《轉(zhuǎn)換和DA轉(zhuǎn)換》PPT課件.ppt

1,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,本章課時(shí)：5學(xué)時(shí),第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,2,目 錄,9.1 概述 9.2 D/A轉(zhuǎn)換 9.3 A/D轉(zhuǎn)換器 9.4 D/A轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器的綜合應(yīng)用 9.5 用Mulitisim 2001分析D/A轉(zhuǎn)換器,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,3,作 業(yè),9-1 9-2 9-3 9-4 9-6 9-11,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,4,9.1 概述,模擬信號(hào)：在時(shí)間和數(shù)值上都是連續(xù)的，即對(duì)應(yīng)于任意時(shí)間均有確定的電流或電壓值，并且其幅值是連續(xù)的，如正弦波信號(hào)就是典型的模擬信號(hào)，溫度、壓力和聲音等。 數(shù)字信號(hào)：在時(shí)間和數(shù)值上是離散的，或者說(shuō)是不連續(xù)的。數(shù)字系統(tǒng)中信號(hào)的存儲(chǔ)方式都采用數(shù)字形式。,9.1 概述,通常需要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以送到數(shù)字系統(tǒng)加工處理； 經(jīng)過(guò)處理得到的數(shù)字信號(hào)也經(jīng)常再被轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，送回物理系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)物理量進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,5,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,6,數(shù)字-模擬接口電路中的基本概念,模/數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC ）：模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）：完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換功能的電路 數(shù)/模轉(zhuǎn)換 （DAC）：數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換 數(shù)/模轉(zhuǎn)換器 （DAC）：完成數(shù)/模轉(zhuǎn)換功能的電路,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,7,9.2 D/A轉(zhuǎn)換,D/A轉(zhuǎn)換可以將輸入的一個(gè)n位的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成與之成比例的模擬量（電壓或電流）。 D/A轉(zhuǎn)換器通常：由譯碼網(wǎng)絡(luò)、模擬開(kāi)關(guān)、集成運(yùn)放和基準(zhǔn)電壓等部分組成 。,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,8,根據(jù)譯碼網(wǎng)絡(luò)的不同，D/A轉(zhuǎn)換器分為權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型、T形電阻網(wǎng)絡(luò)型、倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)型和權(quán)電流型等。 下面以倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)型為例介紹D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理。,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,9,9.2.1 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器 1. 電路的組成,它由R-2R構(gòu)成的倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開(kāi)關(guān)Si（i=03）、集成運(yùn)放A和基準(zhǔn)電壓VREF組成,4位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,10,2. 模擬開(kāi)關(guān),模擬開(kāi)關(guān)又稱為模擬電子開(kāi)關(guān)。 在D/A轉(zhuǎn)換器中使用的模擬開(kāi)關(guān)受輸入數(shù)字信號(hào)的控制。 模擬開(kāi)關(guān)分為CMOS型和雙極型兩類。 CMOS型模擬開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換速度較低，轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)，但其功耗低 。,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,11,5G7520D/A轉(zhuǎn)換器采用的CMOS型模擬開(kāi)關(guān),當(dāng)di輸入端為高電平時(shí)，VP3、VN4組成的反相器輸出高電平，VP4、VN5組成的反相器輸出低電平，從而使得VN1截止，VN2導(dǎo)通，電流流入IOUT2。 當(dāng)di為低電平時(shí)，電流流入IOUT1 。,1,0,1,0,0,1,1,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,12,3. 集成運(yùn)算放大器,集成運(yùn)放的邏輯符號(hào)、簡(jiǎn)化的集成運(yùn)放低頻等效電路及其電壓傳輸特性 理想集成運(yùn)放的主要參數(shù)為：1）開(kāi)環(huán)增益為無(wú)窮大，Aod=；2）輸入電阻無(wú)窮大，Rid=；3）輸出電阻為零，Ro=0。,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,13,引入負(fù)反饋時(shí)，集成運(yùn)放工作在線性工作區(qū)。 此時(shí)輸出電壓與輸入電壓成線性關(guān)系。 線性區(qū)：凈輸入電壓近似為零，稱為“虛短”； 凈輸入電流也近似為零，稱為“虛斷”。