第八章数模和模数转换详解演示文稿

第八章数模和模数转换详解演示文稿当前第1页\共有38页\编于星期三\9点优选第八章数模和模数转换当前第2页\共有38页\编于星期三\9点8.1概述模拟信号是表示模拟量的信号，模拟量是在时间和数值上都是连续的的物理量。数字信号是表示数字量的信号，数字量是在时间和数值上都是离散的。实现数字信号的产生、传输和处理的电路称为数字电路。数字信号与模拟信号可以相互转换。（A/D与D/A）当前第3页\共有38页\编于星期三\9点一、用途及要求传感器放大器A/D转换微型计算机控制对象D/A转换温度时间！精度！速度电加热炉热电偶执行机构8.1概述当前第4页\共有38页\编于星期三\9点二、分类8.2D/A转换器的基本原理按解码网络权电阻网络DAC

R–2R倒T形电阻网络DAC

权电流型网络DACT型电阻网络DAC按电子开关类型CMOS开关型DAC（速度低）电流开关型DAC（速度高）ECL电流开关型DAC（速度最高）双极型DAC（速度高）DAC0808、DAC0807CB7520、DAC0832当前第5页\共有38页\编于星期三\9点

对于有权码，先将每位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现数字/模拟转换。8.2D/A转换器的基本原理当前第6页\共有38页\编于星期三\9点图是4位权电阻网络D/A转换器的原理图，它是由权电阻网络、4个电子模拟开关和1个求和放大器组成。8.2D/A转换器的基本原理8.2.1权电阻网络D/A转换器当前第7页\共有38页\编于星期三\9点（1）S3~S0:为电子开关，其状态受输入数码d3~d0的取值控制。当di＝1时开关接到参考电压VREF上，有支路电流Ii流向求和放大器；当di＝0时开关接地，支路电流Ii为零。图8.2.28.2D/A转换器的基本原理当前第8页\共有38页\编于星期三\9点（2）求和放大器A：为一个接成负反馈的理想运算放大器。即：AV＝∞，iI＝0，Ro＝0。由于负反馈，存在虚短和虚断，即V－≈V＋＝0，iI＝0。（3）VREF：基准电压图8.2.28.2D/A转换器的基本原理当前第9页\共有38页\编于星期三\9点2.输出电压的计算：由于V－≈V＋＝0，故各电流为输出电压为图8.2.28.2D/A转换器的基本原理当前第10页\共有38页\编于星期三\9点取RF＝R/2，则输出电压为图11.2.28.2D/A转换器的基本原理当前第11页\共有38页\编于星期三\9点上式标明，输出的模拟电压与输入的数字量Dn成正比。注：1.若VREF取正值，则输出电压为负值。若想输出电压为正值，可以将VREF取负值。2.此电路的优点是电路结构简单，所用的电阻元件少。缺点是各个电阻的阻值相差较大，输入数字量的位数越多，差别就越大，故很难保证电阻的精确度。8.2D/A转换器的基本原理当前第12页\共有38页\编于星期三\9点解：

输出电压值为图11.2.2在下图权电阻网络D/A转换器中，若取VREF=10V，试求当输入数字量为d3d2d1d0=1010时输出电压的大小？

8.2D/A转换器的基本原理当前第13页\共有38页\编于星期三\9点2倒T形电阻网络D/A转换器为了克服权电阻网络D/A转换器电阻阻值相差太大的缺点，改进电路为倒T型电阻网络D/A转换器，如图所示。8.2D/A转换器的基本原理当前第14页\共有38页\编于星期三\9点根据“虚短”“虚地”，有V－≈V＋，无论开关打在哪一面，流过每个支路的电流始终不变。故可等效成图所示电路。RRRR8.2D/A转换器的基本原理当前第15页\共有38页\编于星期三\9点则总的电流为RRRR图11.2.58.2D/A转换器的基本原理当前第16页\共有38页\编于星期三\9点由于故输出电压为8.2D/A转换器的基本原理当前第17页\共有38页\编于星期三\9点解：

