電子教案數(shù)字電子技術(shù)第七章AD與DA轉(zhuǎn)換器20

電子教案數(shù)字電子技術(shù)第七章AD與DA轉(zhuǎn)換器202023/12/27電子教案數(shù)字電子技術(shù)第七章AD與DA轉(zhuǎn)換器207.1概述A/D：模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的電路稱為A/D轉(zhuǎn)換器。D/A：數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的電路稱為A/D轉(zhuǎn)換器。7.2D/A轉(zhuǎn)換器7.2.1D/A轉(zhuǎn)換器及主要參數(shù)1、D/A轉(zhuǎn)換器的輸入是數(shù)字量，輸出是模擬量，輸出模擬量與輸入數(shù)字量之間應(yīng)有這樣的關(guān)系：數(shù)字量大，輸出的模擬量也大，數(shù)字量小，輸出的模擬量也小，即模擬量和輸出量之間應(yīng)滿足如下關(guān)系：A=KD電子教案數(shù)字電子技術(shù)第七章AD與DA轉(zhuǎn)換器20那么怎樣才能實現(xiàn)這一關(guān)系呢？我們把二進制數(shù)D按位權(quán)展開即：D=dn-1*2n-1+dn-2*2n-2+……+d1*21+d0*20A=K（dn-1*2n-1+dn-2*2n-2+……+d1*21+d0*20）這就是D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性表達式。從轉(zhuǎn)換特性表達式可看出，實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的組成部分如下：1）求和運算放大器：實現(xiàn)求和。通常接成反相比例求和。2）模擬開關(guān)：控制d=0或d=1時，求和電路的項數(shù)。3）譯碼網(wǎng)絡(luò)：用來實現(xiàn)2n-1…..20。4）基準電源：保證系數(shù)K的一致性，要求精度高。電子教案數(shù)字電子技術(shù)第七章AD與DA轉(zhuǎn)換器20D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標1.轉(zhuǎn)換精度（1）分辨率——D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級數(shù)。電路所能分辨的最小輸出電壓ULSB（輸入的數(shù)字代碼最低有效位為1，其余各位都為0）與滿刻度輸出電壓Um（輸入的數(shù)字代碼的各位均為1）之比，即分辨率=電子教案數(shù)字電子技術(shù)第七章AD與DA轉(zhuǎn)換器20例如，n=10的D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為1/1023=0.000987若Um=5V，則ULSB=5*0.000987=5mV。分辨率還可以直接用輸入數(shù)字量的位數(shù)來表示。輸入數(shù)字量位數(shù)越多，分辨率越高。所以，在實際應(yīng)用中，常用字量的位數(shù)表示D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率。此外，也可用D/A轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比來表示分辨率，N位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率可表示為1/（2n-1）。電子教案數(shù)字電子技術(shù)第七章AD與DA轉(zhuǎn)換器20（2）轉(zhuǎn)換誤差——絕對誤差和非線性誤差絕對誤差——輸入端加滿刻度的數(shù)字量時，D/A轉(zhuǎn)換器輸出的理論值與實際值之差，一般來說，絕對誤差應(yīng)低于USLB/2。其影響因素主要有電子開關(guān)導通的電壓降、電阻網(wǎng)絡(luò)阻值偏差、參考電壓偏離、集成運放漂移產(chǎn)生的誤差。非線性誤差——在滿刻度范圍內(nèi)偏離轉(zhuǎn)換特性的最大值稱為非線性誤差。它與滿刻度之比稱為非線性度，常用百分比表示。電子教案數(shù)字電子技術(shù)第七章AD與DA轉(zhuǎn)換器202.轉(zhuǎn)換速度（1）建立時間（tset）——當輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時，輸出電壓變化到相應(yīng)穩(wěn)定電壓值所需時間。最短可達0.1μS。（2）轉(zhuǎn)換速率（SR）——在大信號工作狀態(tài)下模擬電壓的變化率。3.溫度系數(shù)——在輸入不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化產(chǎn)生的變化量。一般用滿刻度輸出條件下溫度每升高1℃，輸出電壓變化的百分數(shù)作為溫度系數(shù)。電子教案數(shù)字電子技術(shù)第七章AD與DA轉(zhuǎn)換器20根據(jù)譯碼網(wǎng)絡(luò)的不同權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型T型電阻網(wǎng)絡(luò)型倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)型權(quán)電流型3、D/A轉(zhuǎn)換器的分類電子教案數(shù)字電子技術(shù)第七章AD與DA轉(zhuǎn)換器207.2.2倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器1組成及其工作原理電子教案數(shù)字電子技術(shù)第七章AD與DA轉(zhuǎn)換器20電子教案數(shù)字電子技術(shù)第七章AD與DA轉(zhuǎn)換器20電子教案數(shù)字電子技術(shù)第七章AD與DA轉(zhuǎn)換器20如果是n位的D/A轉(zhuǎn)換器，則UO的表達式為：Uo=-VREF/2n（dn-1*2n-1+dn-2*2n-2+……+d1*21+d0*20）倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的特點是：（1）模擬開關(guān)在地與虛地之間轉(zhuǎn)換，不論開關(guān)狀態(tài)如何變化，各支路的電流始終不變，因此，不需要電流建立時間。（2）各支路電流直接流入運算放大器的輸入端，不存在傳輸時間差，因而提高了轉(zhuǎn)換速度，并減小了動態(tài)過程中傳輸電壓的尖峰脈沖。電子教案數(shù)字電子技術(shù)第七章AD與DA轉(zhuǎn)換器20以國產(chǎn)5G7520為例，n=10。采用倒T型電阻譯碼網(wǎng)絡(luò)和CMOS模擬電子開關(guān)。反饋電阻RF=10K已集成在片內(nèi)，求和運算放大器A，基準電源（-10V—+10V）及模擬開關(guān)的電源（+5V—+15V）均需外接。2.集成D/A轉(zhuǎn)換器電子教案數(shù)字電子技術(shù)第七章AD與DA轉(zhuǎn)換器20電子教案數(shù)字電子技術(shù)第七章AD與DA轉(zhuǎn)換器207.2.3CMOS模擬電子開關(guān)1、要求在D/A轉(zhuǎn)換器中使用的模擬電子開關(guān)是受輸入數(shù)字信號的狀態(tài)控制的，因為傳輸?shù)氖悄M信號，所以要求模擬開關(guān)應(yīng)接近于理想開關(guān)，其接通和斷開應(yīng)不影響被傳送模擬信號的數(shù)值。CMOS電子開關(guān)雙極型電子開關(guān)前面第二章講雙向模擬開關(guān)，但它能夠傳輸?shù)氖请妷盒盘枺覀儸F(xiàn)在需要傳送的是電流信號。2、分類3、CMOS模擬電子開關(guān)電子教案數(shù)字電子技術(shù)第七章AD與DA轉(zhuǎn)換器203.CMOS模擬電子開關(guān)電子教案數(shù)字電子技術(shù)第七章AD與DA轉(zhuǎn)換器203.CMOS模擬電子開關(guān)

