數模和模數轉換器學習教案

1、會計學1數模和模數轉換器數模和模數轉換器第一頁，共46頁。模擬量（溫度(wnd)）A/D轉換器微處理器顯示(xinsh)打印(d yn)報警A/D轉換器微處理器D/A轉換器加熱器模擬量（溫度）測量控制11.1 概述設定溫度第1頁/共46頁第二頁，共46頁。 權電阻網絡D/A轉換器 倒T形電阻網絡D/A轉換器 權電流型D/A轉換器 開關(kigun)樹型D/A轉換器 權電容網絡D/A轉換器 具有雙極性輸出的D/A轉換器11.2 D/A轉換器D/A轉換器的分類(fn li) 第2頁/共46頁第三頁，共46頁。D/A轉換器功能(gngnng): 將數字量成正比地轉換成模擬量。N位數字量模擬量D/A轉

2、換器一個n位二進制數可以(ky)表示為：Dn = dn-1dn-2. d0dn-1：最高位（MSB），其權為2n-1d0：最低位（LSB），其權為20100011221122222niiinnnndddddD102niiidkkDA第3頁/共46頁第四頁，共46頁。權電阻(dinz)網絡D/A轉換器第4頁/共46頁第五頁，共46頁。倒T型電阻(dinz)網絡D/A轉換器第5頁/共46頁第六頁，共46頁。CB7520（AD7520）的電路(dinl)原理圖第6頁/共46頁第七頁，共46頁。權電流(dinli)型D/A轉換器第7頁/共46頁第八頁，共46頁。利用倒T型電阻網絡(wnglu)的權電流

3、型D/A 轉換器第8頁/共46頁第九頁，共46頁。VREF已知VREF=10V，RR=5k， RF=5k試寫出輸出(shch)電壓的表達式第9頁/共46頁第十頁，共46頁。開關(kigun)樹型D/A轉換器對負載(fzi)要求？對開關要求？第10頁/共46頁第十一頁，共46頁。權電容(dinrng)網絡D/A轉換器第11頁/共46頁第十二頁，共46頁。轉換開始前令SD，S0S3接地(jid)，電容放電斷開SD假設(jish)d3d2d1d0=1000yccccc0012令REFtREFyREFyyoVccVcccVcccv3333111)2222(2001122334ddddVvREFo第12

4、頁/共46頁第十三頁，共46頁。1.輸出電壓精度只與各電容器電容量的比例有關，而與電容量的絕對值無關。2.輸出電壓的穩(wěn)態(tài)值不受開關電阻(dinz)及參考電壓源內阻的影響，降低了對開關電路及參考電壓源的要求。3.穩(wěn)態(tài)下權電容網絡不消耗功率。權電容(dinrng)網絡D/A轉換器第13頁/共46頁第十四頁，共46頁。具有(jyu)雙極性輸出的DA轉換器 目的：能夠把以補碼形式輸入的正、負數分別轉換成正、負極性的模擬(mn)電壓補碼輸入補碼輸入對應的對應的十進制數十進制數要求的要求的輸出電壓輸出電壓d2 d1 d00 1 1+3+3V0 1 0+2+2V0 0 1+1+1V0 0 000V1 1 1

5、-1-1V1 1 0-2-2V1 0 1-3-3V1 0 0-4-4V原碼輸入原碼輸入無偏移時無偏移時的輸出的輸出偏移偏移4V后的輸出后的輸出d2 d1 d01 1 1+7V+3V1 1 0+6V+2V1 0 1+5V+1V1 0 0+4V0V0 1 1+3V-1V0 1 0+2V-2V0 0 1+1V-3V0 0 00V-4V第14頁/共46頁第十五頁，共46頁。具有(jyu)雙極性輸出電壓的D/A轉換器第15頁/共46頁第十六頁，共46頁。能夠分辨出來的最小輸出(shch)電壓和最大輸出(shch)電壓之比。也可以用輸入二進制數碼的位數表示。轉換精度：通常由分辨率和轉換誤差(wch)來描述

