数电64学时课件第9章

概 述,第 9 章 数模和模数转换器,本章小结,A/D 转换器,D/A 转换器,9.1 概 述,主要要求：,理解数模和模数转换器的概念和作用。,数模和模数转换的概念和作用,数模转换即将数字量转换为模拟电量(电压或电流)，使输出的模拟电量与输入的数字量成正比。,实现数模转换的电路称数模转换器,Digital - Analog Converter，简称 D/A 转换器或 DAC。,模数转换即将模拟电量转换为数字量，使输出的数字量与输入的模拟电量成正比。,实现模数转换的电路称模数转换器,Analog - Digital Converter，简称 A/D 转换器或 ADC。,为何要进行数模和模数转换？,主要要求：,了解数模转换的基本原理。,了解常用 D/A 转换器的类型和主要参数。,了解 R - 2R 倒 T 形电阻网络 D/A 转换器的 电路与工作原理。,9.2 D/A 转换器,一、数模转换的基本原理,输出模拟电压 uO = D = (Dn-1 2n-1 + Dn-2 2n-2 + + D1 21 + D0 20 ),可见，uO D，uO 的大小反映了数字量 D 的大小。,LSB Least Significant Bit,输入数字量 D = (Dn-1 Dn-2 D1 D0 ) 2 = Dn-1 2n-1 + Dn-2 2n-2 + + D1 21 + D0 20, 是 DAC 能输出的最小电压值，称为 DAC 的单位量化电压，它等于 D 最低位(LSB)为 1、其余各位均为 0 时的模拟输出电压(用 ULSB 表示)。,二、分类,其中，后两者转换速度快，性能好，因而被广泛采用，权电流网络 DAC 转换精度高，性能最佳。,三、R - 2R 倒 T 形电阻网络 DAC,模拟开关 Si 打向“1”侧时，相应 2R 支路接虚地；打向“0”侧时，相应 2R 支路接地。故无论开关打向哪一侧，倒 T 型电阻网络均可等效为下图：,从 A、B、C 节点向左看去，各节点对地的等效电阻均为 2R。,可见，支路电流值 Ii 正好代表了二进制数位 Di 的权值 2i 。,即 I3 = 23 I0， I2 = 22 I0， I1 = 21 I0， I0 = 20 I0,u0 = - i RF = - D I0 RF = - D ·,i = D3 I3 + D2 I2 + D1 I1 + D0 I0 = ( D3 23 + D2 22 + D1 21 + D0 20 ) I0 = D I0,n 位 DAC 将参考电压 VREF 分成 2n 份，uO 是每份的 D 倍。调节 VREF 可调节 DAC 的输出电压。,四、权电流型 DAC,倒T型D/A转换器具有较高的转换速度，但由于电路中的电子开关存在导通电阻和导通压降，当流过各支路的电流稍有变化时，就会产生转换误差。,1. 分辨率,指 D/A 转换器模拟输出所能产生的最小电压变化量与满刻度输出电压之比。,例如，一个 10 位的 DAC，分辨率为 0.000 978。,DAC 的位数越多，分辨率值就越小， 能分辨的最小输出电压值也越小。,五、 DAC 的主要参数,3. 转换时间,指 DAC 在输入数字信号开始转换，到输出的模拟信号达到稳定值所需的时间。,转换时间越小，转换速度就越高。,2. 转换精度,指 DAC 实际输出模拟电压与理想输出模拟电压间的最大误差。,它是一个综合指标，不仅与 DAC 中元件参数的精度有关，而且与环境温度、求和运算放大器的温度漂移以及转换器的位数有关。,通常要求 DAC的误差小于 ULSB / 2。,倒T型集成D A转换器CB7520,五、集成 DAC 应用举例,主要要求：,了解模数转换的基本原理。,了解 A/D 转换器的主要参数。,了解常用 A/D 转换器。,9.3 A/D 转换器,一、A /D 转换的基本原理和一般步骤,“ ”表示取整。,可见，输出数字量 D 正比于输入模拟量 uI 。, 称为 ADC 的单位量化电压或量化单位，它是 ADC 的最小分辨电压。,采样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。 保持：保持采样信号，使有充分时间转换为数字信号。 量化：把采样保持电路的输出信号用单位量化电压的 整数倍表示。 编码：把量化的结果用二进制代码表示。,A /D 转换的一般步骤,采样信号是否会丢失原信号的信息呢？,对信号进行量化会引起误差吗？