第七章AD與DA轉(zhuǎn)換器.ppt

第七章A D與D A轉(zhuǎn)換器 A DandD Aconverter 7 1概述 7 2D A轉(zhuǎn)換器 7 3A D轉(zhuǎn)換器 7 1概述 A D 模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào) 實(shí)現(xiàn)A D轉(zhuǎn)換的電路稱為A D轉(zhuǎn)換器 D A 數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào) 實(shí)現(xiàn)D A轉(zhuǎn)換的電路稱為A D轉(zhuǎn)換器 7 2D A轉(zhuǎn)換器7 2 1D A轉(zhuǎn)換器及主要參數(shù)1 D A轉(zhuǎn)換器的輸入是數(shù)字量 輸出是模擬量 輸出模擬量與輸入數(shù)字量之間應(yīng)有這樣的關(guān)系 數(shù)字量大 輸出的模擬量也大 數(shù)字量小 輸出的模擬量也小 即模擬量和輸出量之間應(yīng)滿足如下關(guān)系 A KD 那么怎樣才能實(shí)現(xiàn)這一關(guān)系呢 我們把二進(jìn)制數(shù)D按位權(quán)展開即 D dn 1 2n 1 dn 2 2n 2 d1 21 d0 20A K dn 1 2n 1 dn 2 2n 2 d1 21 d0 20 這就是D A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性表達(dá)式 從轉(zhuǎn)換特性表達(dá)式可看出 實(shí)現(xiàn)D A轉(zhuǎn)換的組成部分如下 1 求和運(yùn)算放大器 實(shí)現(xiàn)求和 通常接成反相比例求和 2 模擬開關(guān) 控制d 0或d 1時(shí) 求和電路的項(xiàng)數(shù) 3 譯碼網(wǎng)絡(luò) 用來(lái)實(shí)現(xiàn)2n 1 20 4 基準(zhǔn)電源 保證系數(shù)K的一致性 要求精度高 D A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)1 轉(zhuǎn)換精度 1 分辨率 D A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級(jí)數(shù) 電路所能分辨的最小輸出電壓ULSB 輸入的數(shù)字代碼最低有效位為1 其余各位都為0 與滿刻度輸出電壓Um 輸入的數(shù)字代碼的各位均為1 之比 即分辨率 例如 n 10的D A轉(zhuǎn)換器的分辨率為1 1023 0 000987若Um 5V 則ULSB 5 0 000987 5mV 分辨率還可以直接用輸入數(shù)字量的位數(shù)來(lái)表示 輸入數(shù)字量位數(shù)越多 分辨率越高 所以 在實(shí)際應(yīng)用中 常用字量的位數(shù)表示D A轉(zhuǎn)換器的分辨率 此外 也可用D A轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比來(lái)表示分辨率 N位D A轉(zhuǎn)換器的分辨率可表示為1 2n 1 2 轉(zhuǎn)換誤差 絕對(duì)誤差和非線性誤差 絕對(duì)誤差 輸入端加滿刻度的數(shù)字量時(shí) D A轉(zhuǎn)換器輸出的理論值與實(shí)際值之差 一般來(lái)說(shuō) 絕對(duì)誤差應(yīng)低于USLB 2 其影響因素主要有電子開關(guān)導(dǎo)通的電壓降 電阻網(wǎng)絡(luò)阻值偏差 參考電壓偏離 集成運(yùn)放漂移產(chǎn)生的誤差 非線性誤差 在滿刻度范圍內(nèi)偏離轉(zhuǎn)換特性的最大值稱為非線性誤差 它與滿刻度之比稱為非線性度 常用百分比表示 2 轉(zhuǎn)換速度 1 建立時(shí)間 tset 當(dāng)輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時(shí) 輸出電壓變化到相應(yīng)穩(wěn)定電壓值所需時(shí)間 最短可達(dá)0 1 S 2 轉(zhuǎn)換速率 SR 在大信號(hào)工作狀態(tài)下模擬電壓的變化率 3 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(chǎn)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?jǐn)?shù)作為溫度系數(shù) 根據(jù)譯碼網(wǎng)絡(luò)的不同權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型T型電阻網(wǎng)絡(luò)型倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)型權(quán)電流型 3 D A轉(zhuǎn)換器的分類 7 2 2倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D A轉(zhuǎn)換器 1組成及其工作原理 如果是n位的D A轉(zhuǎn)換器 則UO的表達(dá)式為 Uo VREF 2n dn 1 2n 1 dn 2 2n 2 d1 21 d0 20 倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D A轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)是 1 模擬開關(guān)在地與虛地之間轉(zhuǎn)換 不論開關(guān)狀態(tài)如何變化 各支路的電流始終不變 因此 不需要電流建立時(shí)間 2 各支路電流直接流入運(yùn)算放大器的輸入端 不存在傳輸時(shí)間差 因而提高了轉(zhuǎn)換速度 并減小了動(dòng)態(tài)過程中傳輸電壓的尖峰脈沖 以國(guó)產(chǎn)5G7520為例 n 10 采用倒T型電阻譯碼網(wǎng)絡(luò)和CMOS模擬電子開關(guān) 反饋電阻RF 10K已集成在片內(nèi) 求和運(yùn)算放大器A 基準(zhǔn)電源 10V 10V 及模擬開關(guān)的電源 5V 15V 均需外接 2 集成D A轉(zhuǎn)換器 7 2 3CMOS模擬電子開關(guān) 1 要求在D A轉(zhuǎn)換器中使用的模擬電子開關(guān)是受輸入數(shù)字信號(hào)的狀態(tài)控制的 因?yàn)閭鬏數(shù)氖悄M信號(hào) 所以要求模擬開關(guān)應(yīng)接近于理想開關(guān) 其接通和斷開應(yīng)不影響被傳送模擬信號(hào)的數(shù)值 CMOS電子開關(guān)雙極型電子開關(guān) 前面第二章講雙向模擬開關(guān) 但它能夠傳輸?shù)氖请妷盒盘?hào) 而我們現(xiàn)在需要傳送的是電流信號(hào) 2 分類 3 CMOS模擬電子開關(guān) 3 CMOS模擬電子開關(guān) 3 CMOS模擬電子開關(guān) 若d1 1 則VN1截止 VN2導(dǎo)通 流過2R的電阻流入反饋電阻 若d1 0 則VN2截止 VN1導(dǎo)通 流過2R的電阻流入地 D A轉(zhuǎn)換器 8位的D A轉(zhuǎn)換器常用的有DAC0832 DAC0808 都屬于R 2RT型電阻網(wǎng)絡(luò)型 剛才所介紹的AD7520為AD公司的產(chǎn)品 7 3A D轉(zhuǎn)換器 7 3 1A D轉(zhuǎn)換器的步驟及分類 A D轉(zhuǎn)換的一般步驟模擬信號(hào)在時(shí)間上是連續(xù)的 我們不可能對(duì)所有的時(shí)間點(diǎn)的信號(hào)進(jìn)行采樣 只能在一系列選定的瞬間 即時(shí)間坐標(biāo)軸上的一些規(guī)定點(diǎn) 對(duì)輸入的模擬信號(hào)采樣 將這些特殊點(diǎn)的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量 通常A D轉(zhuǎn)換須經(jīng)過采樣 保持和量化 編碼這兩大步驟完成 1 采樣 保持到底采多少個(gè)點(diǎn)或者說(shuō)隔多長(zhǎng)時(shí)間采樣一次 應(yīng)以采樣后的信號(hào)能不失真地反映原來(lái)的信號(hào) 對(duì)于一個(gè)頻率有限的模擬信號(hào) 可以由采樣定理確定采樣頻率為 其中fs為采樣頻率 fimax為輸入模擬信號(hào)的上限值 通常選擇采樣頻率fs 2 5 3 fimax 應(yīng)該是采樣頻率越高越好 但要付出代價(jià) 如外接的存儲(chǔ)器的容量要大 1024 8 1024 8 2 由于采樣時(shí)間極短 采樣輸出為一串?dāng)嗬m(xù)的窄脈沖 而要把一個(gè)模擬采樣信號(hào)數(shù)字化需要一定的時(shí)間 因此在前后兩次采樣之間 應(yīng)將采樣的模擬信號(hào)保持下來(lái) 否則采樣的模擬信號(hào)已發(fā)生了變化 可見 進(jìn)行A D轉(zhuǎn)換時(shí)所用的輸入電壓 實(shí)際上是每次取樣結(jié)束時(shí)的vI值 采樣保持電路的電路圖如下所示 還是上一個(gè)例子 這種方法產(chǎn)生的最大誤差為1 15V 步驟 1 采樣時(shí) 使UL為高電平 S閉合 UO UI 此時(shí) UCH UI 2 采樣結(jié)束時(shí) S斷開 由于A2的輸入阻抗很高 Ch上的電壓基本保持不變 3 當(dāng)下一個(gè)采樣控制信號(hào)到來(lái)后 S又閉合 電容Ch上的電壓又跟隨此時(shí)的輸入信號(hào)UI而變化 采樣 保持電路的輸出信號(hào)已成階梯狀 但階梯幅值仍是連續(xù)可變的 要想變成數(shù)字量 就需要把幅值進(jìn)行量化 就類似于用尺子去度量一根繩子 然后取整 量化就是將離散的階梯幅值轉(zhuǎn)化為某規(guī)定的最小單位的整數(shù)倍 量化的方法有兩種 一種是只舍不入 另一種是有舍有入 只舍不入的方法是 