AD和DA转换.ppt
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1、D/A转换器转换器 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 权电阻网络权电阻网络DAC 倒倒T型电阻网络型电阻网络DAC 权电流型权电流型DAC DAC的主要技术指标的主要技术指标 DAC小结小结D/A转换器转换器1、D/A转换器的基本原理转换器的基本原理n n n n 位二位二位二位二进制数进制数进制数进制数输入输入输入输入模拟电压输出模拟电压输出模拟电压输出模拟电压输出输出模拟量输出模拟量 二进制数二进制数D的按权展开式为的按权展开式为 2、D/A转换器的一般构成转换器的一般构成 D/A转换器一般由转换器一般由数码缓冲寄存器数码缓冲寄存器、模拟电子开关模拟电子开关、参考电参考电压压、解码网
2、络解码网络和和求和电路求和电路等组成。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;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。相加,便得到与数字量对应的模拟量。n位数字位数字量输入量输入模拟量模拟量输出输出n 位位D/A转换器方框图转换器方框图数码缓冲数码缓冲寄存器寄存器n位数控位数控模拟开关模拟开关解码网络解码网络求和电路求和
3、电路参考电压参考电压 按解码网络的结构不同,有按解码网络的结构不同,有权电阻网络权电阻网络DAC、倒倒T型电阻型电阻网络网络DAC、权电流型权电流型DAC等。等。权电阻网络权电阻网络DAC 4位权电阻网络位权电阻网络D/A转换器主要由转换器主要由权电阻网络权电阻网络、模拟开关模拟开关、求和运算放大器求和运算放大器和和基准电源基准电源VREF四部分组成。四部分组成。1)电路组成)电路组成2)工作原理)工作原理对于对于n n位的权电阻网络位的权电阻网络D/AD/A转换器转换器:特点特点:结构比较简单,所用的电阻元件数很少。:结构比较简单,所用的电阻元件数很少。缺点缺点:各个电阻的阻值相差较大,尤其
4、在输入信号的位数较:各个电阻的阻值相差较大,尤其在输入信号的位数较多时,这个问题就更加突出。多时,这个问题就更加突出。输出电压的范围输出电压的范围:3)电路特点)电路特点倒倒T型电阻网络型电阻网络DAC 当某位数码为当某位数码为1时,相应的开关将电阻接到运算放大器时,相应的开关将电阻接到运算放大器A的反相的反相输入端(求和点虚地);输入端(求和点虚地);当某位数码为当某位数码为0时,相应的开关将电阻接到运算放大器的同相时,相应的开关将电阻接到运算放大器的同相输入端(地)。输入端(地)。1)电路组成)电路组成基准电源基准电源VREF提供的总电流为:提供的总电流为:I=?流过各开关支路的电流:流过
5、各开关支路的电流:I3=?I2=?I1=?I0=?I/4I/8I/16RRRRI/2I/4I/8I/16I/2I3I2I1I0流入每个流入每个2R电阻的电流从高位到低位按电阻的电流从高位到低位按2的整数倍递减。的整数倍递减。I3=VREF/2RI2=VREF/4RI1=VREF/8RI0=VREF/16 R2)工作原理)工作原理流入运放的总电流:流入运放的总电流:输出模拟电压:输出模拟电压:将输入数字量扩展到将输入数字量扩展到n位:位:倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器的特点是:转换器的特点是:电阻种类少,只有电阻种类少,只有R和和2R两种,有利于提高制作精度两种,有利于提高制作精度;模拟
6、开关在地和虚地之间转换,不论开关状态如何,各模拟开关在地和虚地之间转换,不论开关状态如何,各支路的电流始终不变,因此不需要电流建立时间;支路的电流始终不变,因此不需要电流建立时间;各支路电流直接流入运算放大器的输入端,不存在传输各支路电流直接流入运算放大器的输入端,不存在传输时间差,因而提高了转换速度,并减小了动态过程中输时间差,因而提高了转换速度,并减小了动态过程中输出端可能出现的尖峰脉冲。出端可能出现的尖峰脉冲。n 位倒位倒T T形形电阻网络电阻网络DAC有:有:令:令:则则 O=K NB 在电路中输入的每一个在电路中输入的每一个二进制数二进制数NB,均能得到与之成正比均能得到与之成正比的
