09第九章AD和DA转换器2学时.docx
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09第九章AD和DA转换器2学时
第九章A/D和D/A转换器
2学时
知识要点1、D/A转换器;
2、A/D转换器;
重点1、正确理解权电流型DAC的工作原理;
2、正确理解DAC的主要技术指标;
3、正确理解ADC的组成以及量化和量化误差的概念;
4、正确理解ADC的主要技术指标;
5、合理运用DAC、ADC器件;
课后练习:
P461_9.1.1、P463_9.2.7
概述
数字控制系统的基本构成框图如下:
器
感器
控制对象传放大
数字计算机
执行元件
模拟非电量模拟电量数字量数字量模拟电量
X(t)
u(t)
可见:
把从模拟信号到数字信号的转换称为模/数转换,实现模/数转换的电路称
为A/D转换器(AnalogtoDigitalConverter)。
反之,则为D/A转换器(Digitalto
AnalogConverter)。
衡量A/D、D/A性能优劣的主要标志就是:
①转换精度——反映处理数据的准确性;
②转换速度——反映处理数据的快慢程度;
9.1D/A转换器
9.1.1概述
1、DAC的任务:
实现与输入数字量成正比例的输出模拟量电流或电压的转换。
2、DAC的基本指导思想将有权码的数字量,其每位代码按其权的大小转换成相应的模拟量,再将其
模拟量相加,即得与数字量成正比的总模拟量。
即:
二进制数字量
B=Bn−12
n−1
+Bn−12
n−2
1
++B12
0
+B02
n−1
i
=∑Bi2
=
i0
对应的模拟量
uo(或i0)=KB=K
n−1
∑
=
Bi2
i(K为转换比例系数)。
i0
3、DAC的组成
(1)数码寄存器:
以串行或并行方式输入待转换的数字量并寄存;
(2)模拟电子开关电路:
①CMOS型开关——适用速度要求不高的场合,且电路的功耗低;
②BJT型开关——电流开关型适用速度要求较高的场合,ECL电流开关型使用速度要求更高的场合;
(3)解码网络:
①T形电阻网络DAC;
②倒T形电阻网络DAC;
③权电流型DAC;
④权电阻网络DAC;
(4)求和电路:
将各位权值相加得到与数字量对应的模拟量;
(5)基准电压。
9.1.2T形电阻网络DAC
1、电路组成
以四位T形电阻DAC为例,电路图如下图所示。
3R
DRCRBR
2R2R2R2R
A2R
Auo
2R
S0S1S2S3
Vref
D0D1D2D3
LSBMSB
图中:
R-2R电阻解码网络,呈T形;
Si是模拟电子开关,且当Di
1时Si接至Vref
,当Di=0
时Si
接至地,Di
是待转换的二进制代码;
A构成求和电路;Vref是基准电压源。
2、工作原理
DRCRBR
2R2R2R2R
3R
A2R
Auo
2R
Vref
S0S1
D0
S2S3
D1D2D3
LSBMSB
从A点往左看,电阻网络的等效电阻为R,从低位到高位,每经过一级节点的
电压衰减1
2
,运用戴维南定理、叠加定理,则:
V
u=−=ref(D
⋅23+D
⋅22+D
⋅21+D
⋅20)
o243
210
2n∑i
Vn−1
类推:
uo=
−=refD2i
=
i0
DRCRBR
2R2R2R2R
3R
A2R
Auo
2R
Vref
S0S1
D0
S2S3
D1D2D3
V
u=−=refo24
(D3
⋅23
+D2
⋅22
+D1
⋅21
+D0
⋅20)
LSBMSB
3、转换精度说明
欲使DAC有高的转换精度,对电路中的参数应有以下要求:
①基准电压稳定性好;
②电阻网络R、2R的电阻比值的精度要高;
③各模拟电子开关的开关电压降要相等;
④模拟电子开关的导通电阻应按2的倍数递减(T形电阻网络)或递增(倒T形电阻网络);
9.1.3倒T形电阻网络DAC
1、电路组成
