數(shù)模與模數(shù)變換器.ppt

第十章 數(shù)/模與模/數(shù)變換器,10.1 數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC）,10.2 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）,教 學(xué) 要 求,掌握R/2R梯形網(wǎng)絡(luò)或倒置R/2R梯形網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器電路結(jié)構(gòu)和工作原理。 了解典型集成D/A轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)。 重點(diǎn)、難點(diǎn)： D/A轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理。 作業(yè)：P422 10.1.2,用途：數(shù)/模與模/數(shù)變換器是計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備的重要接口,也是數(shù)字測(cè)量和數(shù)字控制系統(tǒng)的重要部件。,D/A變換器也稱(chēng)為數(shù)/模變換器，作用是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量 A/D變換器也稱(chēng)為模/數(shù)變換器，作用是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的裝置,基本概念,由于構(gòu)成數(shù)字代碼的每一位都有一定的“權(quán)”，因此為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，就必須將每一位代碼按其“權(quán)”轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后再將代表各位的模擬量相加即可得到與該數(shù)字量成正比的模擬量，這就是構(gòu)成D/A變換器的基本思想。,10.1 數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC）,何謂權(quán)？ 如何求和？,模擬電壓,數(shù)字量,每一位數(shù)字量與模擬電壓一一對(duì)應(yīng),權(quán),結(jié)論：,求和電路,R,10.1.1 權(quán)電阻D/A變換器,uo,UR,這種變換器由“電子模擬開(kāi)關(guān)”、“權(quán)電阻求和網(wǎng)絡(luò)”、“運(yùn)算放大器”和“基準(zhǔn)電源”等部分組成。,電子模擬開(kāi)關(guān)( S0 S3 ) 是受二進(jìn)制數(shù)D0 D3 控制并由電子器件構(gòu)成的開(kāi)關(guān)。當(dāng) DK 1 時(shí)，則開(kāi)關(guān)SK 接到位置1上，將基準(zhǔn)電源UR經(jīng)電阻Rk引起的電流接到運(yùn)算放大器的虛地點(diǎn)；當(dāng)Dk0 時(shí)，開(kāi)關(guān)Sk 接到位置0 ，將相應(yīng)電流直接接地而不進(jìn)運(yùn)放。,當(dāng) D = 1 時(shí)，T2 管飽和導(dǎo)通，T1 管截止，則 S 與 a 點(diǎn)通 ；,當(dāng) D = 0 時(shí)，T1 管飽和導(dǎo)通，T2 管截止，則 S 被接地 。,前者相當(dāng)于開(kāi)關(guān)S 接到 “ 1 ” 端 ，后者則 相當(dāng)于開(kāi)關(guān)S 接到“ 0 ”端 。,根據(jù)求和電路的結(jié)論可得：,顯然，輸出模擬電壓的大小直接與輸入 二進(jìn)制數(shù)的大小成正比，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)字量 到模擬量的轉(zhuǎn)換 。,該電路的問(wèn)題是什么？,10.1.2 R-2R倒T形電阻網(wǎng)絡(luò) DAC( 以4位為例 ),uo,UR,A,B,D,由于解碼網(wǎng)絡(luò)的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)匹配，使得上圖中D、C、B、A四點(diǎn)的電位逐位減半。,下面分析輸入數(shù)字量和輸出模擬電壓 uo 之間的關(guān)系: 注意：開(kāi)關(guān)S不管處于何種位置S端電位均為0,uo,UD = UR,Uc = UR / 2,UB = UR /4,UA = UR /8,即：,結(jié)論：每個(gè) 2R支路中的電流是逐位減半的，而且大小與開(kāi)關(guān)位置無(wú)關(guān)。,I = I3 + I2 + I1 + I0,（1）分辨率 分辨率用輸入二進(jìn)制數(shù)的有效位數(shù)表示。在分辨率為n位的D/A轉(zhuǎn)換器中，輸出電壓能區(qū)分2n個(gè)不同的輸入二進(jìn)制代碼狀態(tài)，能給出2n個(gè)不同等級(jí)的輸出模擬電壓。 分辨率也可以用D/A轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓的比值來(lái)表示。