第九章-DA-AD轉(zhuǎn)換器.ppt

1、,9.1.1 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器,9.1.2 權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器,9.1.3 D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式,9.1.4 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo),9.1.5 集成D/A轉(zhuǎn)換器,9.1.0 D/A轉(zhuǎn)換器概述,9.1 D/A轉(zhuǎn)換器,1、DAC的功能:,將數(shù)字量成正比地轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng) 模擬量 。 （設(shè)D/A轉(zhuǎn)換器的輸 入數(shù)字量為 n位）,9.1.0 D/A 轉(zhuǎn)換器概述,9.1.0 D/A 轉(zhuǎn)換器概述,DAC,如何實(shí)現(xiàn)D/A？,9.1.0 D/A 轉(zhuǎn)換器概述,數(shù)字量是由二進(jìn)制代碼組合而成的, 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, 再將這些模擬量相加

2、,即可得到與數(shù)字量成正比的模擬量, 這樣，就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字量-模擬量的轉(zhuǎn)換。,2. 實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的基本思想,3. D/A轉(zhuǎn)換器的組成:,9.1.0 D/A 轉(zhuǎn)換器概述,電阻網(wǎng)絡(luò) 模擬電子開(kāi)關(guān) 求和運(yùn)算放大器,4. D/A轉(zhuǎn)換器的分類:,9.1.0 D/A 轉(zhuǎn)換器概述,按解碼網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分類,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,CMOS開(kāi)關(guān)型DAC,雙極型開(kāi)關(guān)型DAC,電流開(kāi)關(guān)型DAC,ECL電流開(kāi)關(guān)型DAC,D/A 轉(zhuǎn)換器,9.1.1 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

3、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、原理電路,9.1.1 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器,3. 工作原理：,I,I2,I1,I0,I3,流入運(yùn)放的總電流：,i I0 + I1 + I2 + I3,9.1.1 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器,3. 工作原理：,I,I2,I1,I0,I3,輸出模擬電壓：,9.1.1 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器,3. 工作原理：,4 位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC的輸出模擬電壓：,推廣到 n 位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC,

4、有：,令：,則,O = K NB,上式表明，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。,為提高D/A轉(zhuǎn)換器的精度，對(duì)電路參數(shù)的要求：,(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電阻值的精度要高；,(3) 每個(gè)模擬開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)電壓降要相等,(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。,9.1.1 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器,9.1.2 權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器,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。,電 路,在恒流源電路

5、中，各支路權(quán)電流的大小均不受開(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。,實(shí)際的權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器電路,9.1.2 權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器,9.1.3 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo),1. 轉(zhuǎn)換精度 ：通常用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來(lái)描述。,分辨率：其定義為D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級(jí)數(shù)。實(shí)際應(yīng)用中往往用輸入數(shù)字量的位數(shù)表示D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率。,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,轉(zhuǎn)換誤差：,轉(zhuǎn)換誤差：轉(zhuǎn)換誤差是指D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際精度與理論上可達(dá)到的精度之間存在誤差。,產(chǎn)生原因：由于D/A轉(zhuǎn)換器中各元件參數(shù)值存在

6、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：例如比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差和非線性誤差等,9.1.3 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo),9.1.4 集成D/A轉(zhuǎn)換器,1. AD7520D/A轉(zhuǎn)換器,10位CMOS電流開(kāi)關(guān)型D/A轉(zhuǎn)換器,9.1.4 集成D/A轉(zhuǎn)換器,*2. 集成D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832,它是八位的D/A變換器,即在對(duì)其輸入八位數(shù)字量后，通過(guò)外接的運(yùn)算放大器，可以獲得相應(yīng)的模擬電壓值。,下圖是它的內(nèi)部框圖和引腳圖：,9.1.4 集成D/A轉(zhuǎn)換器,*2. 集成D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832,簡(jiǎn)化電路框圖,9.1.4 集成D/A轉(zhuǎn)換器,*2. 集成D/A轉(zhuǎn)換器DA

7、C0832,DAC 0832 管腳圖,D/A轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例 可編程增益控制放大器 它由D/A轉(zhuǎn)換器AD7520、運(yùn)算放大器A和四線-十線譯碼器組成。DAC接到運(yùn)算放大器的輸出端和反相輸入端。運(yùn)算放大器的輸出電壓作為AD7520的參考電壓，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電流IO被送回到運(yùn)算放大器的反相輸入端。,a1=1：IO=2-1Ii a2=1：IO=2-2Ii a3=1：IO=2-3Ii a4=1：IO=2-4Ii a5=1：IO=2-5Ii a6=1：IO=2-6Ii a7=1：IO=2-7Ii a8=1：IO=2-8Ii a9=1：IO=2-9Ii a10=1：IO=2-10Ii 其中：Ii=Vi/