若d1=1，則VN1截止，VN2導通，流過2R的電阻流入反饋電阻。若d1=0，則VN2截止，VN1導通，流過2R的電阻流入地。電子教案數(shù)字電子技術(shù)第七章AD與DA轉(zhuǎn)換器20D/A轉(zhuǎn)換器8位的D/A轉(zhuǎn)換器常用的有DAC0832、DAC0808，都屬于R—2RT型電阻網(wǎng)絡(luò)型。剛才所介紹的AD7520為AD公司的產(chǎn)品。電子教案數(shù)字電子技術(shù)第七章AD與DA轉(zhuǎn)換器207.3A/D轉(zhuǎn)換器7.3.1A/D轉(zhuǎn)換器的步驟及分類A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟模擬信號在時間上是連續(xù)的，我們不可能對所有的時間點的信號進行采樣，只能在一系列選定的瞬間（即時間坐標軸上的一些規(guī)定點）對輸入的模擬信號采樣，將這些特殊點的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。通常A/D轉(zhuǎn)換須經(jīng)過采樣、保持和量化、編碼這兩大步驟完成。（1）采樣、保持到底采多少個點或者說隔多長時間采樣一次，應(yīng)以采樣后的信號能不失真地反映原來的信號。對于一個頻率有限的模擬信號，可以由采樣定理確定采樣頻率為電子教案數(shù)字電子技術(shù)第七章AD與DA轉(zhuǎn)換器20其中fs為采樣頻率，fimax為輸入模擬信號的上限值。通常選擇采樣頻率fs=（2.5—3）fimax，應(yīng)該是采樣頻率越高越好，但要付出代價，如外接的存儲器的容量要大（1024*8，1024*8*2）。由于采樣時間極短，采樣輸出為一串斷續(xù)的窄脈沖，而要把一個模擬采樣信號數(shù)字化需要一定的時間，因此在前后兩次采樣之間，應(yīng)將采樣的模擬信號保持下來，否則采樣的模擬信號已發(fā)生了變化?？梢姡M行A/D轉(zhuǎn)換時所用的輸入電壓，實際上是每次取樣結(jié)束時的vI值。采樣保持電路的電路圖如下所示：電子教案數(shù)字電子技術(shù)第七章AD與DA轉(zhuǎn)換器20電子教案數(shù)字電子技術(shù)第七章AD與DA轉(zhuǎn)換器20還是上一個例子，這種方法產(chǎn)生的最大誤差為1/15V。電子教案數(shù)字電子技術(shù)第七章AD與DA轉(zhuǎn)換器20ChULUIA1A2電子教案數(shù)字電子技術(shù)第七章AD與DA轉(zhuǎn)換器20步驟：（1）采樣時，使UL為高電平，S閉合，UO=UI，此時，UCH=UI。（2）采樣結(jié)束時，S斷開，由于A2的輸入阻抗很高，Ch上的電壓基本保持不變（3）當下一個采樣控制信號到來后，S又閉合，電容Ch上的電壓又跟隨此時的輸入信號UI而變化。電子教案數(shù)字電子技術(shù)第七章AD與DA轉(zhuǎn)換器20采樣——保持電路的輸出信號已成階梯狀，但階梯幅值仍是連續(xù)可變的。要想變成數(shù)字量，就需要把幅值進行量化，就類似于用尺子去度量一根繩子，然后取整。量化就是將離散的階梯幅值轉(zhuǎn)化為某規(guī)定的最小單位的整數(shù)倍。量化的方法有兩種，一種是只舍不入，另一種是有舍有入。只舍不入的方法是：取最小量化單位=Um/2n，將0—之間的模擬電壓歸并到0將—2之間的模擬電壓歸并到1依次類推。這種方法產(chǎn)生的最大量化誤差為。（2）量化、編碼電子教案數(shù)字電子技術(shù)第七章AD與DA轉(zhuǎn)換器20例：將0—1V的模擬電壓轉(zhuǎn)換成3位二進制數(shù)。按前面所講=Um/8。這種方法產(chǎn)生的最的誤差為1/8V。電子教案數(shù)字電子技術(shù)第七章AD與DA轉(zhuǎn)換器20有舍有入的方法是：取最小量化單位=Um/（2n-1），將0—/2之間的模擬電壓歸并到0，將/2—3/2之間的模擬電壓歸并到1，依次類推，這種方法產(chǎn)生的最大量化誤差為/2。

