清華大學(xué)數(shù)電11數(shù)模.ppt

1,第十一章 數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換,第一節(jié) 概述,數(shù)模轉(zhuǎn)換：將數(shù)字量 (Digital)轉(zhuǎn)換為模擬量(Analog)。簡稱D/A 轉(zhuǎn)換。,模數(shù)轉(zhuǎn)換：將模擬量(Analog)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量(Digital)。簡稱A/D轉(zhuǎn)換。,被控對象,傳感器,A/D轉(zhuǎn)換器,計(jì)算機(jī),D/A轉(zhuǎn)換器,驅(qū)動電路,2,主要指標(biāo)：轉(zhuǎn)換精度；轉(zhuǎn)換速度。,D/A轉(zhuǎn)換器,權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器,倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器,權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器,權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器,開關(guān)樹型D/A轉(zhuǎn)換器,A/D轉(zhuǎn)換器,直接轉(zhuǎn)換型,并聯(lián)比較型,反饋比較型,間接轉(zhuǎn)換型,雙積分型（VT變換型）,VF變換型,計(jì)數(shù)型,逐次漸進(jìn)型,分類：,【題11.3】（2） 【題11.5】，【題11.8】【11.16】【11.17】,3,一、權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器,第二節(jié) D/A轉(zhuǎn)換器,1.原理,由四部分組成：,權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)；,求和放大器；,模擬開關(guān)；,參考電源；,權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò),求和放大器,模擬開關(guān),任務(wù)：求出輸出模擬電壓 與輸入數(shù)字量d3d2d1d0間的關(guān)系。,2.特點(diǎn)：,1.電阻數(shù)量少，結(jié)構(gòu)簡單；,2.電阻種類多，差別大，不易集成。,Least Significant Bit,Most Significant Bit,輸入數(shù)字量,輸入數(shù)字量,4,1.原理：,電阻網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)：,模擬開關(guān)Si不論接何位置，都相當(dāng)于接地。,任意節(jié)點(diǎn)向左看的等效電阻皆為2R。,二、倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器,5,6,集成D/A轉(zhuǎn)換器CB7520簡介：（十位）,電路特點(diǎn)：,1.電阻種類少，便于集成；,2.開關(guān)切換時(shí)，各點(diǎn)電位不變。因此，速度快。,可外接反饋電阻R,需外接運(yùn)放,模擬開關(guān)電路：,7,在權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器和倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器中，若模擬開關(guān)不是理想開關(guān)，其導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通壓降將影響轉(zhuǎn)換精度。權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器可解決這一問題。,三、權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器,恒流源如圖。但電阻REi的種類多。因此，經(jīng)常用倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)的分流作用來實(shí)現(xiàn)。,8,9,雙極型電路；8位數(shù)字量輸入；,外接求和放大器；,外接電阻。,則：,此時(shí)，輸出模擬電壓范圍為：09.96V。,權(quán)電流型集成數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0808簡介,參考四位時(shí)的公式：,有：,輸入數(shù)字量,10,帶符號數(shù)以補(bǔ)碼形式給出。