数模与模数转换课件.ppt
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1、1第八章第八章 数数/模与模模与模/数转换数转换学习目标学习目标 了解数了解数/模、模模、模/数转换的基本原理数转换的基本原理 了解常见的数了解常见的数/模、模模、模/数转换方案数转换方案2第八章第八章 数数/模与模模与模/数转换数转换 8.1 8.1 数数/模转换模转换 8.1.1 8.1.1 数模转换的基本原理数模转换的基本原理 8.1.2 8.1.2 几种典型的数模转换方案几种典型的数模转换方案 8.1.3 8.1.3 数数/模转换器的主要性能指标模转换器的主要性能指标 8.2 8.2 模模/数转换数转换 8.2.1 8.2.1 模模/数转换的基本原理数转换的基本原理 8.2.2 8.2
2、.2 几种典型的模几种典型的模/数转换方案数转换方案 8.2.3 8.2.3 模模/数转换器的主要性能指标数转换器的主要性能指标38.1 数数/模转换模转换 数/模转换(Digital to Analog Convert)-D/A 模/数转换(Analog to Digital Convert)-A/D A/D、D/A它们是模拟系统与数字系统之间的接口器件,是数模混合器件。A/D转换器,是将输入的模拟信息转换为二进制数码的编码器;D/A转换器,则是由二进制数码转换为模拟信息的译码器。48.1.1 8.1.1 数模转换的基本原理数模转换的基本原理 D/A转换器将数字电路中的数字量转换为模拟量,实
3、现对生产过程等对象的计算机控制。D/A转换器的种类很多,按照转换速度、方式分类:可分为:直接转换或间接转换;并行转换或串行转换;数字/电压转换和数字/轴角转换等。D/A转换器实质上是一种解码器。它同时输入了数字量D和模拟参考量基准电压VREF,输出是模拟量VA。输入/输出间的关系可表示为VA=DVREF 5 这里,D是小于1的二进制数,可表示为 其中,n为数字量的位数,ai为第i位代码,它为1或为0。D/A转换器的输出为 由上式可见,D/A转换器输出电压VA等于各数据位所对应分量的模拟电压之和。各种转换器就是根据这一基本原理设计的。121212222innniiaDaaa121212222in
4、nAREFREFREFREFREFniiaaaaVDVVVVV68.1.2 几种典型的数模转换方案几种典型的数模转换方案 D/A转换器一般由基准电源、电阻解码网络、运算放大器和缓冲寄存器等部件构成。权电阻解码网络D/A转换器 原理图如图8-1所示,是最简单的一种转换器,它由权电阻解码网络和运算放大器组成。权电阻解码网络是实现D/A转换的关键部件。解码网络的每一位由一个权电阻和一个双向模拟开关组成,图中每个开关的左方标出该位的权,如 、。开关右方标出该位的权电阻阻值,如 R、R、。每位的阻值和该位的权值是一一对应的,是按二进制规律排列的,称为权电阻。权电阻的排列顺序和权值的排列顺序相反。随着权值
5、按二进制规律递减,权电阻值按二进制规律递增,以保证流经各位权电阻的电流符合二进制规律。12 22 12227 图图8-1 权电阻解码网络权电阻解码网络D/A转换器电路原理图转换器电路原理图开关由该位的二进制码控制,代码开关由该位的二进制码控制,代码ai为为1时,开关时,开关 Si 上合上合,相应的权电阻接基准电压相应的权电阻接基准电压VREF;代码代码ai为为0时,开关时,开关 Si 下合下合,相应的权电阻接地。相应的权电阻接地。8 运算放大器和电阻解码网络组成比例求和放大电路。因运放同相端接地,所以求和点电位也为地电位,称为虚地点。当某一位(如第K位)的输入代码为l,相应开关Sk合向VREF
6、 时,通过该位权电阻Rk 流向求和点的电流为 ,当某位代码为0时,相应开关合向地,没有电流通过相应权电阻流向求和点。推广到一般情况,如以ai 代表第i位代码,它可为1或为0,则I1i可表示为 权电阻网络流向 求和点的电流I1为各位所对应的分电流之和,即:流过反馈电阻RF的电流为:。因 I30,1REFiiiVIaR1111211112nniREFniiiiaIIIIIVR2 oFVIR12 niFFoREFREFiiaRRVVDVRR1/kREFkIVR9从 I1式可知,流入求和点的电流是由代码为1的那些位提供的。从Vo式可见,转换器的输出电压Vo正比于数字量D,负号表示输出电压的极性与基准电
