第九章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器演示文稿

第九章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器演示文稿當(dāng)前第1頁\共有48頁\編于星期三\8點(diǎn)第九章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器當(dāng)前第2頁\共有48頁\編于星期三\8點(diǎn)一般電子（控制）系統(tǒng)的組成當(dāng)前第3頁\共有48頁\編于星期三\8點(diǎn)00111、倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器

（1）結(jié)構(gòu)原理R-2R電阻網(wǎng)電子開關(guān)數(shù)字輸入權(quán)電流9.1D/A轉(zhuǎn)換器

當(dāng)前第4頁\共有48頁\編于星期三\8點(diǎn)（3）運(yùn)算放大器的輸出電壓（2）輸出電流當(dāng)前第5頁\共有48頁\編于星期三\8點(diǎn)運(yùn)放的輸出電壓

若Rf=R,則有

（4）推廣到一般，輸出電流模擬輸出電壓Uo只與數(shù)字量有關(guān)—D/A轉(zhuǎn)換。當(dāng)前第6頁\共有48頁\編于星期三\8點(diǎn)（5）轉(zhuǎn)換精度問題由運(yùn)放的輸出電壓一般表達(dá)式

1）R-2R網(wǎng)絡(luò)精度問題2）電子開關(guān)導(dǎo)通時(shí)的內(nèi)阻問題制造時(shí)采用激光校準(zhǔn)技術(shù)解決；i、采用權(quán)電流型電路解決；ii、采用把內(nèi)阻歸入2R電阻中解決；3）參考電壓VREF的精度，電阻Rf的精度用戶自己解決。當(dāng)前第7頁\共有48頁\編于星期三\8點(diǎn)2、權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器

（1）結(jié)構(gòu)原理權(quán)電流源一般表達(dá)式：

（2）運(yùn)放輸出電壓當(dāng)前第8頁\共有48頁\編于星期三\8點(diǎn)MSB

數(shù)字量

LSB模擬量11111111┇

┇100000011000000001111111┇┇00000001000000003、D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式

（1）單極性輸出（8位）輸出極性取決與參考電壓

極性。當(dāng)前第9頁\共有48頁\編于星期三\8點(diǎn)?–+IΣRfD0D1Dn-1?±VREFVoD/A–+（2）反向輸出輸出Vo的極性與參考電壓VREF極性正好相反！當(dāng)前第10頁\共有48頁\編于星期三\8點(diǎn)十進(jìn)制數(shù)2的補(bǔ)碼模擬D7D6D5D4D3D2D1D0

1270111111112712601111110126???10000000110000000000-111111111-1???-12710000001-127-12810000000-128（3）雙極性輸出1）2的補(bǔ)碼正數(shù)：補(bǔ)碼＝原碼負(fù)數(shù)：補(bǔ)碼＝反碼＋1符號(hào)位當(dāng)前第11頁\共有48頁\編于星期三\8點(diǎn)十進(jìn)制數(shù)偏移二進(jìn)制碼模擬量D7D6D5D4D3D2D1D01271111111112712611111110126???11000000110100000000-101111111-1???-12700000001-127-12800000000-1282）偏移二進(jìn)制碼當(dāng)前第12頁\共有48頁\編于星期三\8點(diǎn)偏移二進(jìn)制碼D’雙極性輸出電路實(shí)現(xiàn)：當(dāng)前第13頁\共有48頁\編于星期三\8點(diǎn)4D/A變換器的主要技術(shù)指標(biāo)

一般用輸入數(shù)字量的有效位數(shù)來表示分辨率。一、分辨率

二、線性度

通常用非線性誤差的大小表示D/A變換器的線性度。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。

三、輸出電壓(電流)的建立時(shí)間D/A轉(zhuǎn)換的速度，例如：1次/1us當(dāng)前第14頁\共有48頁\編于星期三\8點(diǎn)5、8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832及其應(yīng)用D/A變換器集成電路有多種型號(hào)。下面僅以DAC0832為例來介紹集成電路D/A變換器。