,采样定理：当采样频率不小于输入模拟信号频谱 中最高频率的两倍时，采样信号可以 不失真地恢复为原模拟信号。,量化误差：因模拟电压不一定能被 ULSB 整除， 量化时舍去余数而引起的误差。,量化误差大小与 ADC 的位数、 基准电压 VREF 和量化方法有关。,划分量化电平的两种方法,最大量化误差 = = (1/8)V,最大量化误差 = /2 = (1/15)V,二、常用 ADC 的类型,常用 ADC 主要有并联比较型、双积分型和逐次 逼近型。其中，并联比较型 ADC 转换速度最快，但 价格贵；双积分型 ADC 精度高、抗干扰能力强，但 速度慢；逐次逼近型速度较快、精度较高、价格适中， 因而被广泛采用。,下面以逐次渐进型为例，讲述A/D转换器的工作原理。,三、逐次逼近式A/D转换器,其工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明。若有四个砝码共重15克，每个重量分别为8、4、2、1克。设待秤重量Wx = 13克，可以用下表步骤来秤量：,2,8 g + 4 g,3,8 g + 4 g + 2 g,4,8 g + 4 g + 1 g,1,8 g,8g 13g ，,12g 13g ，,14g 13g，,13g 13g，,8 g,12 g,12 g,13g,保留,保留,撤去,保留,1. 转换原理,放哪一 个砝码,砝码是 否保存,2. 转换过程,2,3,4,1,1 0 0 0,UA UI,6V,UA UI,5. 5V,留,去,留,留,4V,UA UI,5V,UA UI,1 1 0 0,1 0 1 0,1 0 1 1,例：UR= 8V，UI = 5.54V，4位A/D转换器输出。,D/A转换器输出UA为正值,转换数字量1011 4+1+0.5 = 5.5V 转换误差为 0.04V,例：UR= 8V，UI = 5.54V,若输出为 8位数字量,转换数字量10110001 4+1+0.5+0.03125= 5.53125V 转换误差为 -0.00875V 一般位数越多，转换误差越小。,四、ADC0809八位A/D转换器,ADC 0809管脚分布图,UR(-),指 ADC 实际输出数字量与理想输出数字量之间的最大差值。通常用最低有效位 LSB 的倍数来表示。,五、主要参数,2. 相对精度(又称转换误差),指 ADC 输出数字量的最低位变化一个数码时，对应输入模拟量的变化量。,1. 分辨率,例如 最大输出电压为 5V 的 8 位 ADC 的分辨率为： 5V / 28 = 19.6 mV,分辨率也可用 ADC 的位数表示。位数越多，能分辨的最小模拟电压值就越小。,例如 转换误差不大于 1/2 LSB，即说明 实际输出数字量与理想输出数字量 之间的最大误差不超过 1/2 LSB。,3. 转换时间,指 ADC 完成一次转换所需要的时间，即从转换开始到输出端出现稳定的数字信号所需要的时间。,转换时间越小，转换速度越高。,D/A 转换是将输入的数字量转换为与之成正比 的模拟电量。常用的 DAC 主要有权电阻网络 DAC、R - 2R T 形电阻网络 DAC、R - 2R 倒 T 形电阻网络 DAC 和权电流网络 DAC。其中， 后两者转换速度快，性能好，因而被广泛采用， 权电流网络 DAC 转换精度高，性能最佳。,本 章 小 结,A/D 转换是将输入的模拟电压转换为与之成正比的数字量。常用 ADC 主要有并联比较型、双积分型和逐次逼近型。其中，并联比较型 ADC 属于直接转换型，其转换速度最快，但价格贵；双积分型 ADC 属于间接转换型，其速度慢，但精度高、抗干扰能力强；逐次逼近型也属于直接转换型，其速度较快、精度较高、价格适中，因而被广泛采用。,A/D 转换要经过采样 - 保持和量化与编码两步实现。采样 - 保持电路对输入模拟信号抽取样值，并展宽(保持)；量化是对样值脉冲进行分级，编码是将分级后的信号转换成二进制代码。在对模拟信号采样时，必须满足采样定理：采样脉冲的频率 fS 必须大于输入模拟信号最高频率分量的 2 倍。这样才能不失真地恢复出原模拟信号。,DAC 和 ADC 的分辨率和转换精度都与转换器的位数有关，位数越多，分辨率和精度越高。基准电压 VREF 是重要的应用参数，要理解基准电压的作用，尤其是在 A/D 转换中，它的值对量化误差、分辨率都有影响。一般应按器件手册给出的范围确定VREF 值，并且保证输入的模拟电压最大值不大于 VREF 值。,