI 。 稱為 ADC 的

14、單位量化電壓或量化單位，它是 ADC 的最小分辨電壓。 uD第17頁/共36頁第十七頁，共36頁。采樣：把時間連續(xù)變化的信號變換為時間離散的信號。保持：保持采樣信號，使有充分時間轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。量化：把采樣保持電路的輸出(shch)信號用單位量化電壓的 整數(shù)倍表示。編碼：把量化的結(jié)果用二進(jìn)制代碼表示。A /D 轉(zhuǎn)換的一般(ybn)步驟 uI(t)C量化編碼電路Dn-1D1D0uI(t)S采樣保持電路第18頁/共36頁第十八頁，共36頁。采樣信號是否會丟失(dis)原信號的信息呢？對信號進(jìn)行(jnxng)量化會引起誤差嗎？量化誤差大小與 ADC 的位數(shù)、基準(zhǔn)電壓 VREF 和量化方法(fngf)

15、有關(guān)。 采樣定理：當(dāng)采樣頻率不小于輸入模擬信號頻譜 中最高頻率的兩倍時，采樣信號可以 不失真地恢復(fù)為原模擬信號。 量化誤差：因模擬電壓不一定能被 ULSB 整除， 量化時舍去余數(shù)而引起的誤差。 第19頁/共36頁第十九頁，共36頁。劃分(hu fn)量化電平的兩種方法最大量化誤差(wch) = = (1/8)V最大量化誤差(wch) = /2 = (1/15)V1 = 1/8V4 = 4/8V0(6/8)V(7/8)V000001010011100101110111模擬電平二進(jìn)制代碼代表的模擬電平0 = 0V2 = 2/8V3 = 3/8V5 = 5/8V6 = 6/8V7 = 7/8V(5/

16、8)V(4/8)V(3/8)V(2/8)V(1/8)V(8/8)V模擬電平二進(jìn)制代碼代表的模擬電平0 = 0V1 = 2/15V2 = 4/15V3 = 6/15V4 = 8/15V5 = 10/15V6 = 12/15V7 =14/15V(13/15)V0000001010011100101110111(11/15)V(15/15)V(9/15)V(3/15)V(7/15)V(1/15)V(5/15)V第20頁/共36頁第二十頁，共36頁。VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)二、并聯(lián)(bnglin

17、)(bnglin)比較型比較型 ADC ADC REF151VREF153VREF155VREF1513VREF157VREF159VREF1511V0000000000uI電阻(dinz)構(gòu)成分壓器 第21頁/共36頁第二十一頁，共36頁。VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型 ADC REF151VREF153VREF155VREF1513VREF157VREF159VREF1511V0000001001uI第22頁/共36頁第二十二頁，共36頁。VREFuI RR/2RRRRRRD2(MS

18、B)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型 ADC REF151VREF153VREF155VREF1513VREF157VREF159VREF1511V0000011010uI第23頁/共36頁第二十三頁，共36頁。VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型 ADC REF151VREF153VREF155VREF1513VREF157VREF159VREF1511V0000111011uI第24頁/共36頁第二十四頁，共36頁。VREFuI R

19、R/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型 ADC REF151VREF153VREF155VREF1513VREF157VREF159VREF1511V0001111100uI第25頁/共36頁第二十五頁，共36頁。VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型 ADC REF151VREF153VREF155VREF1513VREF157VREF159VREF1511V0011111101uI第26頁/共36頁第二十六頁

20、，共36頁。VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型 ADC REF151VREF153VREF155VREF1513VREF157VREF159VREF1511V0111111110uI第27頁/共36頁第二十七頁，共36頁。VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型 ADC REF151VREF153VREF155VREF1513VREF157VREF159VREF1511V1111111111uI

21、第28頁/共36頁第二十八頁，共36頁。三、常用三、常用(chn(chn yn yn) ADC ) ADC 的類型的類型和主要參數(shù)和主要參數(shù) (一)常用(chn yn) ADC 的類型 常用 ADC 主要有并聯(lián)比較型、雙積分型和逐次逼近型。其中，并聯(lián)比較型 ADC 轉(zhuǎn)換(zhunhun)速度最快，但價格貴；雙積分型 ADC 精度高、抗干擾能力強(qiáng)，但速度慢；逐次逼近型速度較快、精度較高、價格適中，因而被廣泛采用。 第29頁/共36頁第二十九頁，共36頁。指 ADC 實(shí)際輸出數(shù)字量與理想輸出數(shù)字量之間的最大差值。通常用最低有效位 LSB 的倍數(shù)(bish)來表示。 (二) 主要參數(shù) 2. 相對(x

22、ingdu)精度(又稱轉(zhuǎn)換誤差) 指 ADC 輸出數(shù)字(shz)量的最低位變化一個數(shù)碼時，對應(yīng)輸入模擬量的變化量。 1. 分辨率 例如 最大輸出電壓為 5V 的 8 位 ADC 的分辨率為： 5V / 28 = 19.6 mA 分辨率也可用 ADC 的位數(shù)表示。位數(shù)越多，能分辨的最小模擬電壓值就越小。 例如 轉(zhuǎn)換誤差不大于 1/2 LSB，即說明 實(shí)際輸出數(shù)字量與理想輸出數(shù)字量 之間的最大誤差不超過 1/2 LSB。 第30頁/共36頁第三十頁，共36頁。3. 轉(zhuǎn)換(zhunhun)時間 轉(zhuǎn)換速度比較：并聯(lián)比較型 逐次逼近型 雙積分型 數(shù)十 ns 數(shù)十 s 數(shù)十 ms 指 ADC 完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時間，即從轉(zhuǎn)換開始(kish)到輸出端出現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)字信號所需要的時間。轉(zhuǎn)換(zhunhun)時間越小，轉(zhuǎn)換(zhunhun)速度越高。第31頁/共36頁第三十一頁，共36頁。D/A 轉(zhuǎn)換是將輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為與之成正比的模擬電量。常用的 DAC 主要有權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)(wnglu) DAC、R - 2R T 形電阻網(wǎng)絡(luò)(wnglu) DAC、R - 2R 倒