数模和模数转换器.ppt
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1、第九章 数模和模数转换器,9.1 概述 9.2 数模转换器 9.3 模数转换器,数模转换器(简称D/A转换器或DAC),9.1 概述,能够将数字信号转换成模拟信号的电路。,模数转换器(简称A/D转换器或ADC),能够将模拟信号转换成数字信号的电路。,ADC和DAC是沟通模拟电路和数字电路的桥梁,也可称之为两者之间的接口,在各种系统中应用很广。,一、D/A转换器的基本工作原理,D/A转换器实质上是一个译码器(解码器),将输入的二进制数字量转换成模拟量,并以电压或电流的形式输出。,9.2 D/A转换器,将输入的每一位二进制代码按其权值大小转换成相应的模拟量,然后将代表各位的模拟量相加,则所得的总模
2、拟量就与数字量成正比,这样便实现了从数字量到模拟量的转换。,1、数/模转换方法:,DAC的输出特性:,DAC输出模拟量的大小与输入数字量大小成正比:,两个相邻数码转换出的电压值之间的差值,是信息所能分辨的最小量(1 LSB);最大输入数字量对应的输出电压值(绝对值)用FSR表示。,2、D/A转换器的一般构成,D/A转换器一般由数码缓冲寄存器、模拟电子开关、参考电压、解码网络和求和电路等组成。,数字量以串行或并行方式输入,并存储在数码缓冲寄存器中;寄存器的输出驱动对应数位上的电子开关,将在解码网络中获得的相应数位的权值送入求和电路;求和电路将各位权值相加,便得到与数字量对应的模拟量。,按解码网络
3、的结构不同,有权电阻网络DAC、倒T型电阻网络DAC、权电流型DAC等。,二、权电阻网络D/A转换器,“权电阻”:,电阻值的大小与对应数字量的权重密切相关。,di=1 时,,Si 接VREF;,di=0 时,,Si 接地。,“电子开关”:,1、电路构成,权电阻,双向模拟开关,求和电路,运放组成反相求和电路实现各支路电流相加并转换成电压输出。,“求和电路”:,二、权电阻网络D/A转换器,2、工作原理,运放工作在线性区,,虚地,,U-=0。,若di=0,,Si接地,,Ii=0,若di=1,,Si接VREF,,I0=,VREF,8R,I=I3+I2+I1+I0,输入的数字量,二、权电阻网络D/A转换
4、器,2、工作原理,对于n位的DAC,输出电压的计算式为:,3、电路特点:,(1)结构简单;,(2)电阻的阻值相差较大,在位数多时,很难保证精度。,输出电压的范围:,单位电压,极性与参考电压相反。,三、倒T型电阻网络D/A转换器,1、电路构成,解码电路中,电阻只有R和2R两种,并构成倒T型电阻网络。当di=1时,相应的开关Si接到求和点;当di=0时,相应的开关Si接地。但由于虚短,求和点和地相连,所以不论开关如何转向,电阻2R总是与地相连。流经2R电阻上的支路电流与开关状态无关。,求和点,虚地,2、工作原理,求和点,虚地,从每个节点向左看,等效电阻均为2R;整个网络的等效输入电阻为R。,流入求
5、和点的各支路电流为:,流入求和点的电流为:,运算放大器的输出电压为:,即输出的模拟电压uO正比于输入的数字量NB,从而实现了从数字量到模拟量的转换。,应用:它是目前集成D/A转换器中转换速度较高且使用 较多的一种,如8位D/A转换器DAC0832,就是采用倒 T型电阻网络。,3、倒T型电阻网络DAC的特点:优点:电阻种类少,只有R和2R,提高了制造精度;而且支路电流同时流入求和点,不存在时间差,因而提 高了转换速度。,四、权电流型D/A 转换器,各支路恒流源的大小与对应数字量的权重成正比。,若Di=0,,Si接地,,Ii不能加到运放输入端,若Di=1,,Si将对应的恒流源加到运放输入端,对于n