它是八位的D/A變換器,即在對其輸入八位數(shù)字量后，通過外接的運(yùn)算放大器，可以獲得相應(yīng)的模擬電壓值。當(dāng)前第15頁\共有48頁\編于星期三\8點(diǎn)DAC0832簡化電路框圖八位寄存器(1)輸入八位寄存器(2)輸入八位變換器－＋＋URRfbIout1Iout2AGNDVCCuoDGND&ILECSWR1WR2XFERA/DD7D0......11當(dāng)前第16頁\共有48頁\編于星期三\8點(diǎn)DAC0832管腳圖CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCURRfbDGNDILEXFERIout2Iout11234567891019181716151413121120CS：片選端WR1、WR2：寫入端D7--D0：數(shù)據(jù)輸入端XFER：轉(zhuǎn)移控制端ILE：鎖存使能端Iout2Iout1：電流輸出端UR：參考電壓端Rfb：內(nèi)部反饋電阻輸出端當(dāng)前第17頁\共有48頁\編于星期三\8點(diǎn)功能數(shù)據(jù)D7-D0輸入到寄存器1數(shù)據(jù)由寄存器1轉(zhuǎn)送寄存器2從輸出端取模擬量控制條件CSILEWR1WR2XFER說明01WR1=0時(shí)存入數(shù)據(jù)WR1=1時(shí)鎖定WR2=0時(shí)存入數(shù)據(jù)WR2=1時(shí)鎖定0無控制信號(hào)，隨時(shí)可取DAC0832功能表當(dāng)前第18頁\共有48頁\編于星期三\8點(diǎn)例1.DAC的連接工作當(dāng)前第19頁\共有48頁\編于星期三\8點(diǎn)例2集成DAC應(yīng)用

可編程電源當(dāng)前第20頁\共有48頁\編于星期三\8點(diǎn)1ADC的組成9.2A/D轉(zhuǎn)換器

(1)采樣保持

◆采樣：就是將一個(gè)連續(xù)變化的模擬量在時(shí)間軸上離散化。

◆保持：采樣結(jié)果存儲(chǔ)起來，直到下次采樣。采樣器和保持電路一起總稱為采樣保持電路。當(dāng)前第21頁\共有48頁\編于星期三\8點(diǎn)＋－∞△CuITCPsA（2）采樣保持示意圖（3）采樣保持電路圖CPs的頻率（采樣頻率）fs必須滿足：fs≥2fimax

這樣才能將采樣保持后的不失真地恢復(fù)成輸入電壓。采樣：CPS=1，T導(dǎo)通，電容C充電，運(yùn)放輸出跟蹤輸入電壓uI(t)。保持：CPS=0，T截止，電容C無路放電，運(yùn)放輸出。當(dāng)前第22頁\共有48頁\編于星期三\8點(diǎn)（4）量化編碼量化：將介于兩個(gè)離散電平之間的采樣值，歸并到這兩個(gè)離散電平之一上。編碼：將量化后的有限個(gè)整量值用n位一組數(shù)字代碼來描述以形成數(shù)字量。當(dāng)前第23頁\共有48頁\編于星期三\8點(diǎn)（5）量化方式和量化誤差

只舍不入法量化誤差為：S(量化單位).000000011101100當(dāng)前第24頁\共有48頁\編于星期三\8點(diǎn)2)四舍五入法量化誤差為：S/2000001100110100當(dāng)前第25頁\共有48頁\編于星期三\8點(diǎn)

◆A/D轉(zhuǎn)換器分為：并行比較型、逐次逼近型和雙積分型三種。9.3幾種典型的A/D轉(zhuǎn)換器1、并行ADC工作原理量化：電阻串分壓構(gòu)成；比較：輸入模擬電壓uI通過器與量化單位比較；存儲(chǔ)：比較結(jié)果由D觸發(fā)器存儲(chǔ)；數(shù)字量：

D觸發(fā)器輸出通過編碼器形成數(shù)字量。當(dāng)前第26頁\共有48頁\編于星期三\8點(diǎn)三位并行ADC轉(zhuǎn)換真值表

對于n位輸出二進(jìn)制碼，并行ADC就需要2n-1個(gè)比較器。并行ADC適用于速度要求很高，而輸出位數(shù)較少的場合。當(dāng)前第27頁\共有48頁\編于星期三\8點(diǎn)2、逐次逼近型ADC

逐次逼近：采用對分搜索策略，每次以剩余段的中間數(shù)與輸入值比較。當(dāng)該數(shù)小于輸入時(shí)，留下；反之棄之。而后再取去剩余段的中間數(shù)進(jìn)行比較直至末位，以逼近值代替輸入值。當(dāng)前第28頁\共有48頁\編于星期三\8點(diǎn)(1)START和CP到達(dá)，時(shí)序分配器置數(shù)01111，使Q3Q2Q1Q0=1000，D/A輸出