輸出為正、負(fù)極性的模擬電壓。,四、具有雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器,當(dāng)輸入數(shù)字量是帶符號數(shù)時(shí)，就需要雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器。,當(dāng)d2=1時(shí)，對應(yīng)輸出電壓為4V。,IB應(yīng)等于I/2,因此：,三位DAC的輸出,11,五、D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度,（一）轉(zhuǎn)換精度,通常用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述。,1.分辨率：輸出模擬電壓應(yīng)能區(qū)分02n-1共2n個(gè)輸入數(shù)字量。是理論上能達(dá)到的轉(zhuǎn)換精度。,表示方法：,(1)用輸入二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示；如8位。,(2)用輸出模擬電壓的最小值與最大值的比值表示。,該比值顯然等于：,12,由于電路各部分都有誤差，還要給出誤差來表示實(shí)際能達(dá)到的轉(zhuǎn)換精度。,轉(zhuǎn)換誤差有時(shí)也稱為線性誤差。它表示實(shí)際的D/A轉(zhuǎn)換特性和理想轉(zhuǎn)換特性之間的最大偏差。是實(shí)際的轉(zhuǎn)換精度。,轉(zhuǎn)換誤差的表示形式：,（1）最低有效位的倍數(shù)。如：1/2LSB。,（2）輸出電壓滿刻度FSR(Full Scale Range) 的百分?jǐn)?shù)。 如：0.1FSR。,2.轉(zhuǎn)換誤差：,13,3.轉(zhuǎn)換誤差分析,D/A轉(zhuǎn)換器的四個(gè)組成部分，均可引起轉(zhuǎn)換誤差。但具有不同的特點(diǎn)。,(1)參考電源引起的誤差稱為比例系數(shù)誤差。,(2)運(yùn)放零點(diǎn)漂移引起的誤差稱為漂移誤差或平移誤差。,14,(3)模擬開關(guān)的導(dǎo)通內(nèi)阻和導(dǎo)通壓降以及電阻網(wǎng)絡(luò)中電阻的偏差引起的誤差稱為非線性誤差。,非線性誤差有時(shí)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換特性局部非單調(diào)性，從而引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。,注意：運(yùn)放和參考電源多為外接，電阻網(wǎng)絡(luò)和模擬開關(guān)在集成DAC內(nèi)部。,15,例：在10位倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC中，VREF=-10V。為保證VREF偏離標(biāo)準(zhǔn)值所引起的誤差小于1/2LSB，計(jì)算VREF相對穩(wěn)定度應(yīng)取多少？,解：,1.計(jì)算1/2LSB:,當(dāng)輸入數(shù)字量D=1時(shí)，輸出電壓為LSB。故：,2.計(jì)算當(dāng)VREF變化量為 時(shí)所引起的輸出變化 量的最大值 :,而：,即：,=0.05%,這里VREF=10V,允許的參考電源變化量小于5mV,輸入數(shù)字量的最大值,16,（二）轉(zhuǎn)換速度,用完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間建立時(shí)間tset來衡量。,建立時(shí)間：從輸入信號變化開始到輸出電壓進(jìn)入與穩(wěn)態(tài)值相差 1/2LSB范圍以內(nèi)的時(shí)間。,輸入信號由全0變?yōu)槿?所需時(shí)間最長。,不包含運(yùn)放的DAC建立時(shí)間可達(dá)0.1 。,當(dāng)外接運(yùn)放時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間還應(yīng)加上運(yùn)放的上升（下降）時(shí)間。,轉(zhuǎn)換時(shí)間,建立時(shí)間,輸出模擬電壓最大值,運(yùn)放輸出轉(zhuǎn)換速率,17,第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器,一、A/D轉(zhuǎn)換的基本原理,在A/D轉(zhuǎn)換器中，由于輸入模擬信號在時(shí)間上是連續(xù)的，而輸出數(shù)字信號是離散的，所以轉(zhuǎn)換只能在一系列選定的瞬間對輸入模擬信號采樣，然后再把這些采樣值轉(zhuǎn)換成輸出數(shù)字量。