数电教材第11章数模和模数转换课件.ppt
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- 教材 11 数模 转换 课件
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1、第十一章第十一章 数模和模数转换数模和模数转换内容提要内容提要:本章主要介绍数模转换(本章主要介绍数模转换(D/A)和模数转换和模数转换(A/D)的基本原理和常见的典型电路。的基本原理和常见的典型电路。在数模转换电路中,主要介绍权电阻网络型数在数模转换电路中,主要介绍权电阻网络型数模转换器、倒梯形电阻网络型数模转换器,另外模转换器、倒梯形电阻网络型数模转换器,另外也介绍了权电流型数模转换器、开关树型数模转也介绍了权电流型数模转换器、开关树型数模转换器以及权电容型网络型数模转换器。换器以及权电容型网络型数模转换器。在模数转换电路中,首先介绍模数转换器一在模数转换电路中,首先介绍模数转换器一般框图
2、原理和步骤,然后介绍采样保持电路和模般框图原理和步骤,然后介绍采样保持电路和模数转换器的主要类型。数转换器的主要类型。在介绍数模转换器和模数转换器电路的基础在介绍数模转换器和模数转换器电路的基础上,也讲述它们的转换精度和速度等主要参数。上,也讲述它们的转换精度和速度等主要参数。11.1 概述概述 在计算机控制系统中,被控量一般为非电量,如在计算机控制系统中,被控量一般为非电量,如温度、压力、位移等,首先由传感器将它们转化成连温度、压力、位移等,首先由传感器将它们转化成连续变化的模拟量,再由模续变化的模拟量,再由模/数转换器转换成数字量,送数转换器转换成数字量,送到计算机中进行处理和计算。处理后
3、要经过数到计算机中进行处理和计算。处理后要经过数/模转换模转换器将计算机输出的数字量转换成模拟量,加到执行机器将计算机输出的数字量转换成模拟量,加到执行机构,以调节被控对象的大小。构,以调节被控对象的大小。一个计算机控制系统的框图如图一个计算机控制系统的框图如图11.1.1所示。所示。1.用途:用途:11.1 概述概述图图11.1.2为一个温度控制系统:为一个温度控制系统:传感器传感器放大器放大器A/DA/D转换转换微型计算机微型计算机控制控制对象对象D/A转换转换电加热炉电加热炉热电偶热电偶执行机构执行机构图图11.1.2温度温度时间时间2、主要性能指标、主要性能指标 为了保证数据处理结果的
4、准确性,为了保证数据处理结果的准确性,A/D转换器和转换器和D/A转换器必须有足够的转换精度,另外对于过程控转换器必须有足够的转换精度,另外对于过程控制和检测需求,制和检测需求,A/D转换器和转换器和D/A转换器必须有足够转换器必须有足够的转换速度。故的转换速度。故转换精度和转换速度转换精度和转换速度是是A/D转换器和转换器和D/A转换器的主要性能指标。转换器的主要性能指标。11.1 概述概述3、概念及分类、概念及分类(1)D/A转换器:转换器:目前常用的目前常用的D/A转换器有权电阻网络转换器有权电阻网络D/A转换器、倒转换器、倒梯形电阻网络梯形电阻网络D/A转换器、权电流型转换器、权电流型
5、D/A转换器、权电转换器、权电容型容型D/A转换器以及开关树型转换器以及开关树型D/A转换器等几种类型。转换器等几种类型。将数字信号转换成模拟信号的过程称为数将数字信号转换成模拟信号的过程称为数/模转换模转换(Digital to Analog),实现的电路称为),实现的电路称为D/A转换器,转换器,简写成简写成DAC(DigitalAnalog Converter)。)。2.A/D转换器:转换器:A/D转换器的类型可分成直接转换器的类型可分成直接A/D转换器和间接转换器和间接A/D转换器。在直接转换器。在直接A/D转换器中,输入的模拟电压信号直转换器中,输入的模拟电压信号直接被转换成相应的数
6、字信号;而在间接接被转换成相应的数字信号;而在间接A/D转换器中,转换器中,输入的模拟信号首先被转换成某种中间变量(如时间、输入的模拟信号首先被转换成某种中间变量(如时间、频率等),然后再将这个中间量转换成输出的数字量。频率等),然后再将这个中间量转换成输出的数字量。11.1 概述概述 将模拟信号转换成数字信号的过程称为模将模拟信号转换成数字信号的过程称为模/数转换数转换(Analog to Digital),实现的电路称为),实现的电路称为A/D转换器,转换器,简写为简写为ADC(AnalogDigital Converter)。)。注:根据数字量的输入输出方式可以将注:根据数字量的输入输出
7、方式可以将D/A转换器分成转换器分成并行输入和串行输入两种类型,将并行输入和串行输入两种类型,将A/D转换器分成并行转换器分成并行输出和串行输出两种类型。输出和串行输出两种类型。由于由于D/A转换器电路的工作转换器电路的工作原理较原理较A/D转换器简单,且是转换器简单,且是A/D转换器电路的组成部转换器电路的组成部分,故先介绍分,故先介绍D/A转换器。转换器。11.2 D/A转换器转换器 数字量是用代码按位数组合起来表示的,对于有数字量是用代码按位数组合起来表示的,对于有权码,每位代码都有一定的权。为了将数字量转换成权码,每位代码都有一定的权。为了将数字量转换成模拟量,必须将每一位的代码按其权