,X,X,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,14,4. 倒T形D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理,輸入d3d2d1d0=1000時(shí)的等效電路 從虛線AA、BB、CC、DD處向左看進(jìn)去的等效電阻均為R,I,I/2,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,15,流向虛地點(diǎn)的總電流,虛地點(diǎn),第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,16,輸出電壓: n位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓:,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,17,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,17,9.2.2 集成D/A轉(zhuǎn)換器5G7520,5G7520D/A轉(zhuǎn)換器：n=10位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)反饋 電阻R（10k，Rf內(nèi)）已集成在芯片內(nèi)部,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,18,5G7520的應(yīng)用,反饋電阻Rf與電阻R的關(guān)系為：Rf=mR 輸出電壓,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,19,當(dāng)采用內(nèi)部集成的反饋電阻時(shí)，Rf=Rf內(nèi)，即m=1，則有：,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,20,例9-1：下圖中反饋電阻Rf=100k。 試計(jì)算當(dāng)輸入從全0變?yōu)槿?時(shí)電壓放大倍數(shù)的變化范圍是多少？,輸出電壓 所以 則可得,當(dāng)輸入從全0變?yōu)槿?時(shí) 放大倍數(shù)的變化范圍為 0-9.99,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,21,9.2.3 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù),分辨率：D/A轉(zhuǎn)換器所能分辨的最小輸出電壓VLSB與滿刻度輸出電壓Vm（當(dāng)輸入的數(shù)字代碼各位均為1時(shí)輸出的電壓值）之比。 VLSB也就是當(dāng)輸入的數(shù)字代碼最低位為1，其余各位為0時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出電壓值，也被稱為輸出電壓增量。,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,22,當(dāng)Vm一定時(shí)，輸入數(shù)字代碼的位數(shù)n越多，分辨率數(shù)值越小，分辨能力越高。 10位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為 8位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,23,分辨率也經(jīng)常直接用輸入數(shù)字代碼的位數(shù)n來(lái)表示。 如果已知一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率及滿刻度輸出電壓Vm，則可計(jì)算出輸入最低位所對(duì)應(yīng)的最小輸入電壓VLSB，即輸出電壓增量。 例如：當(dāng)Vm=10V，n=10時(shí),第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,24,轉(zhuǎn)換精度 ：指輸出電壓或電流的實(shí)際值與理論值之間的誤差。 一般來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)換精度應(yīng)低于VLSB/2。 轉(zhuǎn)換精度的影響因素主要有模擬開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的壓降、電阻網(wǎng)絡(luò)阻值差、參考電壓偏差和集成運(yùn)放漂移等。,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,25,線性度 :通常用非線性誤差的大小表示D/A轉(zhuǎn)換器的線性度。把偏離理想的輸入輸出特性的偏差與滿刻度輸出之比的百分?jǐn)?shù)定義為非線性誤差。,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,26,轉(zhuǎn)換時(shí)間：當(dāng)輸入數(shù)字代碼變化時(shí)，輸出模擬電壓或電流達(dá)到穩(wěn)定輸出所需的時(shí)間，即為建立時(shí)間或穩(wěn)定時(shí)間，該參數(shù)一般由手冊(cè)給出。 當(dāng)轉(zhuǎn)換器的輸入由全為0變化為全為1或反向變化時(shí)，其輸出達(dá)到穩(wěn)定值所需的時(shí)間為最大轉(zhuǎn)換時(shí)間。,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,27,9.2.4常用D/A轉(zhuǎn)換器及其參數(shù),第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,28,9.3 A/D轉(zhuǎn)換器,A/D轉(zhuǎn)換可以將輸入的模擬量（電壓或電流）轉(zhuǎn)換為與之成比例的二進(jìn)制代碼。 A/D轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過(guò)采樣、保持、量化及編碼4個(gè)過(guò)程。在實(shí)際電路中，有些過(guò)程可以進(jìn)行合并，如采樣和保持、量化和編碼在轉(zhuǎn)換中一般同時(shí)實(shí)現(xiàn)。,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,29,9.3.1 A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟,采樣：把一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)變化的信號(hào)變換為對(duì)時(shí)間離散的信號(hào) 。 為了使采樣輸出信號(hào)能不失真地代表輸入的模擬信號(hào)，對(duì)于一個(gè)頻率有限的模擬信號(hào)來(lái)說(shuō)，可以由采樣定理確定其采樣頻率，即,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,30,保持：把每次的采樣值存儲(chǔ)到下一個(gè)采樣脈沖到來(lái)之前。