逐次逼近式ADC原理011111000若（2）第2個(gè)CP到分配器輸出10111，使Q3~Q0=1100，D/A輸出再與uI比較，若10111110111100（3）第3個(gè)CP使分配器輸出11011，使Q3~Q0=1010，若1010當(dāng)前第29頁\共有48頁\編于星期三\8點(diǎn)111011111011111（4）第4個(gè)CP使分配器輸出11101，使Q3~Q0=1001，若（5）第5個(gè)CP使分配器輸出11110，使Q3~Q0=1001，轉(zhuǎn)換結(jié)束；（6）第6個(gè)CP使分配器輸出11111，Q3~Q0被打入D觸發(fā)器，轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出。10011001當(dāng)前第30頁\共有48頁\編于星期三\8點(diǎn)11101111101111110011001當(dāng)前第31頁\共有48頁\編于星期三\8點(diǎn)3、雙積分ADC

1)采樣階段：啟動(dòng)脈沖使Qn=0，開關(guān)S與輸入信號(hào)uI連接,A/D轉(zhuǎn)換開始。積分器對uI進(jìn)行反向積分。當(dāng)前第32頁\共有48頁\編于星期三\8點(diǎn)uA＜0，比較器輸出UC=1，G門打開，n位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器從0開始計(jì)數(shù)。一直到

觸發(fā)器FnFn-1~F0為：10?0，開關(guān)S轉(zhuǎn)接至基準(zhǔn)電源UR，采樣階段結(jié)束。當(dāng)前第33頁\共有48頁\編于星期三\8點(diǎn)2)比較階段：積分器對-UR進(jìn)行積分代入上式得求得

當(dāng)uA≥0時(shí)，過零比較器輸出UC=0，G門被封鎖，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。假設(shè)此時(shí)計(jì)數(shù)器已記錄了N個(gè)脈沖，則N當(dāng)前第34頁\共有48頁\編于星期三\8點(diǎn)9.4ADC的主要技術(shù)指標(biāo)1.分辨率

分辨率指ADC對輸入模擬信號(hào)的分辨能力。分辨率

在最大輸入電壓一定時(shí)，輸出位數(shù)愈多，量化單位愈小，分辨率愈高。分辨率輸入最大值

例如，n＝8，（8位的ADC），Um＝5V，其分辨率為：當(dāng)前第35頁\共有48頁\編于星期三\8點(diǎn)2.轉(zhuǎn)換誤差

轉(zhuǎn)換誤差:表示ADC實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論值之間的差別，常用最低有效位的倍數(shù)表示。例如：轉(zhuǎn)換誤差≤±LSB/2，表示誤差小于最低位的半個(gè)字。當(dāng)前第36頁\共有48頁\編于星期三\8點(diǎn)3.轉(zhuǎn)換速度

并行ADC轉(zhuǎn)換速度最高，八位二進(jìn)制輸出的單片ADC其轉(zhuǎn)換時(shí)間在50ns內(nèi)；

逐次逼近型ADC轉(zhuǎn)換速度次之，一般在10~150μs；

雙積分式ADC轉(zhuǎn)換速度最慢，轉(zhuǎn)換時(shí)間約在幾十毫秒至幾百毫秒間。

實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)從系統(tǒng)總的位數(shù)、精度要求、輸入模擬信號(hào)的范圍及輸入信號(hào)極性等方面綜合考慮ADC的選用。

轉(zhuǎn)換時(shí)間：指ADC從轉(zhuǎn)換啟動(dòng)，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)據(jù)信號(hào)所經(jīng)過的時(shí)間。當(dāng)前第37頁\共有48頁\編于星期三\8點(diǎn)當(dāng)前第38頁\共有48頁\編于星期三\8點(diǎn)雙積分A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)例--TC14433(MC14433)3-1/2DigitAnalog-to-DigitalConverters當(dāng)前第39頁\共有48頁\編于星期三\8點(diǎn)GENERALDESCRIPTION(1)TheTC14433isalowpower,high-performance,mono-lithicCMOS3-1/2digitA/Dconverter.TheTC14433com-binesbothanaloganddigitalcircuitsonasingleIC,thusminimizingthenumberofexternalcomponents.