以四位倒T形电阻DAC为例,电路图如下图所示。
D0D1D2D3Rf
LSBMSB
I
∑
Auo
S0S1S2S3
2R2R2R2R2R
I
Vref
DRCR
BRA
图中:
R-2R电阻解码网络,呈倒T形;
Si是模拟电子开关,且当Di=1
时Si
接至运放反相端,当Di
=0时Si接至
运放同相端,Di
A构成求和电路;
是待转换的二进制代码;
Vref是基准电压源。
2、工作原理
D0D1
D2D3Rf
从A点往左看,电阻网络的等效电阻恒
V
LSBMSB
I∑
Auo
为R,则I
==ref,类似B、C、D各点往左
R
S0S1S2S3
看,等效电阻均为R。
2R2R
2R2R
2R
I
Vref
DRCR
BRA
1
可见:
从高位到低位,每经过一级节点,支路的电流衰减
2
,则:
⋅
I=I(D
⋅
1
+D
⋅
1
+D
1
+D
1V
⋅ref
)=(D
⋅23+D
⋅22+D
⋅21+D
⋅20)
∑32
2418
016
Vref
24R3210
3210
当R=Rf
时有:
uo=−I∑
2n∑i
V
R=−(D⋅2
243
n−1
+D2⋅2
+D1⋅2
+D0⋅2)
类推:
uo=
−=refD2i
i=0
D0D1
D2D3Rf
LSBMSB
I∑
Auo
S0S1S2S3
3、特点
2R2R2R
DRCR
2R2R
I
BRA
Vref
①模拟开关在虚地和地之间转换,不论开关状态如何变化,各支路的电路始终不变,
因此不需要电流建立时间;
②各支路电流直接流入运放的输入端,不存在传输时间差因而提高了转换速度,并减少了动态过程中输出电压的尖峰脉冲;
常用的CMOS开关倒T形电阻网络DAC有:
AD7520(10位);DAC1210(10位);
AK7546(16位高精度)。
9.1.4权电流型DAC
尽管倒T形电阻网络DAC有较高的转换速度,然而“电路中存在模拟电子开关电压降、各支路电流的稍微变化”都将产生转换误差。
用一组恒流源替代倒T形网络,且使恒流源从高位到低位电流的大小一次递减1。
2
1、电路组成
以四位权电流型DAC为例,电路图如下图所示:
LSBD0
D1D2
Rf
D3MSB
I∑
S0S1S2
11
II
168
S3
11
II
42
Auo
−Vref
图中:
Si
是模拟电子开关,且当Di=1时Si
接至运放反相端,当Di=0
时Si
接至运放同相端,Di
是待转换的二进制代码;
A构成求和电路;
Vref是基准电压源。
2、工作原理
LSD0
Rf
D1D2D3MS
I∑
S0S1S2
11
II
168
II
S3
11
II
42
I
Auo
−Vref
I
uo=RfI∑
=Rf(⋅D3
+⋅D2
+⋅D1+⋅D0
2
I
=R
24f
4
3
(23⋅D
8
2
+22⋅D
16
1
+21⋅D
0
+20⋅D)
说明:
采用恒流源后,各支路的权电流大小不再受“开关导通电阻、导通
压降”的影响,降低了对开关电路的要求,且提高了转换精度。
常用单片集成权电流DAC有:
AD1408、DAC0806、DAC0808
9.1.5DAC的主要技术指标
DAC的主要技术指标包括三方面:
①转换精度——分辨率、转换误差(含比例系数误差、失调误差、非线性误差);
②转换速度——建立时间、转换速率;
③温度特性;
1、分辨率表征DAC对输入微小量变化的敏感程度,是模拟输出电压可能被分离的等级数。
可见:
数字量位数越多,输出电压分离的等级数越多,分辨率越高。
n位DAC的分辨率可表示为1,如8位DAC的分辨率为1。
2n−1
255
2、转换误差
影响DAC转换精度的主要因素有:
①各元件参数值误差;
②基准电压不稳定(以上二者会造成比例系数误差);
③运算放大器的零漂(造成失调误差);
(1)比例系数误差——是指实际转换特性曲线的斜率与理想转换特性曲线斜率的偏差。
uo
Vref
实际值
数字量