,A/D轉(zhuǎn)換的基本步驟：,采樣（取樣）；,保持；,量化；,編碼。,由取樣保持 電路完成,由A/D轉(zhuǎn)換電路完成,取樣,保持,18,1.取樣、保持,取樣定理：為保證從取樣信號恢復(fù)被取樣信號，必須滿足,取樣信號頻率,取樣定理又稱為香農(nóng)定理(Shannon)。,下面通過取樣信號的幅頻特性與濾波器的幅頻特性的關(guān)系說明取樣定理。,輸入信號最高頻率,在實(shí)際的取樣保持電路中有一個(gè)取樣控制信號 ，它的頻率就是取樣信號頻率。,19,取樣電路輸出信號的幅頻特性,濾波器的幅頻特性,顯然要滿足,此時(shí)無法用濾波器恢復(fù)輸入波形,20,2.量化和編碼,量化：,把輸出數(shù)字量為1時(shí)對應(yīng)的輸入模擬電壓稱為量化單元，記做 。當(dāng)輸出數(shù)字量為D時(shí)，對應(yīng)的輸入模擬電壓應(yīng)為D ，即量化單元的整數(shù)倍。因此，對于任意輸入模擬電壓，首先應(yīng)把它量化為 的整數(shù)倍。這就是量化。,編碼：,用二進(jìn)制代碼表示量化后的輸入模擬電壓。,量化和編碼是在同一個(gè)電路中完成的。下圖說明了兩種量化方法：,量化是一種近似處理方法,21,當(dāng)輸入電壓不為 的整數(shù)倍時(shí)，必然產(chǎn)生誤差，稱為量化誤差。,量化誤差,量化誤差,1/15V,若用此范圍表示001會更準(zhǔn)確,22,輸入為雙極性時(shí)：,輸出一般采用二進(jìn)制補(bǔ)碼表示?？捎孟聢D表示：,=1V,二進(jìn)制補(bǔ)碼,量化后輸出的二進(jìn)制補(bǔ)碼,23,為低電平時(shí)，T截止。取樣電容CH上的電荷無泄放回路， 將保持。,二.取樣保持電路,為高電平時(shí)，場效應(yīng)管T導(dǎo)通,進(jìn)行取樣,電路缺點(diǎn)：輸入電阻RI過大會降低取樣速度；過小又加重信號源負(fù)載。,改進(jìn)方法：在輸入端加隔離放大器。,下面通過集成取樣保持電路LF198介紹改進(jìn)的取樣保持電路。,為取樣控制信號,24,集成取樣保持電路LF198,調(diào)零,輸入模擬電壓,取樣控制信號,外接保持電容,在取樣階段，開關(guān)S接通，運(yùn)放AI,A2構(gòu)成兩級電壓跟隨器,在保持階段，S斷開，電容CH上電荷保持不變，使輸出電壓 保持不變。,二極管D1,D2和電阻R1構(gòu)成保護(hù)電路。,在取樣階段，S接通，D1,D2截止，保護(hù)電路不起作用。,在保持階段，S斷開， 保持不變；但 在變，使 達(dá)到正（負(fù)）最大值，使開關(guān)S承受過高的電壓。接上保護(hù)電路后可使 基本等于輸入電壓 。,25,三、直接A/D轉(zhuǎn)換器,1.并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器,將輸入模擬電壓直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，不經(jīng)過中間變量。,介紹并聯(lián)比較型和反饋比較型兩大類。,采用第二類量化方法，,編碼情況可用下表說明。,特點(diǎn)：,電路復(fù)雜。,不需取樣保持電路；,轉(zhuǎn)換過程：將輸入模擬電壓加在輸入端，然后加一個(gè)CP脈沖，輸出端就出現(xiàn)轉(zhuǎn)換結(jié)果。,速度快，轉(zhuǎn)換時(shí)間小于50ns；,26,公式化簡過程請同學(xué)自己解決。,27,2.反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器,思路：將一數(shù)字量加到D/A轉(zhuǎn)換器上，再把D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬電壓與輸入模擬電壓相比較。若不相等，則修改數(shù)字量，直到兩模擬電壓相等，此時(shí)對應(yīng)的數(shù)字量就是轉(zhuǎn)換結(jié)果。,數(shù)字量由計(jì)數(shù)器提供。,由于量化引起的誤差為1LSB.,（第一類量化方法）,特點(diǎn)：,1.電路簡單；,2.速度慢。最長轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)2n-1倍時(shí)鐘信號周期。,啟動轉(zhuǎn)換,(1)計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器,28,(2)逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器,數(shù)字量由逐次漸近寄存器提供。