第十一章数模和模数转换ppt课件

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1、第十一章第十一章 数数-模和模模和模-数转换数转换n概述概述n数数-模转换器模转换器(DAC)(DAC)n模模-数转换器数转换器(ADC)(ADC)n计算举例计算举例n小结小结11.1 概述n数数-模转换器模转换器Digital to Analog Converter)Digital to Analog Converter)n *将数字信号转换成模拟信号的过程称：数模转将数字信号转换成模拟信号的过程称：数模转换换n *完成数模转换的电路完成数模转换的电路数模转换器数模转换器DACDACn模模-数转换器数转换器Analog to Digital Converter)Analog to Digit

2、al Converter)n *将模拟信号转换成数字信号的过程称：模数将模拟信号转换成数字信号的过程称：模数转换转换n *完成模数转换的电路完成模数转换的电路模数转换器模数转换器ADCADCnADCADC和和DACDAC在数字系统中的运用在数字系统中的运用nADCADC和和DACDAC的分类的分类nADCADC和和DACDAC的主要性能目的：转换精度、转换速度的主要性能目的：转换精度、转换速度 11.1 概述ADC和DAC在数字系统中的运用nADCADC和和DACDAC在数字系统中的运用在数字系统中的运用n *数据丈量数据丈量/数据处置系统数据处置系统将自然界的模拟量，将自然界的模拟量，经传感

3、器转换成电信号经传感器转换成电信号(电流或电压电流或电压)，电模拟量，电模拟量经过经过ADCADC变成数字量，此数字量可由数字系统传输变成数字量，此数字量可由数字系统传输和处置。和处置。n*程序控制系统程序控制系统将数字系统传输和处置的数字将数字系统传输和处置的数字量，经量，经DACDAC转换成电模拟量，再经模拟控制器实现转换成电模拟量，再经模拟控制器实现对各种模拟量的控制。对各种模拟量的控制。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转换转换执行机构11.1 概述ADC和DAC的分类变换型变换型间接型反馈比较型并联比较型直接型权电容网络开关树型权电流型形电阻网络倒权电阻网络

4、FVTVDADACDACDACDACTDACAD/数数-模转换器模转换器DACDACn主要类型：主要类型：n权电阻型、权电流、倒权电阻型、权电流、倒T T型电阻型、权电容型、型电阻型、权电容型、开关树型开关树型n权电阻网络权电阻网络DACDACn倒倒T T型电阻网络型电阻网络DACDACn其它类型其它类型DACDACn具有双极性输出的具有双极性输出的DACDACn集成集成DACDACn数数-模转换器的主要参数模转换器的主要参数权电阻网络权电阻网络DACDACn电路图：电路图：n计算电流：计算电流：n 设：开关设：开关SiSi接接UR di=1 UR di=1 开关开关SiSi接地接地 di=0

5、di=0下一页下一页RVIRVIRVIRVIREFREFREFREF3122130 ;2 ;2 ;2)2222(2)21212121(3210301233210RVRVIIIIIREFREF权电阻网络模拟开关求和放大器权电阻网络权电阻网络DACDAC续续1 1n计算电压计算电压vO vO 对对n n位位DACDAC：n假设取假设取RF=R/2RF=R/2，有：有：前往前往iniinREFFFOiniinREFnnnnnREFdRVRIRvdRVddddRVI2222)22.22(2101101001122111)22.22(22220011221110ddddVdVDVvnnnnnREFnii

6、inREFnnREFO下一页下一页权电阻网络权电阻网络DACDAC续续2 2n计算电压计算电压vO(vO(取取RF=R/2)RF=R/2)n例例1 1：对：对4 4位位DACDAC，假设输入，假设输入d3 d2 d1 d0=0110,d3 d2 d1 d0=0110,VREF=10VVREF=10V，n例例2 2：对：对8 8位位DACDAC，假设输入，假设输入D=10011011,VREF=-10VD=10011011,VREF=-10V，前往那么输出那么输出vO=-10vO=-10*(6)/16=-3.75(V)(6)/16=-3.75(V)那么输出那么输出vO=-(-10vO=-(-10

