數(shù)模轉換和模數(shù)轉換原理.ppt

第8章 數(shù)模和模數(shù)轉換,8.1 概述 8.2 數(shù)模轉換器 8.3 模數(shù)轉換器,A/D,計算機（數(shù)字量）,顯示器,D/A,執(zhí)行部件（模擬量控制）,打印機,8.1 概述,能夠將模擬量轉換為數(shù)字量的器件稱為模數(shù)轉換器，簡稱A/D轉換器或ADC。,能夠將數(shù)字量轉換為模擬量的器件稱為數(shù)模轉換器，簡稱D/A轉換器或DAC。,ADC和DAC是溝通模擬電路和數(shù)字電路的橋梁，也可稱之為兩者之間的接口.,ADC和DAC的應用：,D/A轉換器實質上是一個譯碼器（解碼器）。一般常用的線性D/A轉換器，其輸出模擬電壓uO和輸入數(shù)字量Dn之間成正比關系。UREF為參考電壓。,一、D/A轉換器的基本工作原理,8.2 數(shù)模轉換器,D/A轉換器是將輸入的二進制數(shù)字量轉換成模擬量，以電壓或電流的形式輸出。,uODnUREF,將輸入的每一位二進制代碼按其權值大小轉換成相應的模擬量，然后將代表各位的模擬量相加，則所得的總模擬量就與數(shù)字量成正比，這樣便實現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉換。,8.2 數(shù)模轉換器,即：D/A轉換器的輸出電壓uO，等于代碼為1的各位所對應的各分模擬電壓之和。,D/A轉換器一般由數(shù)碼緩沖寄存器、模擬電子開關、參考電壓、解碼網(wǎng)絡和求和電路等組成。,8.2 數(shù)模轉換器,數(shù)字量以串行或并行方式輸入，并存儲在數(shù)碼緩沖寄存器中；寄存器輸出的每位數(shù)碼驅動對應數(shù)位上的電子開關，將在解碼網(wǎng)絡中獲得的相應數(shù)位權值送入求和電路；求和電路將各位權值相加，便得到與數(shù)字量對應的模擬量。,1. 權電阻網(wǎng)絡D/A轉換器,權電阻網(wǎng)絡DAC原理圖,8.2 數(shù)模轉換器,二、D/A轉換器的主要電路形式,權電阻,雙向模擬開關,數(shù)字量輸入,模擬量輸出,權電阻的排列順序和權值的排列順序相反。,運算放大器,集成運算放大器，作為求和權電阻網(wǎng)絡的緩沖，并將電流轉換為電壓輸出。,8.2 數(shù)模轉換器,權電阻網(wǎng)絡DAC的原理分析,開關Si的位置受數(shù)據(jù)鎖存器輸出的數(shù)碼di控制：當di=1時，Si將對應的權電阻接到參考電壓UREF上；當di=0時，Si將對應的權電阻接地。,虛短,8.2 數(shù)模轉換器,虛斷,運算放大器總的輸入電流為,運算放大器輸出電壓為,令 RF=R/2 ，則,即：輸出的模擬電壓uO正比于輸入的數(shù)字量Dn，從而實現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉換。,因而uO的變化范圍是,8.2 數(shù)模轉換器,權電阻網(wǎng)絡D/A轉換器的特點,優(yōu)點：結構簡單，電阻元件數(shù)較少； 缺點：阻值相差較大，制造工藝復雜。,8.2 數(shù)模轉換器,2. 倒T型電阻網(wǎng)絡D/A轉換器,數(shù)字量輸入,模擬量輸出,電阻解碼網(wǎng)絡中，電阻只有R和2R兩種，并構成倒T型電阻網(wǎng)絡。當di=1時，相應的開關Si接到求和點；當di=0時，相應的開關Si接地。但由于虛短，求和點和地相連，所以不論開關如何轉向，電阻2R總是與地相連。這樣，倒T型網(wǎng)絡的各節(jié)點向上看和向右看的等效電阻都是2R，整個網(wǎng)絡的等效輸入電阻為R。,求和點,倒T型電阻網(wǎng)絡D/A轉換器原理圖,8.2 數(shù)模轉換器,參考電壓UREF供出的總電流為：,分流：流入求和點的各支路電流為：,8.2 數(shù)模轉換器,流入求和點的電流為：,虛斷，運算放大器的輸出電壓為：,倒T型電阻網(wǎng)絡D/A轉換器的特點： 優(yōu)點：電阻種類少，只有R和2R，提高了制造精度；而且支路電流流入求和點不存在時間差，提高了轉換速度。 