输出电压值为P206：8-5在下图倒T型电阻网络D/A转换器中，若取VREF=5V，R=1k试求当输入数字量为d3d2d1d0=0101时输出电压的大小？并计算各个电流与输入数字量之间的关系。

8.2D/A转换器的基本原理当前第18页\共有38页\编于星期三\9点引脚图

DAC0832是采用CMOS工艺制成的单片直流输出型8位数/模转换器。单电源供电，从+5～+l5V均可正常工作。基准电压的范围为±10V，电流建立时间为lµs，低功耗20mW。8.2D/A转换器的基本原理当前第19页\共有38页\编于星期三\9点1.转换精度D/A转换器的主要技术指标（1）分辨率——分辨率用于表示D/A转换器对输入微小量变化敏感程度的，定义为D/A转换器模拟输出电压可能分成的等级数，从00…00到11…11全部2n个不同的状态，给出2n个不同的输出电压，位数越多，等级越多，意味着分辨率越高。所以在实际应用中，往往用输入数字量的位数表示D/A转换器的分辨率。8.2D/A转换器的基本原理另外也用D/A转换器能够分辨出的最小电压与最大电压之比表示分辨率，即如10位D/A转换器的分辨率为当前第20页\共有38页\编于星期三\9点（2）转换误差（实际精度）:由于D/A转换器的各个环节在参数及性能上和理论值存在着差异，如基准电压不够稳定、运算放大器的零点漂移、模拟开关的导通内阻和导通压降、电阻网络中电阻阻值的偏差以及三极管特性不一致等等因素，都会使得实际精度与转换误差有关系。8.2D/A转换器的基本原理当前第21页\共有38页\编于星期三\9点转换误差是表示由各种因素引起误差的一个综合性的指标，它表示实际的D/A转换器特性和理论转换特性之间的最大偏差，如图所示图11.2.16*转换误差一般用最低有效位的倍数表示，如1LSB，即为输出的模拟电压和理论值之间的绝对误差小于等于输入为00…01时的输出电压。有时也用绝对误差与输出电压满刻度的百分数来表示8.2D/A转换器的基本原理当前第22页\共有38页\编于星期三\9点D/A转换器的主要技术指标2.转换速度（2）转换速率（SR）——在大信号工作状态下模拟电压的变化率。（1）建立时间（tset）——当输入的数字量发生变化时，输出电压变化到相应稳定电压值所需时间。8.2D/A转换器的基本原理当前第23页\共有38页\编于星期三\9点一．A/D转换的一般步骤

由于输入的模拟信号在时间上是连续量，所以一般的A/D转换过程为：

取样、保持、量化和编码。8.3A/D转换器的基本原理当前第24页\共有38页\编于星期三\9点所以A/D转换过程是首先对输入模拟电压信号进行取样，然后保持并将取样电压量化为数字量，并按一定的编码形式给出转换结果。一、取样定理：取样是将随时间连续变化的模拟量转换为时间离散的模拟量。图为对某个输入信号进行采样的波形。其中vs为取样信号，vI