8、的大小转换成相模拟量,必须将每一位的代码按其权的大小转换成相应的模拟量,然后相加,即可得与数字量成正比的总应的模拟量,然后相加,即可得与数字量成正比的总模拟量,从而实现数字模拟的转换。模拟量,从而实现数字模拟的转换。D111101D/AA(电压 或 电流)?D/A转换器的目的为:转换器的目的为:图图11.2.1为为n 位位D/A转换器的原理框图转换器的原理框图11.2 D/A转换器转换器 D/A转换器是由数码寄存器、模拟电子开关电路、转换器是由数码寄存器、模拟电子开关电路、解码电路、求和电路及基准电压及部分组成。解码电路、求和电路及基准电压及部分组成。数字量是以串行或并行方式输入并存储在数码寄
9、数字量是以串行或并行方式输入并存储在数码寄存器中,寄存器输出的每位数码驱动对应数位上的电存器中,寄存器输出的每位数码驱动对应数位上的电子开关将电阻解码网络中获得的相应数位权值送入求子开关将电阻解码网络中获得的相应数位权值送入求和电路中,求和电路将各位权值相加就得到与数字量和电路中,求和电路将各位权值相加就得到与数字量相应的模拟量。相应的模拟量。*按解码网络结构不同把按解码网络结构不同把D/A分为:分为:如权电阻网络型、倒梯形电阻网络型、权电流型、权如权电阻网络型、倒梯形电阻网络型、权电流型、权电容型以及开关树型。电容型以及开关树型。*按模拟开关电路的不同把按模拟开关电路的不同把D/A分为:分为
10、:CMOS开关型和双极型开关型,其中双极型开关开关型和双极型开关型,其中双极型开关D/A转换器又分为电流开关型和转换器又分为电流开关型和ECL电流开关型。其中电流开关型。其中CMOS型功耗低,但速度慢。双极型的转换速度快。型功耗低,但速度慢。双极型的转换速度快。11.2 D/A转换器转换器11.2.1 权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器一个多位二进制数可表示为一个多位二进制数可表示为0011221101212222ddddddddDnnnnnnn其中:其中:2n-1、2n221、20称为最高位(称为最高位(Most Significant Bit,简称,简称MSB)到最低位()到最低位(L
11、east Significant Bit,简称,简称LSB)的权。)的权。图图11.2.2图图11.2.2是是4位权电阻网络位权电阻网络D/A转换器的原理图,它转换器的原理图,它是由权电阻网络、是由权电阻网络、4个电子模拟开关和个电子模拟开关和1个求和放大器个求和放大器组成。组成。权电阻网络模拟开关求和放大器11.2.1 权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器1.组成:组成:11.2.1 权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器(1)S3S0:为电子开为电子开关,其状态受输入数关,其状态受输入数码码d3d0的取值控制。的取值控制。当当di1时开关接到参时开关接到参考电压考电压VREF上,有支上,
12、有支路电流路电流Ii流向求和放流向求和放大器;当大器;当di0时开关时开关接地,支路电流接地,支路电流Ii为为零。零。RVIRVIRVIRVIRVIREFREFREFREFiREFi031221302222权电流:(2)求和放大器)求和放大器A:为一个接成负反馈为一个接成负反馈的理想运算放大器。的理想运算放大器。即:即:AV,iI0,Ro0。由于负反馈,。由于负反馈,存在虚短和虚断,存在虚短和虚断,即即VV0,iI0。(3)VREF:基准电压:基准电压11.2.1 权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器2.输出电压的计算:输出电压的计算:)(01230IIIIRIRvFF由于由于V V0,故各
13、电流为故各电流为001122338,42,dRVIdRVIdRVIdRVIREFREFREFREF,输出电压为输出电压为11.2.1 权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器取取RFR/2,则输出,则输出电压为电压为)2222(2)222()(0011223340312230123ddddVdRVdRVdRVdRVRIIIIRiRvREFREFREFREFREFFFFo11.2.1 权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器2RRF上式标明,输出的模拟电压与输入的数字量上式标明,输出的模拟电压与输入的数字量Dn成正比。成正比。的最大变化范围是故输出电压时,当时,当REFnnREFnnVVvv2120