電子教案數(shù)字電子技術(shù)第七章AD與DA轉(zhuǎn)換器202.A/D轉(zhuǎn)換器的分類A/D轉(zhuǎn)換器的種類很多，但從轉(zhuǎn)換過程看可以分為兩大類：并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器直接型反饋比較型計數(shù)型逐次漸進型間接型電壓時間變換（U-T）型積分型電壓頻率變換（U-F）型直接型特點：工作速度高，調(diào)整較方便。間接型特點：速度較慢，但精度可以做得較高，且抗干擾性強。電子教案數(shù)字電子技術(shù)第七章AD與DA轉(zhuǎn)換器20學習目的：逐次漸進型A/D轉(zhuǎn)換器屬直接型A/D，通過這部分內(nèi)容的學習，同學們一要掌握A/D轉(zhuǎn)換器的原理，二要掌握數(shù)字時序邏輯電路的的分析方法，為今后分析和設(shè)計更復(fù)雜的電路打基礎(chǔ)。1、工作原理：類似天平稱物體的原理。天平的一端放被稱的物體，另一端加砝碼，各砝碼的重量按二進制關(guān)系設(shè)置，一個比一個小一半。稱重時，將各種重量的砝碼從大到小逐一放在天平上加以試探，經(jīng)天平比較加以取舍，一直到天平基本平衡為止。這樣就以一系列二進制碼的重量之和表示了被稱物體的重量。7.3.2逐次漸進型A/D轉(zhuǎn)換器電子教案數(shù)字電子技術(shù)第七章AD與DA轉(zhuǎn)換器20