應用：它是目前集成D/A轉換器中轉換速度較高且使用較多的一種，如8位D/A轉換器DAC0832，就是采用倒T型電阻網(wǎng)絡。,8.2 數(shù)模轉換器,令 RF=R ，則,即：輸出的模擬電壓uO正比于輸入的數(shù)字量Dn，從而實現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉換。,分辨率用于表征D/A轉換器對輸入微小量變化的敏感程度。,分辨率,分辨率越高，轉換時對輸入量的微小變化的反應越靈敏。 而分辨率與輸入數(shù)字量的位數(shù)有關，n越大，分辨率越高。,8.2 數(shù)模轉換器,1. 分辨率,三、D/A轉換器的主要技術指標,D/A轉換器模擬輸出電壓可能被分離的等級數(shù)可用輸入數(shù)字量的位數(shù)n表示D/A轉換器的分辨率； 可用D/A轉換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比來表示分辨率。,8.2 數(shù)模轉換器,2. 轉換精度,D/A轉換器的轉換精度是指輸出模擬電壓的實際值與理想值之差，即最大靜態(tài)轉換誤差。,3. 轉換速度,從輸入的數(shù)字量發(fā)生突變開始，到輸出電壓進入與穩(wěn)定值相差0.5LSB范圍內所需要的時間，稱為建立時間tset。目前單片集成D/A轉換器（不包括運算放大器）的建立時間最短達到0.1微秒以內。,4. 溫度系數(shù),在輸入不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化產生的變化量。一般用滿刻度輸出條件下溫度每升高1，輸出電壓變化的百分數(shù)作為溫度系數(shù)。,8.2 數(shù)模轉換器,1.DAC0832結構框圖,四、8位集成DAC0832,它由一個8位輸入寄存器、一個8位DAC寄存器和一個8位D/A轉換器三大部分組成，D/A轉換器采用了倒T型R-2R電阻網(wǎng)絡。,8.2 數(shù)模轉換器,2.DAC0832引腳功能,DI7DI0：8位輸入數(shù)據(jù)信號。,Rfb：反饋電阻（內已含一個反饋電阻）接線端。DAC0832中無運放，且為電流輸出，使用時須外接運放。芯片中已設置了Rfb，只要將此引腳接到運放的輸出端即可。若運放增益不夠，還須外加反饋電阻。,8.2 數(shù)模轉換器,任何導線都可以被理解成電阻，因此，盡管連在一起的“地”，其各個位置上的電壓也并非一致的，對于數(shù)字電路，由于噪聲容限較高，通常是不需要考慮“地”的形式的，但對于模擬電路而言，這個不同地方的“地”對測量的精度是構成影響的，因此，通常是把數(shù)字電路部分的地和模擬部分的地分開布線，只在板中的一點把它們連接起來。,3.DAC0832特性參數(shù),8.2 數(shù)模轉換器,分辨率： 8位 建立時間： 1s 增益溫度系數(shù)： 20ppm/（ppm-百萬分之一，10-6） 輸入電平： TTL 功耗： 20mW,4.DAC0832工作方式,當ILE、CS和WR1同時有效時，輸入數(shù)據(jù)DI7DI0進入輸入寄存器；并在WR1的上升沿實現(xiàn)數(shù)據(jù)鎖存。當WR2和XFER同時有效時，輸入寄存器的數(shù)據(jù)進入DAC寄存器；并在WR2的上升沿實現(xiàn)數(shù)據(jù)鎖存。八位D/A轉換電路隨時將DAC寄存器的數(shù)據(jù)轉換為模擬信號（IOUT1+IOUT2）輸出。 DAC0832 的使用有雙緩沖器型、單緩沖器型和直通型三種工作方式。,DAC0832的三種工作方式,8.2 數(shù)模轉換器,（b）單緩沖方式：適合在不要求多片D/A同時輸出時。此時只需一次寫操作，就開始轉換，提高了D/A的數(shù)據(jù)吞吐量。