取最小量化單位 Um 2n 將0 之間的模擬電壓歸并到0 將 2之間的模擬電壓歸并到1 依次類推 這種方法產(chǎn)生的最大量化誤差為 2 量化 編碼 例 將0 1V的模擬電壓轉(zhuǎn)換成3位二進(jìn)制數(shù) 按前面所講 Um 8 這種方法產(chǎn)生的最的誤差為1 8V 有舍有入的方法是 取最小量化單位 Um 2n 1 將0 2之間的模擬電壓歸并到0 將 2 3 2之間的模擬電壓歸并到1 依次類推 這種方法產(chǎn)生的最大量化誤差為 2 2 A D轉(zhuǎn)換器的分類A D轉(zhuǎn)換器的種類很多 但從轉(zhuǎn)換過程看可以分為兩大類 并聯(lián)比較型A D轉(zhuǎn)換器直接型反饋比較型計(jì)數(shù)型逐次漸進(jìn)型間接型電壓時(shí)間變換 U T 型積分型電壓頻率變換 U F 型 直接型特點(diǎn) 工作速度高 調(diào)整較方便 間接型特點(diǎn) 速度較慢 但精度可以做得較高 且抗干擾性強(qiáng) 學(xué)習(xí)目的 逐次漸進(jìn)型A D轉(zhuǎn)換器屬直接型A D 通過這部分內(nèi)容的學(xué)習(xí) 同學(xué)們一要掌握A D轉(zhuǎn)換器的原理 二要掌握數(shù)字時(shí)序邏輯電路的的分析方法 為今后分析和設(shè)計(jì)更復(fù)雜的電路打基礎(chǔ) 1 工作原理 類似天平稱物體的原理 天平的一端放被稱的物體 另一端加砝碼 各砝碼的重量按二進(jìn)制關(guān)系設(shè)置 一個(gè)比一個(gè)小一半 稱重時(shí) 將各種重量的砝碼從大到小逐一放在天平上加以試探 經(jīng)天平比較加以取舍 一直到天平基本平衡為止 這樣就以一系列二進(jìn)制碼的重量之和表示了被稱物體的重量 7 3 2逐次漸進(jìn)型A D轉(zhuǎn)換器 順序脈沖發(fā)生器 依次產(chǎn)生各種重量的砝碼 組成 控制電路 決定本次所放砝碼的取舍 寄存器 把順序脈沖發(fā)生器和控制電路處理后的二進(jìn)制數(shù)暫時(shí)存放起來(lái) D A轉(zhuǎn)換器 寄存器輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量 電壓比較器 將D A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓與被轉(zhuǎn)換的電壓進(jìn)行比較 輸出用來(lái)控制控制電路 結(jié)論 3位A D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換完成用了5個(gè)CP脈沖 n位A D轉(zhuǎn)換器用n 2個(gè)脈沖 優(yōu)點(diǎn) 精度高 轉(zhuǎn)換速度快 轉(zhuǎn)換時(shí)間固定簡(jiǎn)化了與計(jì)算機(jī)同步 所以常常用作微機(jī)接口 2 常用的A D轉(zhuǎn)換器芯片有ADC0809 ADC0804 AD574A 僅介紹ADC0890 CMOS器件 除了有8位A D轉(zhuǎn)換器外 還有8路模擬開關(guān)以及地址鎖存與譯碼 有三條地址輸入線ADDA ADDB ADDC 可決定選通一路 該芯片內(nèi)還有便于與微機(jī)數(shù)據(jù)總線連接的三態(tài)輸出鎖存器 UI3UI4UI5UI6UI7STARTEOCD3OECLKVCC VREFGNDD1 UI2UI1UI0ADDAADDBADDCALED7D6D5D4D0 VREFD2 它屬于間接型 基本原理是 通過兩次積分 先把模擬電壓UI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)數(shù)字量就正比于輸入模擬電壓 7 3 3雙積分型A D轉(zhuǎn)換器 1 原理框圖 2 工作原理 uc 2 工作原理 1 初始化 令US 0 則Fn 1Fn 1 F1F0FC 00 000 D1 1 計(jì)數(shù)器不工作 D2 1 開關(guān)S0閉合使積分電容充分放電 由于QC 0 使開關(guān)S1接至ui一側(cè) 2 第一次積分階段 采樣階段 也叫定時(shí)積分 令US 1 則D2 0開關(guān)S0斷開 D1 cp 積分器在固定時(shí)間T1內(nèi)進(jìn)行積分 T1 2nTc3 第二次積分 開關(guān)S1接至 UR 積分器開始反向積分 計(jì)數(shù)器又從零開始計(jì)數(shù) 經(jīng)過時(shí)間T2后積分電壓回升到0 比較器輸出uc為低電平 將門D1封鎖 停止計(jì)數(shù) 轉(zhuǎn)換結(jié)束 優(yōu)點(diǎn) 具有較強(qiáng)的抗干擾能力 體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面 1 采用了測(cè)量輸入電壓在采樣時(shí)間T1內(nèi)平均值的原理 因此對(duì)于周期等于T1或T1 n的對(duì)稱干擾 從理論上講具有無(wú)窮大的抑制能力 在工業(yè)系統(tǒng)中