6、。分辨率：表示DA轉換器在理論上能達到的精度。分辨率的表示方法：第16頁/共46頁第十七頁，共46頁。轉換誤差：描述(mio sh)DA轉換器實際能達到的精度轉換誤差產生的原因：參考電壓的波動。運算放大器的零點(ln din)漂移。模擬開關的導通電阻和導通壓降，電阻網絡中電阻阻值的偏差以及三極管的特性的不一致等。第17頁/共46頁第十八頁，共46頁。NoImageREFnnoVDv211第18頁/共46頁第十九頁，共46頁。第19頁/共46頁第二十頁，共46頁。非線性誤差：模擬開關的導通電阻(dinz)和壓降不同造成第20頁/共46頁第二十一頁，共46頁。NoImage建立時間：從輸入的數字量

7、開始(kish)突變開始(kish)，直到輸出電壓進入與穩(wěn)態(tài)相差0.5LSB范圍以內的這段時間。第21頁/共46頁第二十二頁，共46頁。如何(rh)進行A/D轉換？時間上幅度上離散(lsn)的數字量時間(shjin)上幅度上連續(xù)的模擬量11.3 A/D轉換器 vsvitt第22頁/共46頁第二十三頁，共46頁。A/D轉換一般包括采樣、保持(boch)、量化、編碼四個步驟。 A/D轉換的一般(ybn)步驟 采樣保持：完成對模擬信號時間(shjin)上的離散化。量化：將采保電路得到的模擬信號轉換為相應的數字信號。編碼：將數字信號按照一定的編碼形式輸出。第23頁/共46頁第二十四頁，共46頁。一.

8、采樣(ci yn)：采樣(ci yn)定理(max)2isff 為了能正確無誤地用取樣信號表示模擬信號，取樣信號必須有足夠高的頻率?？梢?ky)證明，為了保證能從取樣信號將原來的被取樣信號恢復，必須滿足(max)if為輸入模擬信號的最高頻率分量的頻率其中vivs)(A f(max)if(max)isff f第24頁/共46頁第二十五頁，共46頁。采樣保持電路: 基本(jbn)形式信號保持精度取樣速度(sd)輸入阻抗第25頁/共46頁第二十六頁，共46頁。改進的采樣保持(boch)電路LF198 第26頁/共46頁第二十七頁，共46頁。A1A2LR1R2SCh30030k1D2DiuLuo uo

9、u D1和D2兩個(lin )二極管起到什么作用？ 第27頁/共46頁第二十八頁，共46頁。二. 量化和編碼(bin m) 數字信號不僅僅在時間上是離散的，而且在幅度上也是離散的，任何一個數字量的大小只能是某個(mu )最小數量單位的整數倍。將一個取樣信號轉換為一個最小數量單位的整數倍這樣的過程，稱為量化。這個(zh ge)最小數量單位叫量化單位，用表示，數字信號的最低有效位（LSB）的1所代表的數量大小就為 。連續(xù)的模擬信號和離散的數字信號之間的誤差稱為量化誤差。第28頁/共46頁第二十九頁，共46頁。111110101100011010001000111110101100011010001

10、000輸入信號1V7/8V6/8V5/8V4/8V3/8V2/8V1/8V0二進制代碼輸入信號二進制代碼1V13/15V11/15V9/15V7/15V5/15V3/15V1/15V0代表的模擬電壓7=7/8（V）6=6/8（V）5=5/8（V）4=4/8（V）3=3/8（V）2=2/8（V）1=1/8（V）0 =0 （V）代表的模擬電壓7=14/15（V）6=12/15（V）5=10/15（V）4= 8/15（V）3= 6/15（V）2= 4/15（V）1= 2/15（V）0 = 0 (V）要求：將01V的模擬電壓(diny)信號轉換成3位二進制代碼=1/8V=2/15V第29頁/共46頁第

11、三十頁，共46頁。 A/D轉換器的分類(fn li) A/D轉換器直接型并行比較型反饋比較型逐次逼近型計數型間接型電壓-時間型（VT）型-雙積分型電壓-頻率型（VF）型第30頁/共46頁第三十一頁，共46頁。REFViVCP)(2MSBd)(0LSBd1d電壓比較器寄存器代碼轉換器9.3.3 直接A/D轉換器并行(bngxng)比較型例：若Vi處于(chy)(3/155/15) VREF之間110000011101000010第31頁/共46頁第三十二頁，共46頁。邏輯(lu j)狀態(tài)關系表寄存器狀態(tài)(zhungti)(01/15) VREFQ7d2d0d1編碼器輸出(shch)輸入電壓Vi0