,（a）雙緩沖方式：采用二次緩沖方式，可在輸出的同時，采集下一個數(shù)據(jù)，提高了轉換速度；也可在多個轉換器同時工作時，實現(xiàn)多通道D/A的同步轉換輸出。,（c）直通方式：輸出隨輸入的變化隨時轉換。,A/D轉換是將模擬信號轉換為數(shù)字信號，轉換過程通過取樣、保持、量化和編碼四個步驟完成。,8.3 模數(shù)轉換器,一、A/D轉換器的基本工作原理,模擬量輸入,數(shù)字量輸出,取樣（也稱采樣）是將時間上連續(xù)變化的信號，轉換為時間上離散的信號，即將時間上連續(xù)變化的模擬量轉換為一系列等間隔的脈沖，脈沖的幅度取決于輸入模擬量。,1.取樣和保持,8.3 模數(shù)轉換器,取樣過程,采樣脈沖,輸入模擬信號,采樣輸出信號,模擬信號經(jīng)采樣后，得到一系列樣值脈沖。采樣脈沖寬度一般是很短暫的，在下一個采樣脈沖到來之前，應暫時保持所取得的樣值脈沖幅度，以便進行轉換。因此，在取樣電路之后須加保持電路。,8.3 模數(shù)轉換器,在采樣脈沖S(t)到來的時間內，VT導通，UI(t)向電容C充電，假定充電時間常數(shù)遠小于，則有：UO(t)US(t)UI(t)。采樣,采樣結束，VT截止，而電容C上電壓保持充電電壓UI(t)不變，直到下一個采樣脈沖到來為止。保持,場效應管VT為采樣門，電容C為保持電容，運算放大器為跟隨器，起緩沖隔離作用。,取樣保持電路及輸出波形,輸入的模擬電壓經(jīng)過取樣保持后，得到的是階梯波。而該階梯波仍是一個可以連續(xù)取值的模擬量，但n位數(shù)字量只能表示2n個數(shù)值。因此，用數(shù)字量來表示連續(xù)變化的模擬量時就有一個類似于四舍五入的近似問題。,8.3 模數(shù)轉換器,2.量化和編碼,將采樣后的樣值電平歸化到與之接近的離散電平上，這個過程稱為量化。指定的離散電平稱為量化電平Uq 。用二進制數(shù)碼來表示各個量化電平的過程稱為編碼。兩個量化電平之間的差值稱為量化單位，位數(shù)越多，量化等級越細，就越小。取樣保持后未量化的Uo值與量化電平Uq值通常是不相等的，其差值稱為量化誤差，即=Uo-Uq。,量化的方法一般有兩種：只舍不入法和有舍有入法。,8.3 模數(shù)轉換器,1)只舍不入法 當Uo的尾數(shù)時，舍尾取整。這種方法總為正值，max 。,2)有舍有入法 當Uo的尾數(shù)/2時，舍尾取整；當Uo的尾數(shù)/2時，舍尾入整。這種方法可正可負，但是| max|= /2?？梢?，它的誤差要小。, A/D轉換器有直接轉換法和間接轉換法兩大類。 直接法是通過一套基準電壓與取樣保持電壓進行比較，從而直接將模擬量轉換成數(shù)字量。其特點是工作速度高，轉換精度容易保證，調準也比較方便。直接A/D轉換器有計數(shù)型、逐次比較型、并行比較型等。 間接法是將取樣后的模擬信號先轉換成中間變量時間t或頻率f, 然后再將t或f轉換成數(shù)字量。其特點是工作速度較低，但轉換精度可以做得較高，且抗干擾性強。間接A/D轉換器有單次積分型、雙積分型等。,8.3 模數(shù)轉換器,二、A/D轉換器的主要電路形式,8.3 模數(shù)轉換器,1. 并行比較型A/D轉換器,量化電平依據(jù)有舍有入劃分為7個電平。 量化單位為 =(2/15)UREF 量化誤差為 |max|= (1/15)UREF,8.3 模數(shù)轉換器,并行比較型A/D轉換器真值表,例如：uI4.2V，UREF6V。,3.6V4.4V,則數(shù)字量輸出d2d1d0101。,優(yōu)點：轉換速度很快，故又稱高速A/D轉換器。含有寄存器的A/D轉換器兼有取樣保持功能，所以它可以不用附加取樣保持電路。 缺點：電路復雜，對于一個n位二進制輸出的并行比較型A/D轉換器，需n -1個電壓比較器和2n -1個觸發(fā)器，編碼電路也隨n的增大變得相當復雜。且轉換精度還受分壓網(wǎng)絡和電壓比較器靈敏度的限制。 因此，這種轉換器適用于高速， 精度較低的場合。