模電23(DA轉(zhuǎn)換器).ppt

1、1,1掌握倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的組成和工作原理 2了解D/A轉(zhuǎn)換器的電壓輸出方式 3了解A/D轉(zhuǎn)換一般過程（四步：采樣、保持、量化、編碼） 4了解并行、逐次比較A/D轉(zhuǎn)換電路的組成、原理 掌握雙積分A/D轉(zhuǎn)換器的組成和工作原理,基本要求,數(shù)電10. 模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器,概述：,A/D轉(zhuǎn)換：模擬量數(shù)字量；,D/A轉(zhuǎn)換：數(shù)字量模擬量。,2,應(yīng)用舉例：,3,應(yīng)用舉例：,1、數(shù)字控制系統(tǒng),發(fā)送端：,接收端：,2、數(shù)字通信系統(tǒng),4,10.1 數(shù)/模轉(zhuǎn)換器,一、D/A轉(zhuǎn)換的基本原理,1、需解決的問題：把輸入的數(shù)字量（n位二進制代碼）轉(zhuǎn)換成與之成正比的模擬量（電流、電壓）。,2、思路：,(1)將每一位二

2、進制碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量；,(2)將各位代碼轉(zhuǎn)換的模擬量求和。,5,n位D/A轉(zhuǎn)換器方框圖,N位數(shù)字量控制N位模擬開關(guān)的狀態(tài)。 N位模擬開關(guān)狀態(tài)控制解碼網(wǎng)絡(luò)是否把相應(yīng)位的權(quán)對應(yīng)的模擬量求和電路。,6, T型電阻網(wǎng)絡(luò),有,各支路電流分別為,3、分類：,(1)按解碼網(wǎng)絡(luò)：,(2)按電子開關(guān)形式：,權(quán)電流型；,倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)型；,T型電阻網(wǎng)絡(luò)型；,CMOS開關(guān)型,雙極型開關(guān)型,7,10.1.1 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器,R-2R電阻解碼網(wǎng)絡(luò)呈倒T形；,D3D0：輸入數(shù)字量,S3 S0: 模擬開關(guān)； Si受Di控制：,Di=1時， Si接運放反相端；Di=0時， Si將2R接地。,運放A

3、接成反相比例運算電路（外接）,VREF ：參考電壓； vo：輸出模擬電壓,1、電路組成：,8,2、工作原理：,由“虛地”可知，開關(guān)狀態(tài)不影響電阻支路電流,即有,各支路電流分別為,9,流入運放反相端的總電流,推廣到n位，有,10,(3)反相比例放大器的輸出：,vo=Rf I,輸出模擬電壓與輸入數(shù)字量成正比。,比例系數(shù)K為,11,AD7533D/A轉(zhuǎn)換器,使用:1)要外接運放， 2)運放的反饋電阻可使用內(nèi)部電阻 ， 也可采用外接電阻,例：集成D/A轉(zhuǎn)換器,10位CMOS電流開關(guān)型D/A轉(zhuǎn)換器,12,3、倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的特點：,(1)模擬開關(guān)在地與輸入之間轉(zhuǎn)換，無論開關(guān)狀態(tài)如何變化， 各

4、支路電流始終不變，即不需要電流建立時間。,(2)各支路電流直接流入運放的輸入端，不存在傳輸時間差， 因而提高了轉(zhuǎn)換速度，并減少了動態(tài)過程中輸出電壓的尖峰脈沖。,此種D/A轉(zhuǎn)換器是目前速度最高，應(yīng)用最多的一種。,問題: S開關(guān)導(dǎo)通壓降若不完全相同，將影響轉(zhuǎn)換精度。,13,關(guān)于D/A轉(zhuǎn)換器精度的討論,(1) 基準電壓穩(wěn)定性好；,(2) 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)中R和2R電阻比值的精度要高；,為實現(xiàn)電流從高位到低位按2的整數(shù)倍遞減，模擬開關(guān) 的導(dǎo)通電阻也相應(yīng)地按2的整數(shù)倍遞增。,為進一步提高D/A轉(zhuǎn)換器的精度，可采用權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器。,為提高D/A轉(zhuǎn)換器的精度，對電路參數(shù)的要求：,(3) 每個模擬開關(guān)的開