,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,31,采樣-保持電路的輸出信號(hào)雖然已經(jīng)成為階梯狀。 量化：把采樣后的電壓幅值轉(zhuǎn)化為最小量化單位的整數(shù)倍的過(guò)程 。 量化的方法有兩種，一種是只舍不入，另一種是有舍有入。 編碼：用數(shù)字代碼表示量化結(jié)果的過(guò)程。,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,32,（1）只舍不入法 ：取最小量化單位=Vm/2n，其中Vm為輸入模擬電壓的最大值，n為轉(zhuǎn)化輸出數(shù)字代碼的位數(shù)，將0之間的模擬電壓歸并為0，把2之間的模擬電壓歸并為1，依次類推。這種方法產(chǎn)生的最大量化誤差為。,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,33,例9-2 把01V的模擬信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換成3位二進(jìn)制代碼。, =1/23=1/8V 可見(jiàn)其最大量化誤差為 （1/8）V,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,34,有舍有入法 ：取最小量化單位= 2Vm/（2n+1 -1）。將0(1/2)之間的模擬電壓歸并為0，把(1/2) (3/2 )之間的模擬電壓歸并為1，依次類推。這種方法產(chǎn)生的最大量化誤差為（1/2）。,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,35,例9-2：采用有舍有入法把01V的模擬信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換成3位二進(jìn)制代碼。,取 =2/15V 最大量化誤差減小到(1/15)V。,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,36,9.3.2 A/D轉(zhuǎn)換器的分類,按模擬量的輸入方式可分為單極性輸入和雙極性輸入兩類； 按數(shù)字量輸出方式可分為串行輸出和并行輸出兩類； 按工作原理可以分成直接A/D轉(zhuǎn)換器和間接A/D轉(zhuǎn)換器兩大類。,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,37,直接A/D轉(zhuǎn)換器不需要經(jīng)過(guò)中間變量就能把輸入的模擬信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字代碼，常用的電路有并聯(lián)比較型和反饋比較型； 間接A/D轉(zhuǎn)換器首先將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)中間變量（時(shí)間或頻率），然后再將中間變量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,38,A/D轉(zhuǎn)換器按工作原理的分類圖,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,39,9.3.3 逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器,逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器又稱為逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換過(guò)程類似天平稱物體重量的過(guò)程。以一系列二進(jìn)制碼的重量之和表示了被稱物體的重量。 組成：寄存器、D/A轉(zhuǎn)換器、電壓比較器、順序脈沖發(fā)生器及相應(yīng)的控制電路。,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,40,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,41,轉(zhuǎn)換開(kāi)始前將寄存器清零 轉(zhuǎn)換時(shí)，逐位改變寄存器的數(shù)字代碼 將此代碼經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬電壓vO vO與輸入電壓vI進(jìn)行比較,以判斷此數(shù)字位是否保留 逐位比較下去，直到最低位為止。,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,42,3位逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器的電路框圖,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,43,3個(gè)同步RS觸發(fā)器FA、FB、FC作為寄存器 F1F5構(gòu)成的環(huán)形計(jì)數(shù)器作為順序脈沖發(fā)生器 控制電路由門(mén)電路組成。,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,44,設(shè)參考電壓VR=-5V，則對(duì)應(yīng)不同輸入DAC的輸出為：,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,45,設(shè)待轉(zhuǎn)換的模擬電壓vI=3.2V。工作前先將寄存器清零，同時(shí)將環(huán)形計(jì)數(shù)器置成F1F2F3F4F5=00001。,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,46,5V,3.2V,F1F2F3F4F5預(yù)設(shè)為00001，則第一個(gè)CP到來(lái)時(shí),1,0,0,0,0,1,0,0,2.5V,0,0,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,47,5V,3.2V,0,1,0,0,0,1,1,0,3.75V,0,1,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,48,5V,3.2V,0,0,1,0,0,1,0,1,3.125V,1,0,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,49,5V,3.2V,0,0,0,1,0,1,0,1,0,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,50,5V,3.2V,0,0,0,0,1,1,0,1,1 0 1,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,51,經(jīng)過(guò)5個(gè)CP周期后，輸入的模擬電壓3.2V被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)101。 逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器優(yōu)點(diǎn)是精度高，轉(zhuǎn)換速度較快，由于它的轉(zhuǎn)換時(shí)間固定，簡(jiǎn)化了與CPU間的同步，所以常常用作與CPU間的接口電路。,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,52,9.3.4 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器,雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器-間接A/D轉(zhuǎn)換 通過(guò)兩次積分，先將模擬電壓vI轉(zhuǎn)換成與之大小相對(duì)應(yīng)的時(shí)間T，再在時(shí)間間隔T內(nèi)用計(jì)數(shù)頻率不變的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)字量就正比于輸入模擬電壓,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,53,第一次積分為采樣階段。 開(kāi)關(guān)S接至模擬電壓vI，積分器其在T1內(nèi)進(jìn)行反向積分。積分結(jié)束時(shí)vO的絕對(duì)值與vI的大小成正比,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,54,第二次積分為比較階段。 積分器對(duì)基準(zhǔn)電壓-VR進(jìn)行反向積分。積分器的輸出電壓開(kāi)始回升，經(jīng)時(shí)間T2后回到0，由于T2階段定斜率反向積分，所以T2與vI成正比。,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,55,雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的電路圖。,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,56,定時(shí)積分階段的工作情況,1,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,57,積分器對(duì)vI在固定時(shí)間T1內(nèi)進(jìn)行積分,時(shí)鐘CLK的周期,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,58,第二次積分開(kāi)始時(shí)的狀態(tài),0,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,59,第二階段反向積分時(shí)，積分器輸出電壓為,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,60,N2與輸入電壓在T1時(shí)間間隔內(nèi)的平均值VI成正比。只要VI VR，轉(zhuǎn)換器就可以將模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。當(dāng)VR =2n V時(shí)，N2 =VI，計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)在數(shù)值上就等于被測(cè)電壓。,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,61,雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器與逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器相比，最大的優(yōu)點(diǎn)是它具有較強(qiáng)的抗干擾能力。 由于雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器采用了測(cè)量輸入電壓在采樣時(shí)間內(nèi)的平均值的原理，因此對(duì)于周期等于T1或T1/n（n=1，2，3，）的對(duì)稱干擾，從理論上講具有無(wú)窮大的抑制能力。,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,62,9.3.5 集成A/D轉(zhuǎn)換器,AD574A為逐次漸近型的集成A/D轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖9-22所示,芯片允許信號(hào),片 選信號(hào),讀出和轉(zhuǎn)換控制信號(hào),數(shù)據(jù)輸出 方式控制,轉(zhuǎn)換位數(shù) 控制信號(hào),模擬地,數(shù)字地,基準(zhǔn)電壓輸入,基準(zhǔn)電壓輸出,雙極性偏移 零點(diǎn)調(diào)整,10V范圍輸入端,20V范圍輸入端,輸換結(jié)束信號(hào),第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,63,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,64,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,65,9.3.6 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù),分辨率：A/D轉(zhuǎn)換器所能分辨的模擬輸入信號(hào)的最小變化量。 設(shè)A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)為n，滿量程電壓為Vm，則 也可用百分比來(lái)表示分辨率，此時(shí)的分辨率稱為相對(duì)分辨率,分辨率=,相對(duì)分辨率=,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,66,轉(zhuǎn)換時(shí)間是指按照規(guī)定的精度將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并輸出所需要的時(shí)間。一般用s或ms來(lái)表示。 轉(zhuǎn)換速率是指能夠重復(fù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的速度，即每秒轉(zhuǎn)換的次數(shù)。,第9章 A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換,67,轉(zhuǎn)換精度：A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度分為絕對(duì)