数电课件:11 D-A与A-D转换.ppt
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- 数电课件:11 D-A与A-D转换 课件 11 转换
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1、Digital Electronics Technology11:33:27第十一章第十一章 数数-模(模(D/A)和模)和模-数(数(A/D)转换)转换Digital Electronics Technology11:33:27555定时器能实现几种脉冲产生功能?电容在脉冲电路中扮演怎样的角色?Digital Electronics Technology11:33:2711.1 概述概述Digital Electronics Technology11:33:27一、用途及要求一、用途及要求传感器放大器A/D转换转换微型计算机微型计算机控制对象D/A转换转换温度时间电加热炉热电偶执行机构11.
2、1 概述概述Digital Electronics Technology11:33:2811.1 概述概述1. 模模-数转换数转换n定义:模拟信号到数字信号的转换称为模定义:模拟信号到数字信号的转换称为模-数转换,或数转换,或称为称为A/D(Analog to Digital)。)。n把实现把实现A/D转换的电路称为转换的电路称为A/D转换器(转换器(Analog Digital Converter ADC)。)。2. 数数-模转换模转换n定义:数字信号到模拟信号转换称为数定义:数字信号到模拟信号转换称为数模转换,或模转换,或称为称为D/A( Digital to Analog )n把实现把实
3、现D/A转换的电路称为转换的电路称为D/A转换器(转换器( Digital Analog Converter DAC)。)。Digital Electronics Technology11:33:28D/AD/A转换基本原理转换基本原理 数数/ /模转换就是将数字量转换成与它成正模转换就是将数字量转换成与它成正比的模拟量。比的模拟量。 数字量:数字量:(D(D3 3D D2 2D D1 1D D0 0) )2 2(D(D3 32 23 3D D2 22 22 2D D1 12 21 1D D0 02 20 0) )1010 (1101) (1101) 2 2 (1 (12 23 31 12 2
4、2 20 02 21 11 12 20 0) )1010 模拟量:模拟量:u uo oK(DK(D3 32 23 3D D2 22 22 2D D1 12 21 1D D0 02 20 0) )1010u uo oK(1K(12 23 31 12 22 20 02 21 11 12 20 0) )10 10 (K (K为比例系数为比例系数) )11.1 概述概述Digital Electronics Technology11:33:28 D/A转换器的组成: 数数码码 寄寄存存器器 n n位位模模拟拟开开关关 解解码码 网网络络 求求和和 电电路路 基基准准电电压压 n n位位数数字字量量输输
5、入入 模模拟拟量量 输输出出 DAC的数字数据可以并行输入也可串行输入的数字数据可以并行输入也可串行输入用存放在数用存放在数字寄存器中的字寄存器中的数字量的各位数字量的各位数码数码由输入数字由输入数字量控制量控制产生权电流产生权电流将权电流相将权电流相加产生与输入加产生与输入成正比的模拟成正比的模拟电压电压11.1 概述概述Digital Electronics Technology11:33:29DAC网络网络DAC权电阻权电阻倒梯形电阻网络倒梯形电阻网络DACADC直接直接ADC间接间接ADC权电流型权电流型DAC权电容型权电容型DAC开关树型开关树型DAC输入输入/输输出方式出方式并行并
6、行串行串行11.1 概述概述3. 分类分类Digital Electronics Technology11:33:2911.2.1 11.2.1 权电阻网络权电阻网络D/AD/A转换器转换器一、电路结构和工作原理一、电路结构和工作原理权电阻网络模拟开关求和放大器0000IOIViVVRiAA,且必有当接成深度负反馈时,为理想放大器,即设负反馈放大器:,11.2 D/A转换器转换器MSB:Most significant BitLSB:Least significant BitDigital Electronics Technology11:33:30权电阻网络模拟开关求和放大器控制受数字030