5、關(guān)電壓降要相等,14,2. 特點： (1)共性：開關(guān)支路電流與權(quán)成正比，電流相加 (2)不同：產(chǎn)生支路電流的方法不同； 圖9.1.8(P437) 實際的權(quán)電流型D/A電路（BJT恒流源電路） (3)優(yōu)點：速度快；恒流源，對開關(guān)要求低；,1. 分析：,權(quán)電流型D/A,Di =1, Si接通反相輸入端,Di =0, Si接通同相輸入端,15,10.1.3 D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式,由解碼網(wǎng)絡(luò)得到的是與輸入數(shù)字量成正比的電流信號，為得到電壓信號，還要選擇合適的輸出電路。,1、單極性輸出：,(1) 反相輸出,(若R=RF),vO與VREF反相、 單極性,輸入：無符號位二進制碼 輸出：單極性模擬信號,VL

6、SB,16,(2) 同相輸出,同相比例放大器,VO與VREF同相,17,2、雙極性輸出,輸入：有符號位的數(shù)字量（常用補碼表示） 輸出：正、負極性的模擬電壓。,此時，D/A轉(zhuǎn)換器工作于雙極性輸出方式。 常見的編碼方式有：補碼、偏移二進制碼或符號-數(shù)值碼等。,P437P439（不作要求，感興趣者自學）,18,10.1.4 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標,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數(shù)。n位DAC最多有2n個模擬輸出電壓。位數(shù)越多D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率越高。,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,1、分辨率,19,2、轉(zhuǎn)換精

7、度：,轉(zhuǎn)換精度是指對給定的數(shù)字量，D/A轉(zhuǎn)換器實際值與理論值之間的最大偏差。,產(chǎn)生原因：由于D/A轉(zhuǎn)換器中各元件參數(shù)值存在誤差，如基準電壓不夠穩(wěn)定或運算放大器的零漂等各種因素的影響。,幾種轉(zhuǎn)換誤差：有如比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差和非線性誤差等,20,比例系數(shù)誤差：指實際轉(zhuǎn)換特性曲線的斜率與理想轉(zhuǎn)換特性曲線斜率的偏差。,當VREF偏離標準值VREF時，在輸出端產(chǎn)生的誤差電壓Vo即為比例系數(shù)誤差。,Vo =,21,失調(diào)誤差：由運放的零漂引起，其大小與輸入數(shù)字量無關(guān)。使輸出電壓的轉(zhuǎn)移特性曲線發(fā)生平移。,非線性誤差： 產(chǎn)生的原因有：解碼網(wǎng)絡(luò)的支路電阻誤差、模擬開關(guān)導(dǎo)通電阻、開關(guān)壓降的誤差等。,結(jié)論：為獲得

8、高精度的D/A轉(zhuǎn)換，不僅應(yīng)選擇位數(shù)較多的高分辨率D/A轉(zhuǎn)換器，而且，還需要選用高穩(wěn)定度的VREF和低溫漂的運算放大器等器件與之配合。,22,3.轉(zhuǎn)換速率：,實際應(yīng)用中，要實現(xiàn)快速D/A轉(zhuǎn)換，不僅需要D/A轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速率，還應(yīng)選用轉(zhuǎn)換速率較高的集成運放與之配合使用。,建立時間（滿量程建立時間）tset：,D從全0變?yōu)槿?（vo從0變?yōu)閂om規(guī)定誤差范圍內(nèi)（1/2VLSB） 所需時間。,D/A轉(zhuǎn)換器的動態(tài)參數(shù),23,10.1.5 集成D/A轉(zhuǎn)換器AD7533及其應(yīng)用,1. 符號、功能,-25V+25V,+5V+15V,地,外接,(10k)內(nèi)接,內(nèi)部僅含倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)、 電流開關(guān)、 反饋電阻