7、压VR的极性相反,RF为反馈电阻,调整它可以改变输出电压的范围。2T型电阻解码网络D/A转换器 有权电阻和权电流两种类型的T型电阻解码网络D/A转换器,图8-2为权电流型D/A转换器的电路原理图。从图中可见,网络只有R和2R两种电阻,不管从那个开关向运放输入端看去,输入电阻都是R(两个2R电阻并联)。因为运算放大器求和点虚地,无论输入代码ai为0、或为1,电阻网络中各支路的电流是不变的。但是电流向下每经过一个节点就进行一次对等分流,因此网络实际上是一个按 二进制递减规律分流的分流器。VREF供出的总电流为:R EFVIR12 10REF111122VIIRREF122222VIIRREF122
8、nnnVIIR经经2R电阻流向开关的各分电流为:电阻流向开关的各分电流为:11 电流是流向求和点还是流向地,是由数字量各位的代 码ai是1还是0决定。因此,流向求和点的电流I1由下式确定:因 ,所以 11 112 121REF12ninniiaIaIa Ia IVRo21FVIIR FFo1FREFREF12niiia RRVI RVDVRR结果和权电阻解码网络D/A转换器一样。在权电阻解码网络中,各位电阻阻值是按二进制规律递变的,最高位和最低位阻值相差很大。例如,12位D/A时,相差近 =2048倍,很难保证精度,尤其是在集成D/A转换器中特别突出,所以在集成D/A转换器中普遍采用T型电阻解
9、码网络。112123.开关树型D/A转换器 开关树型D/A转换器是一种能确保单调特性的D/A转换器,它由分压器、树状排列的模拟开关和运放组成,如图图8-3所示(为了简化,图中以3位D/A转换器为例)。分压器由2n个(n为数字量位数)相同阻值的电阻串联构成,把基准电压等分为2n份。模拟开关共有n级,形成树状,n级分别由数字量的各位控制。数字量某位代码ai为1时,相应级的开关均上合;为0时,均下合。这样n级开关结合起来就把与数字量相应的电压引向输出端。在图8-3中,如输入数字为101时,则S1上合,S2下合S3上合,从而把 引向开关树输出端。然后开关树再接运算放大器,运放接成电压跟随器形式,这样既
10、能保持树状开关输出电压的大小和极性,又可减小负载对转换特性的影响。3REFREFREF1231a1015()82222iiiVVVV13 图8-3 3位开关树型D/A转换器电路原理图4.双极型D/A转换器 二进制双极性信号有如表8-1所示的4种表示法。在D/A转换中,常用的是偏移二进制码和补码,下面介绍这两种D/A转换。14十进制数N符号和数值符号 数值偏移二进制符号 数值补码符号 数值反码符号 数值3210 1 2 31 111 101 011 000 010 100 111 111 101 011 000 110 100 010 110 100 010 001 111 101 010 11
11、0 100 010 001 101 011 00表8-1二进制双极性信号表示法15(1)偏移二进制码D/A转换 从表8-1可见,偏移二进制码是把单极性二进制码的最高位作为符号位,其余位作为数值位,这就相当于把坐标轴往上平移了半个满量程值。因此,不论是单极性的权电阻网络D/A转换器,还是T型电阻网络D/A转换器,只要在求和点上加入一个能抵消半个满量程电流的偏移电流,就可以用于偏移二进制的双极性转换。图8-4(a)所示为由单极性T型电阻网络D/A转换器改成的用偏移二进制码表示的双极性D/A转换器。这里,所加偏移电路的电源电压与网络的基准电压数值相等、极性相反,偏移电阻RB等于符号位电阻R1,以保证
12、当偏移二进制数字信号符号位为1,而各数值位均为0时,输出模拟电压为0。16图图8-4 双极性双极性D/A转换器电路原理图转换器电路原理图17(2)补码D/A转换 从表8-1可见,用补码表示双极性信号,和用偏移二进制码表示双极性信号,唯一的区别只是符号位相反。因此,用于补码的D/A转换器,和用于偏移二进制码的D/A转换器,区别也只是符号位模拟开关输出端接法相反(即原接虚地端接地,原接地端接虚地)。用补码表示的双极性如图8-4(b)所示。也可经反向器把补码的符号位信号反向后,用偏移二进制码D/A转换器实现补码D/A转换。为了保证转换精度,偏移电路电源电压和网络基准电压二者的绝对值必须相等,RB必须
13、精确地等于R1。由于加入了偏移量,输出模拟电压的数值比单极性时降低了一半。如要加大输出模拟电压,则需相应地加大反馈电阻RF。188.1.3 8.1.3 数数/模转换器的主要性能指标模转换器的主要性能指标评价一个D/A转换器的性能可从以下方面入手:1分辨率分辨率表明DAC对模拟值的分辨能力,它是最低有效位(LSB)所对应的模拟值,确定了能由D/A转换器产生的最小模拟量的变化。分辨率通常用二进制数的位数表示,如分辨率为8位的D/A转换器能给出满量程电压的 (1/256)的分辨能力。2精度D/A转换器的精度表明D/A转换的精确程度。它可分为绝对精度和相对精度。(1)绝对精度D/A转换器的绝对精度(绝
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