7、3ddSS点流向时,时,iiiiIdId100RVIRVIRVIRVIRVIREFREFREFREFiREFi031221302222权电流:11.2 D/A转换器转换器Digital Electronics Technology11:33:30权电阻网络模拟开关求和放大器)()()(001122334031223012322222222ddddVdRVdRVdRVdRVRIIIIRiRVREFREFREFREFREFFFFO输出电压:2RRF11.2 D/A转换器转换器Digital Electronics Technology11:33:30当当D=dn-1d0=0时时, Vo =0 RE
8、FnnomoVVV212 因而因而uo 的变化范围是:的变化范围是: REFnnV2120 当当D=dn-1d0=111时,时, 最大输出电压最大输出电压:11.2 D/A转换器转换器优缺点:优缺点:1. 优点:简单优点:简单2. 缺点:电阻值缺点:电阻值相差大,难于相差大,难于保证精度,且保证精度,且大电阻不宜于大电阻不宜于集成在集成在IC内部内部)2222(2001122334ddddVVREFO输出电压:Digital Electronics Technology11:33:3111.2 D/A转换器转换器 双级权电阻网络双级权电阻网络D/A转换器转换器根据叠加定理可证明当根据叠加定理可
9、证明当R Rs s=8R=8R时时)22222222(200112233445566778ddddddddViRVREFFO输出电压:Digital Electronics Technology11:33:3111.2 D/A转换器转换器根据叠加定理可证明该电路的输出电压与输入信号之间的函根据叠加定理可证明该电路的输出电压与输入信号之间的函数关系式数关系式. .证明的方法如下:证明的方法如下: 设用设用R R0 0表示表示4R4R,2R2R,R R三个电阻并联的总电阻,根据电阻并三个电阻并联的总电阻,根据电阻并联的公式可得联的公式可得根据虚地的概念可得,开关根据虚地的概念可得,开关d d0 0
10、接通时,流过接通时,流过8R8R电阻上的电电阻上的电流流I I0 0为为: : Digital Electronics Technology11:33:3111.2 D/A转换器转换器同理可得,开关同理可得,开关d d1 1接通时,流过接通时,流过8R8R电阻上的电流电阻上的电流I I1 1为为 开关开关d d2 2接通时,流过接通时,流过8R8R电阻上的电流电阻上的电流I I2 2为为 开关开关d d3 3接通时,流过接通时,流过8R8R电阻上的电流电阻上的电流I I3 3为为 Digital Electronics Technology11:33:3111.2 D/A转换器转换器 根据叠加
11、定理可得根据叠加定理可得Digital Electronics Technology11:33:32Di=1,Si将电阻接到运放反向输入端将电阻接到运放反向输入端Di=0,Si将电阻接到运放同向输入端将电阻接到运放同向输入端都是虚地,各支路都是虚地,各支路电流不会变化电流不会变化11.2 D/A转换器转换器2. 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器 I 流入流入2R支路支路的电流是依的电流是依2的倍速递减。的倍速递减。Digital Electronics Technology11:33:3211.2 D/A转换器转换器2. 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器 等效电路等效电
12、路Digital Electronics Technology11:33:33 1000112211011221122)2222(22222niiinnnnnnnnnnDIDDDDIIDIDIDIDI流入运算放大器的电流为:流入运算放大器的电流为: 11.2 D/A转换器转换器运算放大器的输出电压为:运算放大器的输出电压为: 1022niiinFFDIRRIUDigital Electronics Technology11:33:33 若若RF=R,并将,并将I=UR/R代入上式,代入上式, 则有则有 DUDUUnRniiinR22210可见,输出模拟电压正比于数字量的输入。可见,输出模拟电压