7、*(155)/256=6.046875(V)(155)/256=6.046875(V)22.22(22220011221110ddddVdVDVvnnnnnREFniiinREFnnREFO倒倒T T型电阻网络型电阻网络DACDACn电路图电路图:n计算输出计算输出VOVOn n倒倒T T型电阻网络的特点型电阻网络的特点:n 由由R R和和2R2R两种阻值构成两种阻值构成;误差小误差小;转换速度快转换速度快.)()()()(16842010123IdIdIdIdiIdiIdiiii流入地端时，流入时，前往前往DVddddRVRRiVRRREFREFOF40011223342)2222(21 ：

8、取DVddddRVRRiVnnREFnnnnnREFO2)2222(2100112211位输入时，应有对其它类型其它类型DACDACn权电流型电路图权电流型电路图:n权电容网络型电路图权电容网络型电路图:前往前往n开关树型电路图开关树型电路图 具有双极性输出的具有双极性输出的DACDACn双极性输出双极性输出:当输入数字量有当输入数字量有极性时，希望输出的模拟极性时，希望输出的模拟电压也对应为电压也对应为。n原理原理:(:(以以3 3位位DACDAC为例为例)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+1V00000V

9、111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V继续继续原码输入原码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+2V-2V001+1V-3V0000V-4V*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具有双极性输出的具有双极性输出的DACDACn电路实现电路实现:(:(以以3 3位位DACDAC为例为例)n计算输出计算输出VOVOn双极性网络的特点双极性网络的特点:前往前往BBFniiinREFFBBFOVRRdVRRRiRiv1022BBF

10、VRR偏移量偏移量 ；双极性输出；双极性输出集成集成DACDACn集成集成DACDAC芯片两类型芯片两类型:n *含含DA(DA(倒倒T T型电阻型电阻)网络、模拟开关网络、模拟开关n *含含DA(DA(倒倒T T型电阻型电阻)网络、模拟开关、运算放大网络、模拟开关、运算放大器器n常用集成常用集成DACDAC芯片：芯片：8 8位；位；1010位；位；1616位等位等n集成集成DACDAC芯片的输入方式：并行输入；串行输入芯片的输入方式：并行输入；串行输入n 并行输入有：并行输入有：DAC0832DAC08328 8位位n 串行输入有：串行输入有：MAX515 MAX515 1010位位n模拟开

11、关电路模拟开关电路CB7520CB7520中的中的CMOSCMOS电路电路n例：集成例：集成DAC0832DAC0832前往前往模拟开关电路模拟开关电路nCB7520CB7520n AD7520AD7520n 10 10位位ADAD转换器转换器n nCB7520CB7520中的中的CMOSCMOS模拟开关电路模拟开关电路:前往前往数数-模转换器的主要参数模转换器的主要参数n模拟输出量模拟输出量VO:VO:n转换精度：转换精度：n *分辩率：对输出最小电压的分辨才干分辩率：对输出最小电压的分辨才干n 分辨率分辨率=n-DAC n-DAC的位数的位数 n DAC DAC的位数越多，分辨率越高的位数

12、越多，分辨率越高n *转换误差：实践输出与实际值之间的偏向。普通由电路转换误差：实践输出与实际值之间的偏向。普通由电路的参考电压、电阻的偏向、模拟开关的内阻、和导通压降、的参考电压、电阻的偏向、模拟开关的内阻、和导通压降、运算放大器的零点漂移等多种缘由呵斥。运算放大器的零点漂移等多种缘由呵斥。n转换速度：指送入数字量经转换速度：指送入数字量经DACDAC后输出模拟量到达稳态值所后输出模拟量到达稳态值所需求的时间。普通有：需求的时间。普通有：DACDAC的位数越多，转换时间越长。的位数越多，转换时间越长。前往前往iniinREFnnREFOdVDVv22210121nBBFiniinREFOVR