14、,2121111D;00000D0n0n 注:注:1.若若VREF取正值,则输出电压为负值。若想输出取正值,则输出电压为负值。若想输出电压为正值,可以将电压为正值,可以将VREF取负值。取负值。11.2.1 权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器)2222(2001122334ddddVvREFo2.此电路的优点是电路结构简单,所用的电阻元件少。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。越多,差别就越大,故很难保证电阻的精确度。为了克服这个缺点,在输入数字量
15、较多时可采用图为了克服这个缺点,在输入数字量较多时可采用图11.2.3所示的电路。所示的电路。11.2.1 权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器其输出电压为其输出电压为nREFREFDVddddddddVv80011223344556677802)22222222(211.2.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器 为了克服权电阻网络为了克服权电阻网络D/A转换器电阻阻值相差太转换器电阻阻值相差太大的缺点,改进电路为倒大的缺点,改进电路为倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器,如转换器,如图图11.2.4所示。所示。图图11.2.411.2.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器
16、转换器根据根据“虚短虚短”“”“虚虚地地”,有,有VV,无论开关打在哪一无论开关打在哪一面,流过每个支路面,流过每个支路的电流始终不变。的电流始终不变。故可等效成图故可等效成图11.2.5所示电路。所示电路。RRRR图图11.2.5总的电流为总的电流为RRRR图图11.2.511.2.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器)()()()(16842010123IdIdIdIdiIdiIdiiii流入地端时,流入时,RVIREF由于由于故输出电压为故输出电压为DVddddRVRRiVREFREFO40011223342)2222(21)16()8()4()2(0123IdIdIdIdi
17、11.2.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器RVIREF 对于对于n位输入的倒位输入的倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器,在求转换器,在求和放大器的反馈电阻为和放大器的反馈电阻为R时,其输出的模拟电压为时,其输出的模拟电压为nnREFnnnnnREFoDVddddVv2)2222(200112211 上式说明输出的模拟电压与输入的数字量成正比,其上式说明输出的模拟电压与输入的数字量成正比,其其输出公式与权电阻网络其输出公式与权电阻网络D/A转换器相同。转换器相同。11.2.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器REFnnOnnVVD2120120,范围为为“正”取“负
18、”则得OREFVV图图11.2.6为采用倒为采用倒T型电阻网络的单片集成型电阻网络的单片集成D/A转换器转换器CB7520(AD7520)的电路。的电路。11.2.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器图图11.2.6其输入为其输入为10位二进制数,采用位二进制数,采用CMOS电路构成的模拟电路构成的模拟开关。开关。输出电压为输出电压为11.2.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器图图11.2.61000118899102)2222(2DVddddVvnREFREFo 注:在使用注:在使用CB7520时需要外接运算放大器,反馈电阻时需要外接运算放大器,反馈电阻可以采用内部
19、的电阻可以采用内部的电阻R,也可以外接反馈电阻接到,也可以外接反馈电阻接到Iout1和和vo之间。外接参考电压之间。外接参考电压VREF必须有足够的精度,才能必须有足够的精度,才能确保应有的转换精度。确保应有的转换精度。图图11.2.611.2.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器CB7520(AD7520)的应用:的应用:CB7520(AD7520)可用作单可用作单极性电压输出,其连接电路如图极性电压输出,其连接电路如图11.2.7所示。所示。11.2.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器反相输入的电压反相输入的电压输出为输出为1010102DVRRRvREFW11.