順序脈沖發(fā)生器:依次產(chǎn)生各種重量的砝碼。組成：控制電路：決定本次所放砝碼的取舍。

寄存器：把順序脈沖發(fā)生器和控制電路處理后的二進制數(shù)暫時存放起來。

D/A轉(zhuǎn)換器：寄存器輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量。電壓比較器：將D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓與被轉(zhuǎn)換的電壓進行比較，輸出用來控制控制電路。電子教案數(shù)字電子技術(shù)第七章AD與DA轉(zhuǎn)換器20電子教案數(shù)字電子技術(shù)第七章AD與DA轉(zhuǎn)換器20電子教案數(shù)字電子技術(shù)第七章AD與DA轉(zhuǎn)換器20結(jié)論：3位A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換完成用了5個CP脈沖，n位A/D轉(zhuǎn)換器用n+2個脈沖。優(yōu)點：精度高，轉(zhuǎn)換速度快，轉(zhuǎn)換時間固定簡化了與計算機同步，所以常常用作微機接口。2、常用的A/D轉(zhuǎn)換器芯片有ADC0809、ADC0804、AD574A。僅介紹ADC0890。CMOS器件，除了有8位A/D轉(zhuǎn)換器外，還有8路模擬開關(guān)以及地址鎖存與譯碼，有三條地址輸入線ADDA、ADDB、ADDC，可決定選通一路，該芯片內(nèi)還有便于與微機數(shù)據(jù)總線連接的三態(tài)輸出鎖存器。電子教案數(shù)字電子技術(shù)第七章AD與DA轉(zhuǎn)換器20UI3UI4UI5UI6UI7STARTEOCD3OECLKVCC+VREFGNDD1UI2UI1UI0ADDAADDBADDCALED7D6D5D4D0-VREFD212345678910111213142827262524232221201918171615電子教案數(shù)字電子技術(shù)第七章AD與DA轉(zhuǎn)換器20

它屬于間接型?；驹硎牵和ㄟ^兩次積分，先把模擬電壓UI轉(zhuǎn)換成與之大小相對應(yīng)的時間T，再在時間間隔T內(nèi)用計數(shù)頻率不變的計數(shù)器計數(shù)，計數(shù)器所計數(shù)字量就正比于輸入模擬電壓。7.3.3雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器電子教案數(shù)字電子技術(shù)第七章AD與DA轉(zhuǎn)換器201、原理框圖電子教案數(shù)字電子技術(shù)第七章AD與DA轉(zhuǎn)換器20電子教案數(shù)字電子技術(shù)第七章AD與DA轉(zhuǎn)換器202、工作原理