7、模拟电压输出。的模拟电压输出。-UR+-AuoS2S3S1S0RFD3D2D1D0I16I8I4I2i权电流型权电流型DACDAC的主要技术指标有:的主要技术指标有:转换精度转换精度、转换速度转换速度。1、分辨率、分辨率分辨率用于表征分辨率用于表征D/A转换器对输入微小量变化的敏感程度。转换器对输入微小量变化的敏感程度。定义为定义为D/A转换器的模拟输出电压可能被分离的等级数。转换器的模拟输出电压可能被分离的等级数。n位位DAC有有2n个不同的模拟量个不同的模拟量输出值,即分辨率为输出值,即分辨率为2n,实际中通常用实际中通常用输入数字量的有效输入数字量的有效位数位数表示表示DAC的分辨率,的
8、分辨率,显然位数越多,分辨率越高。显然位数越多,分辨率越高。如如10位、位、8位等。位等。另外也用另外也用DAC的最小非零输出电压的最小非零输出电压与最大输出电压与最大输出电压之比之比来表示分辨率来表示分辨率:分辨率分辨率 DAC的转换精度通常用的转换精度通常用分辨率分辨率、转换误差转换误差来描述。来描述。主要技术指标主要技术指标05/75001 010 011 100 101 110 111vo/VD0002、转换误差、转换误差用最低有效位的倍数表示。用最低有效位的倍数表示。如:某个如:某个DAC的转换误差为的转换误差为1/2LSB,表示输出模拟电压与理论值之间的绝对误差小于等表示输出模拟电
9、压与理论值之间的绝对误差小于等于输入数字代码为于输入数字代码为001时输出电压的一半。时输出电压的一半。用输出电压满刻度的百分数表示。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)造成转换误差的主要原因:参考电压参考电压 VREF的波动的波动 比例系数误差比例系数误差运算放大器的零点漂移运算放大器的零点漂移 失调误差失调误差模拟开关的导通内阻和导通电压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电阻网络中的电阻值偏差等转换误差:指输出模拟电压的转换误差:指输出模拟电压的实际值与理想值之差实际值与理想值之差的最大值。的最大值。非线性误差非线性误差(2)转换误差的表示方法)转
10、换误差的表示方法:如:如:1(FSR)建立时间建立时间 tSet:输入由全输入由全0变为全变为全1,输出电压与稳,输出电压与稳态值相差(态值相差(LSB/2)所需的时间。所需的时间。一般一般DAC的的tset 0.1 s。这个参数的值越小越好这个参数的值越小越好,3、转换速度、转换速度当当DAC输入的数字量发生变化时,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输出的模拟量需要延迟一段时间后才能达到对应的稳态值,通常用建才能达到对应的稳态值,通常用建立时间和转换速率来描述。立时间和转换速率来描述。转换速率转换速率:在大信号工作状态下,模拟输出电压的最大变化率。在大信号工作状态下,模拟
11、输出电压的最大变化率。u能够将数字信号转换为模拟信号的电路称为能够将数字信号转换为模拟信号的电路称为D/A转换器转换器(DAC)uDAC的电路结构形式主要有权电阻型、倒的电路结构形式主要有权电阻型、倒T型电阻网络及权型电阻网络及权 电流型,目前电流型,目前TTL产品多为权电流型(精度高、速度快),产品多为权电流型(精度高、速度快),CMOS产品多采用倒产品多采用倒T型电阻网络(功耗低)。型电阻网络(功耗低)。uDAC的模拟输出电压与输入的二进制数成正比,其通式为:的模拟输出电压与输入的二进制数成正比,其通式为:uDAC的主要技术为转换精度和转换速度的主要技术为转换精度和转换速度转换精度用分辨率