表示输入的模拟信号。8.3A/D转换器的基本原理当前第25页\共有38页\编于星期三\9点为了使得取样信号能逼近输入模拟信号，则取样信号应该有足够高的频率。为了保证取样信号将被取样信号恢复，其频率关系必须满足取样定理。取样定理为：若fs为取样信号的频率，fi（max）为输入模拟信号的最高频率分量的频率，则它们必须满足一般取注：在取样电路每次取得的模拟信号转换为数字信号时都需要一定的时间,而且为了给后续的量化编码提供一个稳定值，则每次取得的模拟信号必须通过保持电路保持一段时间。一般取样和保持过程往往是通过取样－保持电路同时完成的。8.3A/D转换器的基本原理当前第26页\共有38页\编于星期三\9点二、量化和编码：1.量化数字量不仅时间上是离散的，而且数值上也是离散的，所以任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。将采样电压表示为最小数量单位（Δ）的整数倍，称为量化。所取得最小数量单位叫做量化单位，用△表示，它是数字信号最低位（LSB）为1,其它位为0时所对应的模拟量，即1LSB。如图所示8.3A/D转换器的基本原理当前第27页\共有38页\编于星期三\9点二、量化和编码：1.量化8.3A/D转换器的基本原理当前第28页\共有38页\编于星期三\9点将量化的结果用代码（可以是二进制，也可以是其他进制）表示出来，这个过程称为编码，这些代码也是A/D转换器的输出数字量。3.量化误差：由于模拟电压是连续的，那么不可能所有的电压都能被量化单位△整除，所以量化过程不可避免地会引入误差，这种误差就叫做量化误差。量化误差属于原理性误差，无法消除。A/D转换器的位数越多，各离散电平之间的差值就越小，量化误差也越小。2.编码：8.3A/D转换器的基本原理当前第29页\共有38页\编于星期三\9点8.2.2不同类型ADC的特点模数转换器的种类很多，按工作原理的不同，可分成间接ADC和直接ADC。1.间接ADC先将输入模拟电压转换成时间或频率，然后再把这些中间量转换成数字量，常用是双积分型ADC。双积分型ADC：先对输入采样电压和基准电压进行两次积分，以获得与采样电压平均值成正比的时间间隔，同时在这个时间间隔内，用计数器对标准时钟脉冲（CLK）计数，计数器输出的计数结果就是对应的数字量。特点：工作性能比较稳定，且抗干扰能力强，其缺点是工作速度低。常用的集成芯片有CB7106CB71278.3A/D转换器的基本原理当前第30页\共有38页\编于星期三\9点2.直接ADC直接ADC是将输入模拟量直接转换成数字量，常用的有并联比较型ADC和逐次逼近型ADC。并联比较型ADC采用各量级同时并行比较，各位输出码同时并行产生，故转换速度快，转换速度与输出码位无关。其缺点是成本高、功耗大。n位输出的ADC，需要2n个电阻、（2n－1）个比较器和D触发器，以及复杂的编码网络，其元件数量随位数的增加，以几何级数上升。所以这种ADC适用于要求高速、低分辩率的场合。并联比较型ADC逐次逼近型ADC逐次逼近型ADC的比较电压，是逐个产生的，逐次与输入电压分别比较，以逐渐逼近的方式进行模数转换的。逐次逼近型ADC每次转换都要逐位比较，需要（n+1）个节拍脉冲才能完成，所以它比并联比较型ADC的转换速度慢，比双分积型ADC要快得多，属于中速ADC器件。另外位数多时，它需用的元器件比并联比较型少得多，所以它是集成ADC中，应用较广的一种。常用的集成芯片有ADC0804ADC08098.3A/D转换器的基本原理当前第31页\共有38页\编于星期三\9点并联比较型A/D转换器图为并联比较型A/D转换器的电路结构图.1.组成：并联比较型A/D转换器是由电压比较器、寄存器和代码转换电路三部分组成。图8.3.68.3A/D转换器的基本原理当前第32页\共有38页\编于星期三\9点逐次渐近型A/D转换器工作原理：逐次渐近就如称重物，如13g的重物，有砝码8g、4g、2g、1g。比较过程如表所示8.3A/D转换器的基本原理当前第33页\共有38页\编于星期三\9点逐次渐近型A/D转换器的工作原理框图如图所示。它由比较器C、D/A转换器、寄存器、时钟脉冲源和控制逻辑等。工作原理：a.逐次渐近寄存器清零；b.先设寄存器状态为最高位为1,其他位为0（如4位A/D转换器为1000），经过D/A转换器后，送到比较器比较。组成:8.3A/D转换器的基本原理当前第34页\共有38页\编于星期三\9点若vo>vI

，则去掉这个1;若vo<vI

，则保留这个1.然后再将次