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文档简介
1、1模拟数字转换电路模拟数字转换电路2一、一、DADA转换器转换器(一)(一)D/AD/A转换器的转换特性转换器的转换特性n n位位D/AD/A转换器,输入是转换器,输入是n n位二进制数字信号位二进制数字信号D Dinin(d(d1 1d d2 2ddn n) ): D Dinin=d=d1 1x2x2-1-1+d+dn nx2x2-n-n,可看成小数二进制数码,可看成小数二进制数码,d d1 1是最高是最高有效位有效位(MSB)(MSB)的数码,的数码,d dn n是最低有效位是最低有效位( (L LSB)SB)的数码。的数码。如果如果D/AD/A转换器的基准电压位转换器的基准电压位U UR
2、 R, ,则理想则理想D/AD/A转换器的输出转换器的输出电压电压U U0 0可表示为可表示为U U0 0= U= UR R* *D Dinin二进制加权转换过程中,对应最高位二进制加权转换过程中,对应最高位(MSB)(MSB)的输出电平是的输出电平是U UR R/2/2;对应最低位;对应最低位(LSB)(LSB)的输出电平是的输出电平是U UR R/2/2n n,满量程值为,满量程值为nRRnRniiRFUUUUU2)211 (213三位三位D/AD/A转换器理想特性转换器理想特性4(二)(二)D/AD/A转换器的性能要求转换器的性能要求分辨率分辨率:当输入数字发生单位数码变化时,即:当输入
3、数字发生单位数码变化时,即LSBLSB产生一产生一次变化时,所对应输出模拟量的变化量与满刻度量程的次变化时,所对应输出模拟量的变化量与满刻度量程的比值表示。比值表示。精度精度:实际模拟电压与理想值之差:实际模拟电压与理想值之差. .建立时间建立时间:表示输入数字量变化后,输出模拟量稳定到:表示输入数字量变化后,输出模拟量稳定到相应数值范围(通常为相应数值范围(通常为0 0.5LSB.5LSB)所需时间。)所需时间。5(三)(三)D/AD/A转换器结构及原理转换器结构及原理单片单片D/AD/A转换器的基本组成包括转换器的基本组成包括基准电压源基准电压源,电阻解码网电阻解码网络络,电子开关阵列电子
4、开关阵列和和相加运算放大器相加运算放大器四部分组成。四部分组成。 UR uo S2 d2 dn Sn 2R 4R 2n-1R S3 d3 S1 d1 R - + + N I1 I2 I3 In Io R1 A 1 1、加权电阻网络电路、加权电阻网络电路6加权电阻网络电路缺点加权电阻网络电路缺点 UR uo S2 d2 dn Sn 2R 4R 2n-1R S3 d3 S1 d1 R - + + N I1 I2 I3 In Io R1 A (1) (1) 转换器用到的权电阻规格太多转换器用到的权电阻规格太多(2) (2) 高低位权电阻及权电流的差值过大高低位权电阻及权电流的差值过大(3) (3)
5、用于二进制位数不多的情况下用于二进制位数不多的情况下, ,精度不高精度不高72 2、R-2RR-2R梯形电阻网络梯形电阻网络R-2RR-2R梯形电阻网络的特点梯形电阻网络的特点(1) (1) 使用电阻规格少使用电阻规格少(2) (2) 流过各支路的电流不变,转换速度快流过各支路的电流不变,转换速度快, ,动态误差小动态误差小8(一)、(一)、ADAD转换的定义转换的定义 将模拟信号在给定的精度和分辨率下将模拟信号在给定的精度和分辨率下, ,通过与一参考通过与一参考电压进行比较电压进行比较, ,进而转换成数字信号进而转换成数字信号. . 二、二、ADAD转换器转换器模拟量数字化包括模拟量数字化包
6、括采样采样、量化量化和和编码编码三个阶段三个阶段 采样采样:依据采样定理按照一定时间间隔从连续的模拟信号:依据采样定理按照一定时间间隔从连续的模拟信号中抽取一系列时间离散值中抽取一系列时间离散值量化量化和和编码编码通常是同时完成的。通常所用的是二进制编码。通常是同时完成的。通常所用的是二进制编码。 量化:量化:将幅度连续取值的模拟信号变为只能取有限个将幅度连续取值的模拟信号变为只能取有限个某某一最小当量的整数倍数值一最小当量的整数倍数值的过程称为的过程称为量化量化。91 1 分辨率:分辨率:对应一个数字输出的模拟输入电压有一定的幅对应一个数字输出的模拟输入电压有一定的幅度范围,若超过这个幅度范