13、RdVv2210（双极性）模模-数转换器数转换器ADCADCn主要类型：主要类型：n *并联比较型并联比较型 *反响比较型反响比较型(*计数型计数型 *逐次逐次渐近型渐近型)n *双积分型双积分型ADCADCV-TV-T型和型和V-FV-F型型nADCADC的根本原理的根本原理n并联比较型并联比较型ADCADCn计数型计数型ADCADCn逐次渐近型逐次渐近型ADCADCn双积分型双积分型ADCADCV-TV-T型型 n集成集成ADCADC和模和模-数转换器的主要参数数转换器的主要参数ADCADC的根本原理的根本原理nA/DA/D转换的根本步骤：转换的根本步骤：n 模拟信号模拟信号 数字信数字信

14、号号n采样和坚持采样和坚持前往前往采样、坚持、量化、编码采样、坚持、量化、编码采样采样按一定的时间间隔取出模拟信号，即：将随按一定的时间间隔取出模拟信号，即：将随时间变化的模拟信号变化为对应的离散信号。这一过时间变化的模拟信号变化为对应的离散信号。这一过程叫采样。为保证采样后的信号能反映原来的模拟信程叫采样。为保证采样后的信号能反映原来的模拟信号，要求采样频率号，要求采样频率fsfs与输入模拟信号的最高频率与输入模拟信号的最高频率fimaxfimax满足关系：满足关系：fs=2fimax fs=2fimax 坚持坚持采样后的模拟信号坚持一段时间，以便进展采样后的模拟信号坚持一段时间，以便进展模

15、数转换。模数转换。n量化和编码量化和编码n 量化量化将采样的电平值换算到与之相近的离散电将采样的电平值换算到与之相近的离散电平的过程，称为量化平的过程，称为量化n 编码编码将量化后的离散值用二进制代码表示，称将量化后的离散值用二进制代码表示，称编码编码ADCADC的采样和坚持的采样和坚持n采样和坚持波形阐明：采样和坚持波形阐明：n ui ui 输入的模拟信输入的模拟信号号n us us 采样的控制采样的控制信号信号n uo uo 输出的采样输出的采样信号信号前往前往n采样和坚持电路：采样和坚持电路：n 组成：组成：C C、T T管、管、n 电压跟随器运放电压跟随器运放n 任务原理：任务原理：n

16、 *当采样的控制信号当采样的控制信号VLVL高电平到来后，高电平到来后，T T管导通，管导通，输入的模拟信号经过输入的模拟信号经过T T存储在存储在C C上，上，uo=ui uo=ui 称：采样。称：采样。n *采样的控制信号终了低电平，采样的控制信号终了低电平，T T管截止，电管截止，电容容C C上的电压在一定时间内坚持不变称：坚持。上的电压在一定时间内坚持不变称：坚持。ADCADC的量化和编码的量化和编码n量化和编码阐明：量化和编码阐明：前往前往(B)(B)图：图：4 4位位ADCADC的量化和编码的量化和编码 将输入的最大值将输入的最大值(满量满量程程),),用用0000 1111000

17、0 1111，区分区分1616个范围的值。个范围的值。(A)(A)图：图：3 3位位ADCADC的量化和编码的量化和编码 将输入的最大值将输入的最大值(满量满量程程),),000 111 000 111，区分区分8 8个范围的值。个范围的值。n量化的两种方法：量化的两种方法：ADCADC的量化方法的量化方法前往前往将输入的最大值将输入的最大值(满量程满量程),),用用000 111000 111，按量化电平为：，按量化电平为：1/151/15区分区分-将输入的最大值将输入的最大值(满量程满量程),),000 111 000 111，平均区分。，平均区分。量化电平为：量化电平为：1/8 1/8