9、RF=R,需外接集成運放A 參考電壓VREF,24,2. 應(yīng)用,1） 單極性電壓輸出電路,Vom (D0D9 全1):,VLSB (D0=1其余全0):,25,2） 單極性電壓輸出應(yīng)用,階梯波產(chǎn)生器,多諧振蕩器,5進制計數(shù)器,D/A轉(zhuǎn)換器,26,3） 三角波、拋物波產(chǎn)生器,27,10.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器,概述：,1、A/D轉(zhuǎn)換：將隨時間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為與之相應(yīng)的數(shù)字量。,模擬量是時間、幅值均連續(xù)；而數(shù)字量則為時間、幅值均離散， 實現(xiàn) A/D轉(zhuǎn)換，首先必須在一系列選定的瞬間，對輸入的模擬信號取樣變?yōu)闀r間的離散量； 取樣后要保持一段時間，在此時間內(nèi)，將取樣的電壓量化為數(shù)字量變?yōu)闀r間、幅值的離散量

10、； 然后，按一定的編碼方式給出結(jié)果。 即實現(xiàn) A/D轉(zhuǎn)換，一般要經(jīng)過取樣、保持、量化、編碼4個過程。,實際電路中，取樣和保持、量化和編碼往往同時進行。,28,模擬信號轉(zhuǎn)換成時間離散的信號 取樣電路：,TC：取樣時間； 開關(guān)閉合，vO=vI,TS：取樣周期,fS：取樣頻率,TS-TC：開關(guān)斷開，vO=0,fS2fmax,取樣保持,A取樣保持量化編碼D,取樣信號S（t）頻率越高，所取得的信號經(jīng)低通濾波器后，越能真實地復(fù)現(xiàn)輸入信號，合理的取樣頻率由取樣定理決定。,fmax為輸入模擬電壓最高頻率分量的頻率。,29,時間離散信號與數(shù)字信號間的轉(zhuǎn)換,量化將樣值化成最小單位的整數(shù)倍N的過程 量化單位 -量化

11、的最小單位(D001時所代表的數(shù)值(VLSB)） 量化誤差:由于模擬電壓是連續(xù)的，所以取樣電壓不一定能被整除，因此，量化過程不可避免地會引入誤差，稱為量化誤差。 屬于原理誤差，無法消除。位數(shù)越多，誤差越小。,1時間離散信號數(shù)字信號,30,只舍不入（舍尾求整法） 例：采樣得到時間離散信號vi ：最大值為1V，最小值為0V，要求將其轉(zhuǎn)換成為3位二進制數(shù)字量。 解： 取量化單位=1/8 V，則將vi /舍尾求整，得到vi與數(shù)字信號之間的關(guān)系是,最大量化誤差： ,vi 3位二進制數(shù)字量,31,(2) 有舍有入（四舍五入法） 例：采樣得到時間離散信號vi ：最大值為1V，最小值為0V，要求將其轉(zhuǎn)換成為3

12、位二進制數(shù)字量。 解：取量化單位=2/15 V ，則將vi /四舍五入，得到vi與數(shù)字信號之間的關(guān)系是,最大量化誤差: /2,. . .,vi 3位二進制數(shù)字量,32,0: 0 vi / 0.5 1: 0.5 vi / 1.5 2: 1.5 vi / 2.5 3: 2.5 vi / 3.5 4: 3.5 vi / 4.5 5: 4.5 vi / 5.5 6: 5.5 vi / 6.5 7: 6.5 vi / 7.5,vmax /=7.5 = vmax / 7.5 = 2/15V,當要轉(zhuǎn)換成n位二進制數(shù)時， = vmax / (2n-1+0.5) = vmax / (2n-0.5),33,2、A

13、/D轉(zhuǎn)換器的分類：,（1）直接A/D轉(zhuǎn)換器：將輸入的模擬電壓直接（不需要中間變量）轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。,并行比較型:由電壓比較器、寄存器、編碼器構(gòu)成，可以不附加取樣-保持電路。 特點：轉(zhuǎn)換速度快，但隨著輸出代碼數(shù)位的增加，電路規(guī)模急劇膨脹。,34,并行A/D,13位并行A/D轉(zhuǎn)換器組成 (1)分壓器 (2)比較器 (3)寄存器 (4)編碼器 2工作原理 優(yōu)先級別：I7最高。,這種A/D 變換器的優(yōu)點是轉(zhuǎn)換速度快，缺點 是所需比較器數(shù)目多，位數(shù)越多矛盾越突出。,圖8.3.3 并行ADC原理框圖,35,2、A/D轉(zhuǎn)換器的分類：,（1）直接A/D轉(zhuǎn)換器：將輸入的模擬電壓直接（不需要中間變量）轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。