,思路：,從輸出數(shù)字量的最高位起，逐位判斷該位的值（0,1）。,以輸出四位數(shù)字量a3a2a1a0為例:,1.輸入1000到逐次漸近寄存器，以確定a3的值；,2.輸入a3100到逐次漸近寄存器，以確定a2的值；,3.輸入a3a210到逐次漸近寄存器，以確定a1的值；,4.輸入a3a2a11到逐次漸近寄存器，以確定a0的值；,可見，主要轉(zhuǎn)換步驟只需4個(gè)時(shí)鐘周期就可完成。（實(shí)際轉(zhuǎn)換器還要增加兩個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)間。）,下面結(jié)合具體電路說明工作過程。,29頁,29, 時(shí)，該位為0,否則該位為1.,28頁,30,移位寄存器初始狀態(tài)：,Q1Q2Q3Q4Q5=10000,CLK1后,移位寄存器為01000，QAQBQC=100;,CLK2后,移位寄存器為00100，QAQBQC=d210;確定d2值。,CLK3后,移位寄存器為00010，QAQBQC=d2d11;確定d1值。,CLK4后,移位寄存器為00001，QAQBQC=d2d1d0;確定d0值。,同時(shí)輸出d2d1d0。,CLK5后,移位寄存器為10000，QAQBQCd2d1d0，準(zhǔn)備下一次轉(zhuǎn)換。,一般，當(dāng)輸出為n位時(shí)，需n+2個(gè)時(shí)鐘周期可完成轉(zhuǎn)換。,特點(diǎn)：,速度較快；電路也不太復(fù)雜。,因此，逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器是集成A/D轉(zhuǎn)換器用的最多的一種。,第二種量化方法,31,四、間接A/D轉(zhuǎn)換器,1.雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器,中間變量為時(shí)間T的，稱為V-T變換型（電壓時(shí)間變換型）；,中間變量為頻率F的，稱為V-F變換型（電壓頻率變換型）；,屬于V-T變換型。,第二次積分:對參考電源VREF定速積分， 的變化速度由VREF,R和C決定。,電容C上電壓,第一次積分:對輸入模擬電壓定時(shí)積分，時(shí)間為T1,由控制邏輯電路決定；,33公式,32,t1時(shí)刻電容電壓 即 值為：,第二次積分結(jié)束時(shí)積分器輸出電壓為0，即,故：,進(jìn)行公式推導(dǎo)：,33,T1， T2由計(jì)數(shù)器產(chǎn)生：設(shè)時(shí)鐘周期為TC，輸出數(shù)字量為D，則,代入上式得：,可使T1=2nTC，T2=DTC的電路如下圖：,至于T1，若滿足,31電路,34,影響精度因素：,計(jì)數(shù)器位數(shù)；,比較器靈敏度；,比較器零點(diǎn)漂移；,運(yùn)放零點(diǎn)漂移；,積分電容漏電；,TC瞬間波動。,波形圖,35,特點(diǎn)：,性能穩(wěn)定。轉(zhuǎn)換結(jié)果與R,C無關(guān)；也與時(shí)鐘周期無關(guān)。這是兩次積分的結(jié)果。,抗干擾能力強(qiáng)。積分器對平均值為0的干擾有很強(qiáng)的抑制能力。如電網(wǎng)干擾，若取第一次積分時(shí)間為交流電網(wǎng)電壓周期的整數(shù)倍，理論上可完全抑制電網(wǎng)干擾。,缺點(diǎn)是速度慢。完成一次轉(zhuǎn)換時(shí)間不小于2n+1TC。,在要求速度不高的場合有廣泛的應(yīng)用。如數(shù)字電壓表等。,波形圖,36,2.V-F變換型A/D轉(zhuǎn)換器,壓控振蕩器輸出脈沖頻率于輸入電壓有很好的線性關(guān)系。,寄存器可防止輸出數(shù)字跳動。,影響精度的因素：,壓控振蕩器的穩(wěn)定度和線性度、計(jì)數(shù)器的位數(shù),特點(diǎn)：,VCO輸出是調(diào)頻信號易于傳輸，且抗干擾能力強(qiáng)。適用于遙測、遙控系統(tǒng)中。一般將VCO放在發(fā)射端，其他部分放在接收端。,由于高精度的VCO不易得到，因此精度不易提高。,速度慢。這是由于計(jì)數(shù)型原理決定的。,37,五、A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度,（一）A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度,采用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述。,1.分辨率：能區(qū)分的最小輸入模擬電壓。,用輸出數(shù)字量的位數(shù)表示。當(dāng)位數(shù)為n位時(shí) ，能區(qū)分的最小電壓為FSR/2n。,2.轉(zhuǎn)換誤差：,通