8、R,VO,IO=-If,所以：,因?yàn)椋?放大器的電壓放大倍數(shù)為：,因?yàn)樗木€十線譯碼器的十個(gè)輸出端只能有一個(gè)為1，所以上式可寫(xiě)作：,9.2.1 A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過(guò)程,9.2.2 并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器,9.2.3 逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器,9.2.4 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器,9.2.5 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo),9.2 A/D 轉(zhuǎn)換器,9.2.6 集成A/D轉(zhuǎn)換器,A/D轉(zhuǎn)換器要將時(shí)間上連續(xù)，幅值也連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為時(shí)間上離散，幅值也離散的數(shù)字信號(hào)，它一般要包括取樣， 保持，量化及編碼4個(gè)過(guò)程。,A/D轉(zhuǎn)換器概述,2. A/D轉(zhuǎn)換器分類, 并行比較型 特點(diǎn): 轉(zhuǎn)換速度快,轉(zhuǎn)換時(shí)間 10ns 1

9、s, 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)。,A/D轉(zhuǎn)換器概述,9.2.1 A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過(guò)程,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(9.2.1),

10、采樣定理 采樣定理：只有當(dāng)采樣頻率大于模擬信號(hào)最高頻率分量的2倍時(shí)（fS2fmax），所采集的信號(hào)樣值才能不失真地反映原來(lái)模擬信號(hào)的變化規(guī)律。,圖9-8(a)、(b)中的采樣頻率大于正弦波頻率的2倍，通過(guò)樣值繪出的正弦曲線只有一條，即可以恢復(fù)原波形。,（fs=2fmax）， (c)中所采集的樣值全為0，(d)中的樣值可以畫(huà)出無(wú)數(shù)正弦波，不能完全再現(xiàn)已確定的一個(gè)正弦波。,圖9-8(e)、(f)中，采樣頻率小于正弦波頻率的2倍，通過(guò)樣值可以繪出與原正弦波頻率不同的新的波形。,常用的幾種采樣保持電路 由采樣開(kāi)關(guān)T、存儲(chǔ)信息的電容C和緩沖放大器A等幾個(gè)部分組成。,2. 量化與編碼,為將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)

11、字量，在A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中，必須將采樣保持電路的輸出電量，按某種近似方式歸化到與之相應(yīng)的離散電平上。這一轉(zhuǎn)化過(guò)程我們稱為數(shù)值量化，簡(jiǎn)稱量化。任何一個(gè)數(shù)字量的大小只能是某個(gè)規(guī)定的最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。,量化后的數(shù)值最后還需通過(guò)編碼過(guò)程用一個(gè)代碼表示出來(lái)。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。,9.2.1 A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過(guò)程,量化,編碼,(1)量化及量化誤差,量化過(guò)程中所取最小數(shù)量單位稱為量化單位用表示。它是數(shù)字信號(hào)最低位為1時(shí)所對(duì)應(yīng)的模擬量，即1LSB。任何一個(gè)數(shù)字量的大小只能是某個(gè)規(guī)定的最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。,在量化過(guò)程中由于采樣電壓不一定能被整除，所以量化前后不可避免地存在誤差

12、，此誤差我們稱之為量化誤差，用表示。,量化誤差屬原理誤差，它是無(wú)法消除的。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，各離散電平之間的差值越小，量化誤差越小。,兩種近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。,9.2.1 A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過(guò)程,只舍不入量化方式:量化中把不足1個(gè)量化單位的部分舍棄； 最大量化誤差為：,四舍五入量化方式:量化過(guò)程將不足半個(gè)量化單位部分舍棄，對(duì)于等于或大于半個(gè)量化單位部分按一個(gè)量化單位處理。其最大量化誤差為：最大量化誤差為,（2）兩種量化方式,111,110,101,100,011,010,001,000,0=0 v,7=7/8 v,6=6/8 v,5=5/8 v,4=4/