,8.3 模數(shù)轉換器,并行比較型A/D轉換器的特點：,2. 逐次逼近型A/D轉換器,8.3 模數(shù)轉換器,逐次逼近型A/D轉換器原理圖,8.3 模數(shù)轉換器,轉換開始前先將逐次逼近寄存器SAR清“0”； 開始轉換以后，第一個時鐘脈沖首先將寄存器最高位置成1，使輸出數(shù)字為1000。這個數(shù)碼被D/A轉換器轉換成相應的模擬電壓uo，經(jīng)偏移/2后得到uOuO/2，并送到比較器中與uI進行比較。若uIuo，說明數(shù)字過大，故將最高位的1清除置零；若uIuo，說明數(shù)字還不夠大，應將這一位保留。 然后，按同樣的方法將次高位置成1，并且經(jīng)過比較以后確定這個1是保留還是清除。這樣逐位比較下去，一直到最低位為止。比較完畢后，SAR中的狀態(tài)就是所要求的數(shù)字量輸出。,逐次逼近型A/D轉換器的工作原理：,8.3 模數(shù)轉換器,例：若UREF-4V，n4。當采樣保持電路輸出電壓uI=2.49V時，試列表說明逐次逼近型ADC電路的A/D轉換過程。,解：量化單位為,偏移電壓為/20.125V,轉換的結果為：d3d2d1d01010。,雙積分型ADC的轉換原理是先將模擬電壓UI轉換成與其大小成正比的時間間隔T，再利用基準時鐘脈沖通過計數(shù)器將T變換成數(shù)字量。,8.3 模數(shù)轉換器,3.雙積分型A/D轉換器,這種A/D轉換器具有很多優(yōu)點。首先，其轉換結果與時間常數(shù)RC無關，從而消除了由于斜波電壓非線性帶來的誤差，允許積分電容在一個較寬范圍內變化，而不影響轉換結果。其次，由于輸入信號積分的時間較長，且是一個固定值T1，而T2正比于輸入信號在T1內的平均值，這對于疊加在輸入信號上的干擾信號有很強的抑制能力。最后，這種A/D轉換器不必采用高穩(wěn)定度的時鐘源，它只要求時鐘源在一個轉換周期（T1+T2）內保持穩(wěn)定即可。這種轉換器被廣泛應用于要求精度較高而轉換速度要求不高的儀器中。,分辨率=,1. 分辨率 分辨率指A/D轉換器對輸入模擬信號的分辨能力。從理論上講，一個n位二進制數(shù)輸出的A/D轉換器應能區(qū)分輸入模擬電壓的2n個不同量級，能區(qū)分輸入模擬電壓的最小差異為 （滿量程輸入的1/2n）。,8.3 模數(shù)轉換器,三、A/D轉換器的主要技術指標,例如，A/D轉換器的輸出為12位二進制數(shù)，最大輸入模擬信號為10V，則其分辨率為,2. 轉換時間 轉換時間是指A/D轉換器從接到轉換啟動信號開始，到輸出端獲得穩(wěn)定的數(shù)字信號所經(jīng)過的時間。 A/D轉換器的轉換速度主要取決于轉換電路的類型，不同類型A/D轉換器的轉換速度相差很大。 雙積分型A/D轉換器的轉換速度最慢，需幾百毫秒左右； 逐次逼近式A/D轉換器的轉換速度較快，需幾十微秒； 并行比較型A/D轉換器的轉換速度最快，僅需幾十納秒時間。,8.3 模數(shù)轉換器,8.3 模數(shù)轉換器,3. 轉換誤差 它表示A/D轉換器實際輸出的數(shù)字量和理論上輸出的數(shù)字量之間的差別。常用最低有效位的倍數(shù)表示。,例如，轉換誤差 。就表明實際輸出的數(shù)字量和理論上應得到的輸出數(shù)字量之間的誤差小于最低位的半個字。,例：某信號采集系統(tǒng)要求用一片A/D轉換集成芯片在1s內對16個熱電偶的輸出電壓分數(shù)進行A/D轉換。已知熱電偶輸出電壓范圍為025mV（對應于0450溫度范圍），需分辨的溫度為0.1，試問應選擇幾位的A/D轉換器？其轉換時間為多少？,解：,分辨率=,12位ADC的分辨率=,故需選用13位A/D轉換器。,轉換時間=,8.3 模數(shù)轉換器,四、8位集成ADC0809,1.ADC0809特性參數(shù),分辨率： 8位 精度： 8位 轉換時間： 100s 增益溫度系數(shù)： 20ppm/ 輸入電平： TTL 功耗： 15mW,ADC0809是采用