14、,反饋比較型：由D/A轉(zhuǎn)換器、電壓比較器、寄存器等構(gòu)成，其思路是:,取一個數(shù)字量加到D/A轉(zhuǎn)換器上，得到一個對應(yīng)的模擬輸出電壓，將其與待轉(zhuǎn)換的模擬電壓相比較，若兩者不等，則調(diào)整所取的數(shù)字量，直到兩個模擬電壓相等為止，此時所取的數(shù)字量即為轉(zhuǎn)換結(jié)果。,常用、典型電路為逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器：,由D/A轉(zhuǎn)換器、電壓比較器、寄存器、時鐘脈沖源、控制邏輯等5部分構(gòu)成。,特點：轉(zhuǎn)換速度較慢，數(shù)位較多時，電路規(guī)模比并行比較型小得多是目前集成A/D轉(zhuǎn)換器中應(yīng)用最多的一種。,36,逐次比較型,其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四個砝碼共重15克，每個重量分別為8、4、2、1克。設(shè)待秤重量Wx = 13克，可以用

15、下表步驟來秤量：,37,2工作原理 (1) 轉(zhuǎn)換前: 寄存器清零 D=0，vREF= 0 (2) 轉(zhuǎn)換信號到來 (3) 第一步： 控制邏輯將寄存器 最高位置1， Dn-1=1，D1000 經(jīng)D/A控制 vREF=VREF / 2 與vI比較：,若vREF vI,1逐次比較A/D組成框圖,若vREF vI,38,(4) 第二步：控制邏輯將寄存器次高位置1 Dn-2=1, D=*100.0 . . 第n步：D0=1,若最高位已存0，則此時vREF=1/4 vREF,若最高位已存1，則此時vREF=3/4 vREF,39,vI = 1.2V,3. 特點 優(yōu)點：元件少 缺點：速度慢（比較n次） 適于速

16、度低、精度高的電路,40,（2）間接A/D轉(zhuǎn)換器：, 電壓-頻率變換型（V-F變換型）,首先將輸入模擬電壓轉(zhuǎn)換為與之成正比的頻率信號，然后在固定的時間間隔內(nèi)，對頻率信號計數(shù)，其結(jié)果即為所求。,41,（2）間接A/D轉(zhuǎn)換器：,電壓-時間變換型（V-T變換型）,首先將輸入模擬電壓轉(zhuǎn)換為與之成正比的時間間隔，然后用固定的時鐘脈沖測定該時間間隔，其結(jié)果即為所求。,典型電路為雙積分A/D轉(zhuǎn)換器。,42,1、電路組成,43,0,開關(guān)S2閉合，待積分電容放電完畢后，斷開S2 使電容的初始電壓為0。此時可認為vo=0。 t =0 時，Cr信號將計數(shù)器清零，Qn=0；開關(guān)S1與A端相接。,2、工作原理,準備階段

17、：,44,(2) 第一次積分：,45,-VREF加到積分器的輸入端，積分器反方向進行第二次積分；當t=t2時積分器輸出電壓O0，比較器輸出C=0，時鐘脈沖控制門G被關(guān)閉，計數(shù)停止。,(3) 第二次積分：,46,T1=2nTC,T2=Tc,T2=t1 t2,在計數(shù)器所計的數(shù)=Qn-1Q1Q0，就是A/D轉(zhuǎn)換器得到的結(jié)果。,47,9.2.4 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器,優(yōu)點：,1.由于轉(zhuǎn)換結(jié)果與時間常數(shù)RC無關(guān)，從而消除了積分非線 性帶來的誤差。,2.由于雙積分A/D轉(zhuǎn)換器在T1時間內(nèi)采的是輸入電壓的平均值， 因此具有很強的抗工頻干擾的能力。,T1=2nTC,3. 只要求時鐘源在一個轉(zhuǎn)換周期時間內(nèi)保持穩(wěn)定即可。,48,缺點：轉(zhuǎn)換速度慢 （最大2n2TCP）；,精度受計數(shù)器位數(shù)、運放、比較器的零點漂移，時鐘頻率的波動，積分電容漏電及開關(guān)導(dǎo)通電阻的差異等影響。,49,1.轉(zhuǎn)換