18、n量化的两种方法量化的两种方法(三位三位ADCADC举例举例)：111110101100011010001000111110101100011010001000输入信号1V7/8V6/8V5/8V4/8V3/8V2/8V1/8V0二进制代码输入信号二进制代码1V13/15V11/15V9/15V7/15V5/15V3/15V1/15V0代表的模拟电压7=7/8（V）6=6/8（V）5=5/8（V）4=4/8（V）3=3/8（V）2=2/8（V）1=1/8（V）0 =0 （V）代表的模拟电压7=14/15（V）6=12/15（V）5=10/15（V）4=8/15（V）3=6/15（V）2=4/1

19、5（V）1=2/15（V）0 =0 (V）并联比较型并联比较型ADCADCn电路图电路图3 3位位ADCADC：n 组成组成:n 分压器分压器 n 比较器比较器 n 存放器存放器(D(D触发器触发器)n 编码器编码器(输出电路输出电路)n任务原理：任务原理：n 输入信号经过输入信号经过7 7个参考电压的分压器和比较器，将比较个参考电压的分压器和比较器，将比较结果送入触发器存放。再经编码器输出结果送入触发器存放。再经编码器输出3 3位数码。位数码。n 输入输入/输出的逻辑函数式见输出的逻辑函数式见P(11.3.2)P(11.3.2)表表11.3.111.3.1n电路特点：转换速度快。但电路复杂。

20、电路特点：转换速度快。但电路复杂。前往前往并联比较型A/D转换器-量化及编码并联比较型并联比较型00000001510RV0000001153151RRVV0000011155153RRVV0000111157155RRVV0001111159157RRVV00111111511159RRVV011111115131511RRVV111111115151513RRVVRV151RV153RV155RV157RV159RV1511RV1513量化及编码前往前往计数型计数型ADCADCn电路图电路图4 4位位ADCADC：n 组成组成:n:n位二进制计数器、位二进制计数器、n n位位DADA转换器

21、、比较器、控制电转换器、比较器、控制电路路 前往前往n任务原理：任务原理：n电路特点：电路特点：转换速度较快转换速度较快T=(2n-1)TCLK)T=(2n-1)TCLK)。计数型计数型ADCADCn电路图电路图4 4位位ADCADC：n 前往前往n任务原理：任务原理：*转换前，计数器清零形状转换前，计数器清零形状Q n-1Q0=00),DAC Q n-1Q0=00),DAC 输出输出V0V0=0=0当当VL=1,ADVL=1,AD转换开场。转换开场。n n位加法计数器从位加法计数器从0 0开场递增计数，并将其形状信号开场递增计数，并将其形状信号Q n-1Q0Q n-1Q0送入送入n n位位D

22、ACDAC中，中，DACDAC输出信号输出信号V0V0与与ViVi中进展比较中进展比较;当当V0V0 Vi Vi Vi，VC=0 VC=0，G G被封锁，被封锁，CPCP=0=0，比较终了。此时计数器的形状，比较终了。此时计数器的形状为输出的数字量。为输出的数字量。逐次渐近型逐次渐近型ADCADCn电路图电路图n n位位ADCADC的构造框图和电路原理图：的构造框图和电路原理图：n 组成组成:逐次渐近存放器、逐次渐近存放器、n n位位DADA转换器、比较器、控制转换器、比较器、控制电路电路前往前往n任务原理：任务原理：n电路特点：电路特点：转换速度较快转换速度较快T=(n+2)TCLK)T=(

23、n+2)TCLK)。.,.nVVVVIOIO”再将次高位置“”，改为“则去掉“则保留若”高位先置“1201111逐次渐近型逐次渐近型ADCADCn电路图电路图n n位位ADCADC的构造框图和电路原理图：的构造框图和电路原理图：n 组成组成:逐次渐近存放器、逐次渐近存放器、n n位位DADA转换器、比较器、控制电转换器、比较器、控制电路路前往前往n任务原理：任务原理：n电路特点：电路特点：转换速度较快转换速度较快T=(n+2)TCLK)T=(n+2)TCLK)。逐次渐近型逐次渐近型ADCADC任务原理任务原理(1)(1)继续继续n任务原理：任务原理：(设移位存放器初始形状为设移位存放器初始形状