10位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為： （2）轉(zhuǎn)換精度 D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是指輸出模擬電壓的實(shí)際值與理想值之差，即最大靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。 （3）輸出建立時(shí)間 從輸入數(shù)字信號(hào)起，到輸出電壓或電流到達(dá)穩(wěn)定值時(shí)所需要的時(shí)間，稱(chēng)為輸出建立時(shí)間。,DAC產(chǎn)生誤差的主要原因： 參考電壓Vref的波動(dòng)，運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移，電阻 網(wǎng)絡(luò)中電阻值的偏差等。,10.1.4 集成DAC,D/A變換器集成電路有多種型號(hào)。常見(jiàn)的有：DAC1132、AD7520、DAC0832等。下面以DAC0832為例來(lái)介紹集成電路D/A變換器。,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)部簡(jiǎn)化電路框圖 和管腳圖：,一. 電路結(jié)構(gòu),DAC 0832 簡(jiǎn)化電路框圖,ADC 0832 管腳分布圖,教學(xué)要求,掌握A/D轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理。 了解典型集成A/D轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)。 重點(diǎn)、難點(diǎn)： A/D轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理。 作業(yè)：P425 10.2.2,目的： A/D變換器的目的是將模擬量轉(zhuǎn)換成與之成正比的數(shù)字量。它是模擬信號(hào)和數(shù)字儀器的接口。根據(jù)其性能不同，類(lèi)型也比較多。,10.2 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）,步驟： 采樣，保持，量化，編碼,10.2.1 A/D轉(zhuǎn)換的一般過(guò)程,一. 采樣與保持,按一定時(shí)間間隔采集模擬信號(hào),“樣值” 保持一段時(shí)間,1. 采樣定理,采樣頻率大于模擬信號(hào)最高頻率分量的2倍， 根據(jù)規(guī)程采樣頻率在5倍以上。,2. 圖 10.2.1 ：,(a),(b): 通過(guò)樣值繪制的正弦曲線只有一條,(c) : 所采集的樣值全為0 ，無(wú)法恢復(fù),(d):可畫(huà)出無(wú)數(shù)振幅不同但頻率相同的正弦波,(e),(f) :通過(guò)采樣值可以繪出與原正弦波頻率不同的新的波形，混疊,2. 常用的幾種采樣-保持電路,采樣開(kāi)關(guān)T，存儲(chǔ)輸入信息的電容C，緩沖放大器A,(a) 基本采樣-保持電路,(b) 高輸入阻抗的采樣-保持電路,減小采樣電路對(duì)輸入信號(hào)的影響 減小了電容的充電時(shí)間,常用采樣保持集成電路有AD585、AD684、AD1154、SHC76等,二. 量化與編碼,量化：對(duì)采樣-保持得到的信號(hào)用近似的方法進(jìn)行取值。,量化單位：數(shù)字量最低有效位的1所代表的模擬量的大小。,10.2.2 并行比較ADC,ux,電路如左圖所示。它由三部分組成: 分壓器、比較器和編碼器。,這種A/D 變換器的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快，缺點(diǎn) 是所需比較器數(shù)目多，位數(shù)越多矛盾越突出。,精度取決于電平的劃分,10.2.3 反饋比較式ADC,一. 記數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換,由計(jì)數(shù)器，D/A轉(zhuǎn)換器，比較器組成,清零,比較器輸出高電平，與門(mén)打開(kāi),計(jì)數(shù)器加計(jì)數(shù),Vo增加,VoVi時(shí)，比較器輸出低電平，與門(mén)關(guān)閉，八D觸發(fā)器輸出。,二. 逐次逼近ADC,其工作原理可用天平秤重過(guò)程作比喻來(lái)說(shuō)明。若有四個(gè)砝碼共重15克，每個(gè)重量分別為8、4、2、1克。設(shè)待秤重量Wx = 13克，可以用下表步驟來(lái)秤量：,10.2.5 ADC 的主要技術(shù)指標(biāo),一、轉(zhuǎn)換時(shí)間：完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需時(shí)間， 也可定義為每秒轉(zhuǎn)換的次數(shù)，即轉(zhuǎn)換速度。,二、分解度：是指輸出數(shù)字量最低有效位為 1所需的模擬輸入電壓。,三、量化誤差：指量化產(chǎn)生的誤差。有舍有 入：+ 1/2LSB,四、精度：總誤差,10.2.4 雙積分ADC,五. 輸入模擬電壓范圍：指ADC允許輸入電壓 范圍。,10.2.6 集成ADC舉例,ADC0809 是分辨率為八位的模數(shù)轉(zhuǎn)換組件,采用逐次逼近型工作原理。輸入可有8個(gè)通道切換，輸出帶三態(tài)鎖存緩沖器，邏輯電平與TTL、CMOS電路