20、2.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器同相输入的电压输同相输入的电压输出为:出为:10101102)1(DVRRvREFW11.2.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器对应的输出输入的关系如表对应的输出输入的关系如表11-1所示(反相)所示(反相)11.2.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器注:注:在图在图11.2.7电路中,电路中,RW1可调节反馈电阻的阻值,可调节反馈电阻的阻值,使得运算放大器的放大比例系数增加,从而达到提高满使得运算放大器的放大比例系数增加,从而达到提高满量程输出电压的目的;量程输出电压的目的;11.2.2 倒倒T形电阻网络形电阻网
21、络D/A转换器转换器*RW2起到减小满量程的目的,因为它是和内部电阻网起到减小满量程的目的,因为它是和内部电阻网络的等效电阻串联,从而改变电流络的等效电阻串联,从而改变电流I;11.2.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器*RW3是运算放大器的调零电阻。是运算放大器的调零电阻。11.2.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器*在实际应用中,在实际应用中,D/A转换器输转换器输入的数字量可能是正数,也可入的数字量可能是正数,也可能是负数,这就要求能是负数,这就要求D/A转换转换器能将不同极性的数字量转换器能将不同极性的数字量转换成正、负极性的模拟电压,工成正、负极性的模拟电
22、压,工作在双极性方式,这个内容在作在双极性方式,这个内容在下面介绍下面介绍11.2.3 权电流型权电流型D/A转换器转换器 在前面介绍的权电阻网络在前面介绍的权电阻网络D/A转换器和倒转换器和倒T形电阻形电阻网络网络D/A转换器中,都没有考虑开关的导通电阻和导通转换器中,都没有考虑开关的导通电阻和导通压降,而是当成理想开关处理,这无疑会引起转换误压降,而是当成理想开关处理,这无疑会引起转换误差,影响转换精度。差,影响转换精度。解决这个问题采用的一种方法是利用一组恒流源解决这个问题采用的一种方法是利用一组恒流源构成构成“权权”,其原理电路如图,其原理电路如图11.2.8所示。所示。由于采用恒流源
23、,由于采用恒流源,每个支路电流的大小每个支路电流的大小不再受开关内阻合压降不再受开关内阻合压降的影响,故而降低了的影响,故而降低了对开关电路的要求。对开关电路的要求。图图11.2.9是常采用的恒流是常采用的恒流源电路。其电流为:源电路。其电流为:11.2.3 权电流型权电流型D/A转换器转换器EiEEBEBiRVVVI当输入的数字量当输入的数字量为为1时,相应的开时,相应的开关将恒流源接到关将恒流源接到运算放大器的输运算放大器的输入端;当输入的入端;当输入的数字量为数字量为0时,相时,相应的开关将恒流应的开关将恒流源接地源接地)2222(2)16842(0011223340123ddddIRd
24、IdIdIdIRiRvFFFo由图由图11.2.8可得可得11.2.3 权电流型权电流型D/A转换器转换器图图11.2.10为权电流型为权电流型D/A转换器的原理电路转换器的原理电路此电路中利用倒此电路中利用倒T形电阻网络,目的是为了减少电阻形电阻网络,目的是为了减少电阻的种类。的种类。11.2.3 权电流型权电流型D/A转换器转换器11.2.3 权电流型权电流型D/A转换器转换器其中:其中:(1)各个管子的基极接到一起,若各管的各个管子的基极接到一起,若各管的VBE相同,相同,则各发射极处于相同的电位,各支路电流的计算和倒则各发射极处于相同的电位,各支路电流的计算和倒T形电阻网络一样,即流过
25、每个电阻的电流依次减少形电阻网络一样,即流过每个电阻的电流依次减少1/2。为了保证发射结压降相等,发射极电流较大的管子增加为了保证发射结压降相等,发射极电流较大的管子增加了发射结的面积。了发射结的面积。(2)恒流源恒流源IBO用来给各管提供必须的偏置电流用来给各管提供必须的偏置电流11.2.3 权电流型权电流型D/A转换器转换器(3)运算放大器运算放大器A1、三极管、三极管TR、电阻、电阻RR、R构成基准构成基准电流发生电路。其基准电流为电流发生电路。其基准电流为IRVIRREFREF则输出电压为则输出电压为nRREFFRREFFFoDRVRddddRVRddddIRv400112233400
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