24、为10000)10000)*转换前，计数器清零形状转换前，计数器清零形状Q n-1Q0=00),DAC Q n-1Q0=00),DAC 输出输出V0V0=0=0当当VL=1,ADVL=1,AD转换开场。存放器转换开场。存放器(QA QB QC)(QA QB QC)最高位预置为最高位预置为1 1并将其形状信号并将其形状信号Q n-1Q0Q n-1Q0=1000=1000送入送入n n位位DACDAC中，中，DACDAC输出信号输出信号V0V0与与ViVi中进展比较中进展比较1 0 0 0 0逐次渐近型逐次渐近型ADCADC任务原理任务原理(2)(2)前往前往n任务原理：任务原理：(3)(3)当当

25、V0V0 Vi Vi Vi，将预置的，将预置的1 1去除，同时将次高位预置为去除，同时将次高位预置为1 1。反复。反复2 2 (4)(4)对对n n位存放器最低位完成置数和比较后，转换终了。此时存放器的形位存放器最低位完成置数和比较后，转换终了。此时存放器的形状为输出的数字量。状为输出的数字量。(此时在此时在CPCP作用下作用下,Qn-1Q0=0001,Qn-1Q0=0001,翻开控制翻开控制门门,输出结果输出结果1 0 0 0 03位：5个CLK完成比较N位:(n+2)个CLK双积分型双积分型ADCADCn电路图：电路图：n 组成组成:n 比较器和控制电路比较器和控制电路 n n n位数码存

26、放器位数码存放器n n n位位DACDACn n n位位ADCADC输出输出n任务原理：任务原理：iiREFUTUUTT212*控制信号控制信号UL=1UL=1时转换开场，输入信号时转换开场，输入信号UiUi经开关经开关S1S1对对C C进展积分进展积分,当积分到当积分到达时间达时间T1T1时时,第一次积分第一次积分(采样采样)终了。终了。*控制开关使控制开关使S1S1接参考接参考(基准基准)电压电压,对对C C进展第二次积分进展第二次积分,当积分器输出电当积分器输出电压上升到压上升到0V0V时时,转换终了转换终了 *假设第二次积分的时间为假设第二次积分的时间为T2,T2,可证得可证得:前往前

27、往n任务原理波形任务原理波形n电路特点电路特点:转换速度慢转换速度慢(2n+1tCP),(2n+1tCP),但抗干扰才干强。但抗干扰才干强。集成集成ADCADCn常用集成常用集成ADCADC芯片：芯片：4 4位；位；6 6位；位；8 8位等位等n集成集成ADCADC芯片的输出方式：并行输出；串行输出芯片的输出方式：并行输出；串行输出n 并行输出有：并行输出有：ADC0809ADC08098 8位位n 串行输出有：串行输出有：n例：集成例：集成ADC0809ADC0809前往前往模模-数转换器的主要参数数转换器的主要参数n分辩率又称分解度：分辩率又称分解度：ADCADC对输入信号的分辨才干对输入

28、信号的分辨才干n 常以最低位常以最低位LSBLSB所对应的电压值表示。所对应的电压值表示。n n 分辨率最小分辨电压分辨率最小分辨电压=n nADCnADC的位数，的位数，VV输入的满量程电压输入的满量程电压 位数越多，位数越多，分辨率越高。分辨率越高。n转换速度：指转换速度：指ADCADC从接到转换控制信号起，到输出数字量达从接到转换控制信号起，到输出数字量达n 到稳态值所需求的时间。到稳态值所需求的时间。n ADC ADC的转换时间主要取决于转换电路的类型。的转换时间主要取决于转换电路的类型。n n转换误差：实践输出与实际值之间的偏向。转换误差：实践输出与实际值之间的偏向。n 常用最低有效