13、8 v,3=3/8 v,2=2/8 v,1=1/8 v,110,101,100,011,010,001,000,0=0 v,1=2/15 v,2=4/15 v,3=6/15 v,4=8/15 v,5=10/15 v,6=12/15 v,7=14/15 v,111,9.2.1 A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過(guò)程,9.2.2 并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器 1、電路組成,電壓比較器,輸入模擬電壓,精密電阻網(wǎng)絡(luò)（23個(gè)電阻）,精密參考電壓,D觸發(fā)器,VREF/15,3VREF/15,7VREF/15,9VREF/15,11VREF/15,5VREF/15,13VREF/15,輸出數(shù)字量,9.2.2 并行比較型A/D轉(zhuǎn)

14、換器 2、工作原理,11VREF/15,9VREF/15,13VREF/15,7VREF/15,3VREF/15,VREF/15,5VREF/15,VI=8VREF/15,1,1,1,1,0,0,0,0,0,0,1,1,1,1,I7的優(yōu)先級(jí)最高,0 0 1,vi,vO,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 1,5VREF/15 vI 7VREF/15 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1,3

15、VREF /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)字量輸出。,9.2.2 并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器 2、工作原理,9.2.2 并行

16、比較型A/D轉(zhuǎn)換器 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，從I加入到三位數(shù)字量穩(wěn)定輸出所經(jīng)歷的時(shí)間為比較器、D觸發(fā)器和編碼器延遲時(shí)間之和。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。所以它具有最短的轉(zhuǎn)換時(shí)間。,缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，如三位ADC需比較器的個(gè)數(shù)目為7個(gè)，位數(shù)越多矛盾越突出。,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。,9.2.2 并行比較型A

17、/D轉(zhuǎn)換器,分級(jí)并行轉(zhuǎn)換10位A/D轉(zhuǎn)換器,9.2.3 逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器,逐次逼近轉(zhuǎn)換過(guò)程與用天平稱物重非常相似 。,1. 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。,稱重過(guò)程,1. 轉(zhuǎn)換原理(1),第一個(gè)CP：,1. 轉(zhuǎn)換原理 (2),第二個(gè)CP：,1. 轉(zhuǎn)換原理(3),第三個(gè)CP：,1 0 0 0 0 0 0 0,A=6.84V,VREF=10V,1,0,1,0,1,1,1,1,9.2.3 逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器,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

18、沖頻率有關(guān)，位數(shù)愈少，時(shí)鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換所需時(shí)間越短；,9.2.3 逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器,9.2.4 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。該A/D轉(zhuǎn)換器也稱為電壓時(shí)間數(shù)字式積分器 。,1,0,0,0,9.2.4 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器,9.2.4 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器,0,(1) 準(zhǔn)備階段,工作原理,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。,9.2.4 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器,9.2.4 雙積

19、分式A/D轉(zhuǎn)換器,(2) 第一次積分,1,t = t0時(shí)，開(kāi)關(guān)S1與A端接通，正的被測(cè)電壓I 加到積分器的輸入端。積分器開(kāi)始對(duì)I積分，此階段稱為采樣階段,9.2.4 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器,工作原理,0,9.2.4 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器,(2) 第二次積分,1,1,VREF加到積分器的輸入端，積分器開(kāi)始向相反方向進(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。,工作原理,9.2.4 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器,0,9.2.4 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器,T1=2nTC,T2=Tc,T2=t1 t2,在計(jì)數(shù)器中所計(jì)的數(shù)=Qn-1Q1Q0，(就是A/D轉(zhuǎn)換

20、器得到的結(jié)果。,1.轉(zhuǎn)換精度,9.2.5 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:,說(shuō)明A/D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(或十進(jìn)制)數(shù)的位數(shù)表示。,轉(zhuǎn)換誤差：,表示A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別。通常以輸出誤差的最大值形式給出，常用最低有效位的倍數(shù)表示。,9.2.5 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo),2.轉(zhuǎn)換時(shí)間,指A/D轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控制信號(hào)到來(lái)開(kāi)始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。 A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間與轉(zhuǎn)換電路的類型有關(guān),并行比較A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最高 , 逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器次之 , 間接A/D轉(zhuǎn)換器(如雙積分A/D)的速度最慢。,9.2.5 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo),例9.2.1 某信號(hào)采集系統(tǒng)要求用一片A/D轉(zhuǎn)換集成芯片在1秒鐘內(nèi) 對(duì)16個(gè)熱電偶的輸出電壓分時(shí)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。已知熱電偶輸出電 壓范圍為00.025V(對(duì)應(yīng)于0450溫度范圍)，需要分辨的溫度為 0.1，試問(wèn)應(yīng)選擇多少位的A/D轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時(shí)間為多少？,解：,由題意可知分辨率為,12位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率為,故必須選用13位的A