12、00000000000 000011 110000011 11 11 1111111111111111 111111111110000000000000000000111(1/153/15) VREF(3/155/15) VREF(7/159/15) VREF(9/1511/15) VREF(11/1513/15) VREF(13/151) VREFQ6Q5Q4Q3Q2Q1(5/157/15) VREF第32頁/共46頁第三十三頁，共46頁。直接A/D轉換器反饋(fnku)比較型（計數器型）LvivovBv第33頁/共46頁第三十四頁，共46頁。 其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四個砝碼共重

13、15克，每個重量分別為8、4、2、1克。設待秤重量Wx = 13克，可以用下表步驟(bzhu)來秤量：砝碼重第一次第二次第三次第四次加4克加2克加1克8 克 砝碼總重 待測重量Wx ，故保留砝碼總重仍 待測重量Wx ，故撤除砝碼總重 待測重量Wx ，故保留暫時結果8 克12 克12 克13 克 結 論直接A/D轉換器反饋比較型（逐次(zh c)逼近型）第34頁/共46頁第三十五頁，共46頁。2Q3Q4Q5Q&11&+-2d12dd0DAC)2(2)2(1)2(0+-AQBQAFBFCQC1R1S1C1R1S1C1R1S1CF1G2G3G4G5G6G7G8GAU1DC11DC11

14、DC11DC11DC1LU9GiuBU(LSB)MSB)(CPC1Q1F2F3F4F5FBvivovLv第35頁/共46頁第三十六頁，共46頁。 9.3.4 間接(jin ji)A/D轉換器雙積分型第36頁/共46頁第三十七頁，共46頁。第37頁/共46頁第三十八頁，共46頁。 采樣(ci yn)階段定時積分階段：i10i1o1d)(1URCTtRUCUT比較轉換(zhunhun)階段定電壓積分階段： i1REF2URCTVRCT1RRFi2TVUT iREF12UVNND第38頁/共46頁第三十九頁，共46頁。A/D轉換器的技術指標 1.轉換精度： 采用(ciyng)分辨率和轉換誤差兩個指標

15、描述轉換精度。2.分辨率：說明AD轉換器對輸入信號的分辨能力，通常以輸出二進制的位數來表示。N位的AD轉換器能夠區(qū)分的輸入電壓的最小差異為1/2n(FSR)。例：一個10位的AD轉換器，滿量程電壓(diny)為5V，那么它的分辨率為多少？分辨率mVV88. 42510第39頁/共46頁第四十頁，共46頁。2. 轉換速度：取決于完成一次從模擬量到數字量之間轉換所需要的時間，在組成高速(o s)AD轉換器時還應將采樣保持電路的獲取時間計入轉換時間內。 轉換誤差：表示實際輸出(shch)的數字量和理論上應有的數字量之間的差別，一般以最低有效位的倍數表示。第40頁/共46頁第四十一頁，共46頁。例：電

16、路如圖所示。Ux是輸入被測信號，UO是D/A轉換器的輸出，參考(cnko)電壓UREF=5V。Uc是比較器的輸出，X是控制信號，DA轉換器的電路開始工作時，應先對計數器清零。分析電路功能。 第41頁/共46頁第四十二頁，共46頁。例：電路如圖所示，當輸入信號某位Di為0時對應(duyng)的開關Si接地；Di=1時，Si接基準電壓UREF。試問：UREF=10V，輸入(shr)信號D4D3D2D1D0=10011，則輸出模擬電壓Uo=？A2R2R2R2RRRR3RiUREFUoD0D1S0S12RD2S22RIS3S4D3D4第42頁/共46頁第四十三頁，共46頁。VVVRRVRVRVUREFREFREFREFo94. 5)222(210)222(233213161321301450145）（第43頁/共46頁第四十四頁，共46頁。例：逐次(zh c)逼近型A/D轉換器中的10位D/A轉換