7、围,数字输出就会发生变化。度范围,若超过这个幅度范围,数字输出就会发生变化。 能分辨的最小输入模拟电压范围叫做分辨率,用能分辨的最小输入模拟电压范围叫做分辨率,用LSBLSB表示。表示。2 2 精度:精度:理想的理想的ADCADC是指不含量化误差以外的误差,但实是指不含量化误差以外的误差,但实际上由于使用的元件和噪声等产生各种误差。际上由于使用的元件和噪声等产生各种误差。 精度表示所含误差的比例,用刻度的百分比或精度表示所含误差的比例,用刻度的百分比或PPMPPM表示。精度表示。精度分为绝对精度和相对精度。分为绝对精度和相对精度。(二)、(二)、ADAD转换的特性参数转换的特性参数3 3 转换
8、时间:转换时间:在满足某一精度下,获得与模拟输入信在满足某一精度下,获得与模拟输入信号相对应的数字输出所需的时间。号相对应的数字输出所需的时间。10(三)、(三)、ADAD转换中的误差转换中的误差1. 1. 转换时刻参考电压值发生变化转换时刻参考电压值发生变化; ;2. 2. 采样水平步长的宽度不同采样水平步长的宽度不同; ;3. 3. 量化误差存在量化误差存在量化:量化:将幅度连续取值的模拟信号变为只能取有限个将幅度连续取值的模拟信号变为只能取有限个某一某一最小当量的整数倍数值最小当量的整数倍数值的过程称为的过程称为量化量化。量化误差:量化误差:通过量化将连续量转换成离散量,必然存在类通过量
9、化将连续量转换成离散量,必然存在类似于四舍五入产生的误差,最大误差可达到似于四舍五入产生的误差,最大误差可达到1LSB1LSB的的1/21/2。此误差叫做此误差叫做量化误差量化误差。11 f1(t) t 0 1 2 3 4 5 6 7 011 101 111 111 110 100 011 101 对应编码 1F2F3F4F5F6F7F8F采样采样量化量化和和编码编码12( (四四)AD)AD转换器工作原理转换器工作原理1 1 双积分式双积分式A/DA/D转换器转换器 # -1 +1 电 子开关 计数器 控制逻辑 数据输出 标准时钟 R C Ui UR -UR UC - + + N 13如图示
10、双积分型如图示双积分型ADCADC电路,当计数器为十进制时,其最大计数值电路,当计数器为十进制时,其最大计数值N=(3000)N=(3000)1010,时钟脉冲,时钟脉冲f fcpcp=20kHz=20kHz,-V-VREFREF=-10V=-10V,求:,求:1 1、完成一次转、完成一次转换最长需要多少时间?换最长需要多少时间?2 2、当输入的模拟电压为、当输入的模拟电压为6.2V6.2V时,经转换后时,经转换后输出量为多少?输出量为多少?3 3、若输入电压大于参考电压,即、若输入电压大于参考电压,即 ,结果,结果会如何?会如何?4 4、当计数器为(、当计数器为(750750)1010,试问
11、输入电压为几伏?,试问输入电压为几伏?142 2 逐次逼进式逐次逼进式A/DA/D转换器转换器 比较器 D/A 转换器 逐次逼近 寄 存 器 逻辑控制 电 路 输出缓冲器 输出允许 转换结束 启动 时钟 Ui US Dn-1 D0 154 4位逐次逼近型位逐次逼近型A/DA/D转换器的原理如图示,图转换器的原理如图示,图(b)(b)、(c)(c)分别分别为两次转换的模拟输入电压为两次转换的模拟输入电压V VI I和和DACDAC输出电压输出电压V Vo o的波形。的波形。1.(a)1.(a)转换结束后,图转换结束后,图b b和图和图c c所示两种情况下输出数字量所示两种情况下输出数字量分别是多少?分别是多少?2.2.若若4 4位位DACDAC
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