13、正比于数字量的输入。 11.2 D/A转换器转换器Digital Electronics Technology11:33:3311.2 D/A转换器转换器集成集成 CB7520CB7520(AD7520AD7520)的电路原理图的电路原理图Digital Electronics Technology11:33:34关于关于D/A转换器精度的讨论转换器精度的讨论(1)基准电压稳定性好;基准电压稳定性好;(2) 倒倒T形电阻网络中形电阻网络中R和和2R电阻比值的精度要高;电阻比值的精度要高;(3)为实现电流从高位到低位按为实现电流从高位到低位按2的整数倍递减,模拟开关的整数倍递减,模拟开关的导通电
14、阻也相应地按的导通电阻也相应地按2的整数倍递增。的整数倍递增。为进一步提高为进一步提高D/A转换器的精度,可采用权电流型转换器的精度,可采用权电流型D/A转换器。转换器。 n 1iREFfOin0(2 )2iVRDR 为提高为提高D/A转换器的精度,对电路参数的要求:转换器的精度,对电路参数的要求: (3) 每个模拟开关的开关电压降要相等每个模拟开关的开关电压降要相等11.2 D/A转换器转换器Digital Electronics Technology11:33:3411.2.3、权电流、权电流型型D/A转换器转换器11.2 D/A转换器转换器解决问题:模拟开关内阻对变换精度的影响解决问题:
15、模拟开关内阻对变换精度的影响)D16ID8ID4ID2I(RRi0123 ffO )2D2D2D2D(R2I001122334 f 30ii42DR2IifDigital Electronics Technology11:33:34 权电流权电流型型D/A转换器中的恒流源转换器中的恒流源11.2 D/A转换器转换器EiBEEEBiRVVVI 只要只要VB和和VEE稳定不变稳定不变, 则三极管集电极电流可保持恒则三极管集电极电流可保持恒定定,不受开关内阻影响。不受开关内阻影响。 在相同的在相同的VB和和VEE下,为了得到一组依次为下,为了得到一组依次为1/2递减的递减的电流源,需要用到一组不同阻
16、值的电阻。电流源,需要用到一组不同阻值的电阻。Digital Electronics Technology11:33:35利用倒利用倒T T型型电阻网络的权电流型电阻网络的权电流型D/A D/A 转换器转换器11.2 D/A转换器转换器)2222(20011223340DDDDRVRvRREFfDigital Electronics Technology11:33:3611.2.4 开关树开关树型型D/A转换器转换器11.2 D/A转换器转换器Digital Electronics Technology11:33:3611.2.5 权电容网络权电容网络D/A转换器转换器11.2 D/A转换器转
17、换器Digital Electronics Technology11:33:37输入为输入为1000时的等效电路时的等效电路11.2 D/A转换器转换器REFtREFVCCdVCCCCCCdv3300123330Digital Electronics Technology11:33:3711.2 D/A转换器转换器同理,可以得到一般表达式同理,可以得到一般表达式)2222(22)2222(001122334400112233001122330ddddVVCddddCVCCdCdCdCdvREFREFxxREFtDigital Electronics Technology11:33:3711.2
18、.6 具有双极性输出的DAC当输入数字量有极性时,希望输出的模拟电压也对应为。一、原理例:输入为3位二进制补码。最高位为符号位,正数为0,负数为1补码输入补码输入对应的对应的十进制十进制要求的要求的输出输出D2 D1 D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4VDigital Electronics Technology11:33:37绝对值输入绝对值输入对应的对应的输出输出偏移后偏移后的输出的输出D2 D1 D0111+7V+3V110+6V+2V101+5V+1V100+4V0V011+3V-1V010+2
19、V-2V001+1V-3V0000V-4V补码输入补码输入对应的对应的十进制十进制要求的要求的输出输出D2 D1 D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4VD/A*将符号位反相后接至高位输入*将输出偏移使输入为100时,输出为01Digital Electronics Technology11:33:38二、电路实现VVVVVVVVddddddVVVOOOOOREF410071111001000022228810120011223则则)(.*将符号位反相后接至高位输入*将输出偏移使输入为100时,输出为0即可