Δu=(uo理论值-uo实际值)同一输入数字量
一般输入的数字量越大,偏差也越大。
(2)失调误差——由运放零点漂移引起,其大小与输入数字量无关,该误差使输出
特性曲线平移,且这种偏移一般使实际值大于理性值。
uo
Vref
理想线
数字量
(3)非线性误差——一般用在满刻度范围内,偏离理想的转移特性的最大值来表示。
非线性误差没有一定规律,常见原因有:
①各模拟电子开关存在不同的导通时间、电压电阻;
②各模拟电子开关存在不同的截止时间、压降、电阻;
③支路的电阻误差且误差影响各不相同等。
3、转换速度
当DAC输入的数字量发生变化时,输出的模拟量不可能立即达到对应的量值,而需要一段时间。
(1)建立时间——是指输入数字量变化时输出电压变化到相应稳定电压值所需时间。
±1
(一般用DAC输入的数字量NB从全0变为全1时输出电压达到规定的误差范围
时所需要的时间表示,单片DAC的建立时间最短约0.1μs以内)。
LSB
2
(2)转换速率SR——用大信号工作状态下模拟电压的变化率表示。
4、温度系数
——是指在输入不变的情况下输出模拟电压随温度变化产生的变化量。
一般用满刻度输出条件下,温度每升高1℃输出电压变化的百分数作为温度系数。
9.1.6集成DAC及其应用
1、集成DAC的种类按内部电路结构分为两类:
一类是芯片内部只集成解码网络和模拟电子开关,如AC7520(电阻网络)、AD1408(恒流
源网络);一类是集成了组成DAC的全部电路,如DAC0808(恒流源网络)、DAC1210(电阻网络);
2、DAC的输出方式
常用DAC绝大部分是数字电流转换器,输出量是电流,实际应用中尚需要增加输出电路将电流转换成电压。
单极性输出方式双极性输出方式
3、应用
①微机系统的接口;
②数控电流源;
③数字式可编程增益控制电路;(与运放结合,或构成反馈网络、或构成输入网络)
④波形发生器;(与可逆计数器配合,可获得三角波等)
9.2A/D转换器
ADC——是将时间、幅值连续的模拟量转换为时间、幅值离散的数字量的电路。
实现ADC的四过程——取样、保持、量化、编码
9.2.1ADC的组成及分类
1、ADC的四个组成部分
(1)取样与保持取样(采样)——将随时间连续变化的模拟量转换为时间离散的模拟量。
取样定理(香农定理):
设取样信号S(t)的频率为fs
,输入模拟信号
的最高频率分量的频率为fimax,则
fs与fimax
必须满足fs≥2fimax。
保持——将取样的模拟量维持恒定的过程(为后续的量化编码过程提供一个稳定值)。
单片集成取样保持电路有:
双极型工艺的,如AD585、AD684;混合型工艺的,如AD1154、SHC76;等。
(2)量化与编码
①量化(数值量化)——将取样保持电路输出的电压,按某种近似方式归化到与之相应的离散电平的过程。
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。
量化过程中所取最小数量单位称为量化单位,记为“△”。
量化单位是数字信号最低位为1时所对应的模拟量,即△=1LSB。
②量化误差——是指量化过程中,取样电压不能被△整除而带来的误差,用“ε”表示。
量化误差属于原理误差,是无法消除的。
③近似量化方式有:
只舍不入量化方式——最大量化误差为△,即εmax=1LSB;
四舍五入量化方式——最大量化误差为1△,即
2
④编码——量化后的数值用代码表示的过程。
εmax=
1
LSB;
2
2、ADC的分类
按工作原理分:
直接ADC——将模拟信号直接转换为数字信号,如并行比较型ADC、
逐次比较型ADC;
间接ADC——先将模拟信号转换成某一中间电量,然后再将中间电量转换为数字量输出,如双积分型ADC、电压频率转换型ADC。
9.2.2并行比较型ADC
1、电路组成
结构示意图如右图所示。
参考电压源——提供参考电压
Vref
编码优器