29、位的倍数来表示。常用最低有效位的倍数来表示。n 例如：相对误差例如：相对误差=LSB/2=LSB/2，表示误差少于最低位，表示误差少于最低位1 1的一半。的一半。前往前往nV2计算举例计算举例n例例1 1：权电阻：权电阻8 8位位DACDAC，知：，知：UR=-10VUR=-10V，n D=10011100 D=10011100，求：，求：UO UO？n例例2 2：8 8位位DACDAC输出满度电压为输出满度电压为8V8V，它的最小，它的最小n 分辨电压分辨电压ULSBULSB？假设改为？假设改为1010位位DACDAC，其，其分分n 辨电压辨电压ULSB ULSB？n例例3 3：8 8位位D

30、ACDAC中，知满刻度电压为中，知满刻度电压为UOM=5VUOM=5V，n 求最小分辨电压求最小分辨电压ULSBULSB和分辨率？和分辨率？n例例4 4：8 8位位ADCADC输入满量程为输入满量程为10V10V，当输入电压，当输入电压n 为为3.5V3.5V时，求输出时，求输出D D？计算举例计算举例_1n例例1 1：权电阻：权电阻8 8位位DACDAC，知：，知：UR=-10VUR=-10V，n D=10011100 D=10011100，求：，求：VO VO？n 解解:前往前往nnREFODVV2)4816128(25610.)212121.21(21023478V09375.62561

31、0156计算举例计算举例_2n例例2 2：8 8位位DACDAC输出满度电压为输出满度电压为8V8V，它的最小，它的最小n 分辨电压分辨电压VLSBVLSB？假设改为？假设改为1010位位DACDAC，其分辨电压，其分辨电压VLSB VLSB？n 解解:前往前往VVVnLSB03125.025682828VVVnLSB0078125.01024828210计算举例计算举例_3n例例3 3：8 8位位DACDAC中，知满刻度电压为中，知满刻度电压为UOM=5VUOM=5V，求最，求最小分辨电压小分辨电压ULSBULSB和分辨率？和分辨率？n解解:前往前往VVVnLSB01953125.02565

32、200392157.025511218F计算举例计算举例_4n例例4 4：8 8位位ADCADC输入满量程为输入满量程为10V10V，当输入电压为，当输入电压为3.5V3.5Vn 时，求输出时，求输出D D？n 解解:*求最小分辨电压求最小分辨电压VLSBVLSB和和3.5V3.5V对应的数值对应的数值D Dn *求求D D对应的二进制数值对应的二进制数值(不思索小数位不思索小数位)前往前往VVVnLSB0390625.02561021028210)01011001()6.89(6.890390625.05.3D小结小结nDACDAC和和ADCADC的根本概念和功能的根本概念和功能n DAC

33、DAC数模转换器数模转换器n ADC ADC模数转换器模数转换器nDACDAC的主要类型、特点和根本任务原理的主要类型、特点和根本任务原理n 权电阻、权电流型、倒权电阻、权电流型、倒T T型型nADCADC的主要类型、特点和根本任务原理的主要类型、特点和根本任务原理n 并联比较型、计数型、逐次渐近型、双积分型并联比较型、计数型、逐次渐近型、双积分型nDACDAC和和ADCADC的主要技术目的和相关计算的主要技术目的和相关计算小结续小结续nDACDAC和和ADCADC的主要技术目的和相关计算的主要技术目的和相关计算n DAC DAC的输出电压的输出电压n (双极性双极性)nnREFniiinREFODVdVv22210nV2121nPDPFttt3CLKnTt)12(CLKTnt)2(CLKnTt12分辨率分辨率 最小分辨电压最小分辨电压转换速度转换速度:并联比较型并联比较型 计数型计数型 逐次渐近型逐次渐近型 双积分型双积分型 转换误差转换误差:由参考电压、电阻、零点漂移等要素构成由参考电压、电阻、零点漂移等要素构成