12、和转换误差表示;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。转换速度用建立时间和转换速率表示。DAC小结小结【例例1】已知某已知某8位位D/A转换器的输入为转换器的输入为11010001时,输出时,输出VO=2.09V,求输入为求输入为00111100时的输出电压值。时的输出电压值。解:解:DAC的模拟输出电压的通式为:的模拟输出电压的通式为:【例例2】在在10位二进制数位二进制数D/A转换器中,已知其最大满刻度输转换器中,已知其最大满刻度输出模拟电压出模拟电压Vom=5V,求最小分辨电压,求最小分辨电压VLSB和分辨率。和分辨率。解:解:分辨率分辨率【例例3】已知已知D
13、/A转换器,其最小分辨电压转换器,其最小分辨电压VLSB=4mV,最大,最大满刻度输出电压满刻度输出电压Vom=10V,求该转换器输入二进制数字量的位,求该转换器输入二进制数字量的位数。数。解:解:DAC的分辨率:的分辨率:分辨率分辨率【例例4】10位倒位倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器如图所示,当转换器如图所示,当R=Rf时:时:(1)试求输出电压的取值范围;)试求输出电压的取值范围;(2)若要求电路输入数字量为)若要求电路输入数字量为200H时输出电压时输出电压VO=5V,试,试问问VREF应取何值?应取何值?A/D转换器转换器 A/D转换的一般过程转换的一般过程 并行比较型并行比较型
14、ADC 逐次比较型逐次比较型ADC 双积分型双积分型ADC ADC的主要技术指标的主要技术指标 ADC小结小结AD转换器转换器A/D转换器的功能是将模拟量的输入转换成数字量的输出转换器的功能是将模拟量的输入转换成数字量的输出。一个完整的一个完整的A/D转换过程转换过程,通常要经过通常要经过取样取样和和保持保持、量化量化和和编码编码步骤步骤。取样:取样:将时间上连续变化的模拟量转换成将时间上连续变化的模拟量转换成时间上离散时间上离散的的模拟量过程模拟量过程。保持:保持:保持取样信号,使有充分时间转换为数字信号。保持取样信号,使有充分时间转换为数字信号。量化:量化:把取样保持电路的输出信号用把取样
15、保持电路的输出信号用单位量化电压的整单位量化电压的整数倍数倍表示。方法一般有两种:舍尾取整、四舍五入。表示。方法一般有两种:舍尾取整、四舍五入。编码:编码:把量化的结果用二进制代码表示。把量化的结果用二进制代码表示。1.1.取样和保持取样和保持取样和保持取样和保持 取取样样(也也称称采采样样)是是将将时时间间上上连连续续变变化化的的信信号号,转转换换为为时时间间上上离离散散的的信信号号,即即将将时时间间上上连连续续变变化化的的模模拟拟量量转转换换为为一一系系列列等等间隔的脉冲,脉冲的幅度取决于输入模拟量。间隔的脉冲,脉冲的幅度取决于输入模拟量。fi(t)fO(t)S(t)模拟开关模拟开关S(t
16、)取样脉冲取样脉冲 fO(t)样值脉冲输出样值脉冲输出fi(t)模拟输入模拟输入为了保证能从采样信号为了保证能从采样信号将原信号恢复,要求:将原信号恢复,要求:fS:采样频率采样频率;fi max:fi(t)的的最高最高频率频率分量分量。采样定理采样定理在工程设计中通常取:在工程设计中通常取:模模拟拟信信号号经经采采样样后后,得得到到一一系系列列取取样样脉脉冲冲。采采样样脉脉冲冲宽宽度度一一般般是是很很短短暂暂的的,在在下下一一个个采采样样脉脉冲冲到到来来之之前前,应应暂暂时时保保持持所所取取得得的的样样值值脉脉冲冲幅幅度度,以以便便进进行行转转换换。一一般般取取样样与与保保持持过过程程都是同
17、时完成的。都是同时完成的。在采样脉冲在采样脉冲S(t)到来的时间到来的时间内,内,T导通,导通,vI向电容向电容C充电,假定充电,假定充电时间远小于充电时间远小于,则:则:vO(t)vC(t)vI(t)。(采样)(采样)采样结束,采样结束,T截止,电容无放电回路,输出电压得以保持,直截止,电容无放电回路,输出电压得以保持,直到下一个采样脉冲到来为止。到下一个采样脉冲到来为止。(保持)(保持)tvOvI采采样样保保持持采采样样保保持持采采样样保保持持采采样样保保持持采采样样保保持持2.2.量化和编码量化和编码量化和编码量化和编码 数字信号不仅在时间上是离散的,而且数值大小的变化数字信号不仅在时间
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