D
DQ先
i
电阻分压器、电压比较器——量化过程1C
CP
寄存器、编码器——编码过程
ui
单片集成并行比较型ADC有:
AD9012(TTL工艺、8位)、AD9002(ECL工艺、8位)、AD9020(TTL工艺、10位)。
2、并行ADC的特点
(1)转换是并行的。
转换时间只受比较器、触发器、编码电路延迟时间的限制,转换速度最快。
(2)随着分辨率的提高,元件数目按几何级数增加。
如:
n
位转换器,所用比较器的个数为2n
−1,位数越多,电路越复杂。
为了克服提高
分辨率与增加元件数的矛盾,可采取分级并行转换(即先进行高位转换又名粗转换,再进行
低位转换又名精转换)的方式。
9.2.3逐次比较型ADC
1、转换原理类似天平称重。
将输入模拟信号与不同的参考电压多次比较,使得转换的数字量在数值
上逐次逼近输入模拟量对应值。
2、电路组成电压比较器——输入模拟量与转换的模拟量相比较;
控制逻辑电路——在转换启动脉冲的作用下,使移位寄存器的MSB为1,其余位置0;数据寄存器
移位寄存器
DAC——将数据寄存器的数字量转换为模拟量,作为输入模拟量的比较量。
3、特点
逐次比较型ADC完成一次转换所需时间与其位数、时钟脉冲频率有关。
位数越少,时钟脉冲频率越高,转换所需时间越短。
常用集成逐次比较型ADC有:
ADC0808/0809系列(8位);AD575(10位);AD574A(12位)。
9.2.4双积分型ADC
1、基本原理对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分,将输入电压平均值变换成与之成
正比的时间间隔,然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔,进而得到相应的数字量。
由于是对输入电压的平均值进行变换,因而具有很强的抗工频干扰能力。
2、电路组成
积分器——是转换器的核心部分,实现不同时的极性相反的输入电压与参考电压的两次积分。
过零比较器——用于确定积分器输出电压过零的时刻。
计数器、定时器——把与输入电压平均值成正比的时间间隔转换成数字信号输出。
时钟脉冲控制门——时钟脉冲源标准周期TC
,作为测量时间间隔的标准时间。
3、特点
(1)具有很强的抗工频干扰能力;对称干扰——是指整个周期内平均值为0的干扰。
通常选定采样时间(即第一次积分时间或输入信号的积分时间)总是等于工频周期的倍数,即20ms、40ms。
(2)速度较慢;常用集成双积分型ADC有:
ADC_EK8B(8位、二进制码)
ADC_EK10B(10位、二进制码)
3
MC14433(
1
位、BCD码)
2
9.2.5ADC的主要技术指标
ADC的主要技术指标:
①转换精度,包含分辨率、转换误差;
②转换速度,即转换时间;
1、分辨率
表征ADC对输入信号的分辨能力,以输出二进制数的位数表示。
是模拟输入电压可以被分离的等级数。
2n
n位ADC能区分2n个不同等级的输入模拟电压,且区分输入电压的最小值是满量程输入的1。
1
n位ADC的分辨率可表示为。
2n
可见:
在最大输入电压一定时,输出位数越多,量化单位越小,分辨率越高。
5
如:
最大输入电压为5V,8位ADC的分辨率为8≈0.01953V,即19.53mV。
2
2、转换误差
以输出误差的最大值形式来给出,常用最低有效位的倍数表示。
它表示ADC实际输出的数字量和理论上输出数字量之间的差别。
3、转换时间
——是指ADC从转换控制信号到来开始,到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的时间。
并行比较型ADC的转换速度最高,逐次比较型ADC次之,间接型ADC最慢。
结束
结束
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