20、只需令时,输入时,使输入偏移RVIRViIRVIiVVREFBBBREFO2222100010042,.Digital Electronics Technology11:33:381.1.分辨率分辨率 分辨率是指输出电压的最小变化量与满量程输出电压之分辨率是指输出电压的最小变化量与满量程输出电压之比。比。 输出电压的最小变化量就是对应于输入数字量最低位为输出电压的最小变化量就是对应于输入数字量最低位为1 1,其余各位均为其余各位均为0 0时的输出电压。时的输出电压。 满量程输出电压就是对应于输入数字量全部为满量程输出电压就是对应于输入数字量全部为1 1时的输出时的输出电压。电压。 对于对于n
21、n位位D/AD/A转换器,分辨率可表示为:转换器,分辨率可表示为: 分辨率分辨率 121n 位数越多,能够分辨的最小输出电压变化量就越小,分位数越多,能够分辨的最小输出电压变化量就越小,分辨率就越高。也可用位数辨率就越高。也可用位数n n来表示分辨率。来表示分辨率。11.2.7 D/A转换器转换器的的转换转换精度与转换速度精度与转换速度11.2 D/A转换器转换器Digital Electronics Technology11:33:382. 2. 转换速度转换速度 D/A D/A转换器从输入数字量到转换成稳定的模拟输出电压转换器从输入数字量到转换成稳定的模拟输出电压所需要的时间称为转换速度。
22、所需要的时间称为转换速度。 不同的不同的DACDAC其转换速度也是不相同的,一般约在几微秒其转换速度也是不相同的,一般约在几微秒到几十微秒的范围内。到几十微秒的范围内。 带运放的目前最快的是带运放的目前最快的是1.51.5微妙。不带运放的最快的是微妙。不带运放的最快的是0.10.1微妙。微妙。11.2.7 D/A转换器转换器的的转换转换精度与转换速度精度与转换速度11.2 D/A转换器转换器Digital Electronics Technology11:33:38D/A转换器转换器的建立时间的建立时间11.2 D/A转换器转换器Digital Electronics Technology11
23、:33:39 转换精度是指电路实际输出的模拟电压值和理论输出的转换精度是指电路实际输出的模拟电压值和理论输出的模拟电压值之差。通常用最大误差与满量程输出电压之比的模拟电压值之差。通常用最大误差与满量程输出电压之比的百分数表示。通常要求百分数表示。通常要求D/AD/A转换器的误差小于转换器的误差小于U ULSBLSB/2/2。 例如,某例如,某D/AD/A转换器满量程输出电压为转换器满量程输出电压为10V10V,如果误差为,如果误差为1%1%,就意味着输出电压的最大误差为,就意味着输出电压的最大误差为0.1V0.1V。百分数越小,。百分数越小,精度越高。精度越高。 转换精度是一个综合指标,包括零
24、点误差、增益误差等,转换精度是一个综合指标,包括零点误差、增益误差等,它不仅与它不仅与D/AD/A转换器中元件参数的精度有关,而且还与环境转换器中元件参数的精度有关,而且还与环境温度、集成运放的温度漂移以及温度、集成运放的温度漂移以及D/AD/A转换器的位数有关。转换器的位数有关。11.2 D/A转换器转换器Digital Electronics Technology11:33:3911.2 D/A转换器转换器例:在如图所示的倒例:在如图所示的倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器中,外接参考电压为转换器中,外接参考电压为-10V,为保证为保证VREF偏离标准值所引起的误差小于偏离标准值所引起的
25、误差小于1/2 LSB,计算,计算VREF相对稳定度相对稳定度应取多少?应取多少?解:首先计算出对应于解:首先计算出对应于1/2 LSB输入的输出电压,输入的输出电压,Digital Electronics Technology11:33:3911.2 D/A转换器转换器nREFnnnREFVDDDVv2)222(20011110 故故1/2 LSB输入的输出电压绝对值输入的输出电压绝对值12221nREFnREFVV再来计算由于再来计算由于VREF变化变化DVREF引起的输出变化引起的输出变化Dv0)222(20011110 DDDVvnnnREF而且在输入数字量最大时而且在输入数字量最大时
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