6、位的DAC:,五、D/A 转换器的主要技术指标,DAC的主要技术指标有:转换精度、转换速度。,1、分辨率,分辨率用于表征D/A转换器对输入微小量变化的敏感程度。,定义为D/A转换器的模拟输出电压可能被分离的等级数。,n位DAC有2n个不同的模拟量输出值,即分辨率为2n,,实际中通常用输入数字量的有效位数表示DAC的分辨率,,显然位数越多,分辨率越高。,如10位、8位等。,另外也用DAC的最小非零输出电压与最大输出电压之比来表示分辨率:,分辨率,DAC的转换精度通常用分辨率、转换误差来描述。,2、转换误差,用最低有效位的倍数表示。,如:某个DAC的转换误差为1/2LSB,,表示输出模拟电压与理论
7、值之间的绝对误差小于等于输入数字代码为001时输出电压的一半。,用输出电压满刻度的百分数表示。,(1)造成转换误差的主要原因:,参考电压 VREF的波动 比例系数误差,运算放大器的零点漂移 失调误差,模拟开关的导通内阻和导通电压,电阻网络中的电阻值偏差等,转换误差指输出模拟电压的实际值与理想值之差的最大值。,非线性误差,(2)转换误差的表示方法:,如:1(FSR),建立时间 tSet:,输入由全0变为全1,输出电压与稳态值相差(LSB/2)所需的时间。,一般DAC的tset 0.1s。,这个参数的值越小越好,,3、转换速度,当DAC输入的数字量发生变化时,输出的模拟量需要延迟一段时间后才能达到
8、对应的稳态值,如图示。,转换速率:,在大信号工作状态下,模拟输出电压的最大变化率。,1.DAC0832结构框图,它由一个8位输入寄存器、一个8位DAC寄存器和一个8位D/A转换器三大部分组成,D/A转换器采用了倒T型电阻解码网络。,六、集成DAC0832,数字信号输入,输入锁存允许信号,片选信号,写信号1,写信号2,通道控制信号,基准电压,模拟输出电流1,模拟输出电流2,反馈电阻引出端,模拟地,数字地,电源(515V),(-10+10V),(接运放的反相端),(接运放的同相端),(采用CMOS工艺制成的双列直插式8位D/A转换器),2.DAC0832使用说明,当ILE、CS和WR1同时有效时,
9、输入数据DI7DI0进入输入寄存器;并在WR1的上升沿实现数据锁存。当WR2和XFER同时有效时,输入寄存器的数据进入DAC寄存器;并在WR2的上升沿实现数据锁存。八位D/A转换电路随时将DAC寄存器的数据转换为模拟信号(IOUT1+IOUT2)输出。DAC0832 的有双缓冲器型、单缓冲器型两种工作方式。,(2)单缓冲方式:适于单个ADC工作。寄存器2作数据通道,此时只需一次写操作,就开始转换。,(1)双缓冲方式:输入数据先存放在寄存器1,输出的模拟值由寄存器2的数据决定;当数据由寄存器1转存到寄存器2后,寄存器1可以接收新的数据而不影响输出。便于多路DAC同时工作。,DAC0832采用单缓
10、冲器方式工作,小 结,能够将数字信号转换为模拟信号的电路称为D/A转换器(DAC),DAC的电路结构形式主要有权电阻型、倒T型电阻网络及权 电流型,目前TTL产品多为权电流型(精度高、速度快),CMOS产品多采用倒T型电阻网络(功耗低)。,DAC的模拟输出电压与输入的二进制数成正比,其通式为:,DAC的主要技术为转换精度和转化速度,转换精度用分辨率和转换误差表示;,转换速度用建立时间和转换速率表示。,【例1】已知某8位D/A转换器的输入为11010001时,输出VO=2.09V,求输入为00111100时的输出电压值。,解:DAC的模拟输出电压的通式为:,9.3 模/数 转换器(ADC),二、
11、并联比较型ADC,三、逐次渐近型ADC,五、A/D 转换器的主要技术指标,一、A/D转换原理,四、双积分型ADC,六、集成ADC0809,因为输入的模拟量在时间上是连续的,,一、A/D转换原理,在A/D转换中,,而输出的数字信号是离 散量,,系列选定的瞬间对输入的模拟信号采样,,值转换为输出的数字量。,A/D 转换过程包括四个步骤:,所以进行转换时只能在一,然后再把这些采样,将取样得到的电压转换为相应的数字量需要一定的时间,,所以取样后必须把取样电压保持一段时间,以保证完成A/D转换。,1.取样和保持,取样(也称采样)是将时间上连续变化的信号,转换为时间上离散的信号,即将时间上连续变化的模拟量
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