模数转换设备

模数转换设备电子信息系统典型结构数据采集(传感器、ADC、接口)模拟输出(DAC)数字信号处理(DSP)数据管理(数据库)数据传输/通信网络（计算机网络）单机单机单机单机概述计算机系统是一个数字系统、离散系统，而我们生活的外部世界是一个模拟系统。为使计算机系统能够了解外部世界，对外部事物进行处理，就必须有一个将模拟量转换为数字量，将数字量转换为模拟量的接口，这就是常说的A/D和D/A。虽然模拟量是无限可分的、连续的，数字量是离散的，数字量永远也不能精确地描述模拟量，但由于我们对客观世界的了解、描述并不总需要极高的精度，所以选择适当精度的数字量来描述模拟量是完全够用的。ADC和DAC是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口。能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器，简称A/D转换器或ADC；能将数字量转换为模拟量的电路称为数模转换器，简称D/A转换器或DAC。多路开关数字控制计算机DACADC功率放大…功率放大执行机构…执行机构加热炉…加热炉温度传感器…温度传感器信号放大…信号放大多路开关本章将简单介绍D/A转换器和A/D转换器的几种主要形式。§1D/A转换器(DAC)一、D/A转换器的基本原理和转换特性将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。基本原理uo或io输出D/Ad0d1dn－1输入…)2222(00112211oddddKunnnnu给定数字量的D/A转换过程：⑴按权展开，求相应位的模拟量；⑵相加求和，求总的模拟量；⑴电阻网络：实现按权展开；⑵电子开关:给定数字量；⑶求和电路:完成模拟量相加。DAC的一般构成：存在多种网络形式。由晶体管或MOS管组成。由运放组成。R2R4R8RRFI1I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo－+RVIRVIRVIRVIREFREFREFREF3210248二、二进制权电阻网络DAC参考电压电子开关：d＝1→接“-”;d=0→接“+”不论d接哪端（虚地或实地），各支路电流不变。求和电路⒈电路R2R4R8RRFI1I0I2I3IREFiFiS3S0S1S2d0d3d2d1+VREFuo－+)2222(2248001122333321033221100ddddRVdRVdRVdRVdRVdIdIdIdIiREFREFREFREFREFBREFREFFFNVddddViRiRu40011223342)2222(22o设RF=R/2⒉转换原理⒊输出RRR2R2R2R2R2RRFI∑S0S3S2S1d3d0d1d2+VRuo－+BCDAP2R三、T型电阻网络DAC⒈电路电子开关：d＝1→接“VR”;d=0→接“地”2R2RR+VAB2R2R2R+VRA⒉转换原理RRR2R2R2R2R2RRFI∑S0S3S2S1d3d0d1d2+VRuo－+BCDAP2R①VR通过S0到D点的电压值等效电路：32RRAVVRRRVS0接VRS1S2S3接地3212RAABVVVRRRV3412RBCVVV3812RCDVVV同理：所以，当d3d2d1d0＝0001时381RDVVRRR2R2R2R2R2RRFI∑S0S3S2S1d3d0d1d2+VRuo－+BCDAP2R同理，当d3d2d1d0＝0010时341RDVV当d3d2d1d0＝0100时321RDVV当d3d2d1d0＝1000时3RDVV②d3d2d1d0为任意值时D点的电压值BRRRRRRDNVddddVdVdVdVdVV32)2222(32383432330011223330123输出：BRfDfONVRRVRRV32223BRONVV42取Rf＝3R：RRR2R2R2R2R2RI1I'1I'2I'3I'0I0I2I∑Id0d3d2d1VRBCDARFuo－+S3S0S1S2I3PP’⒈电路注：1、电子开关置于电阻网络和运放之间。di＝1电流入P点（虚地），di＝0电流入地（实地）。2、无论开关在左（实地）还是在右（虚地），电流不变，故无需电流建立时间。四、倒T型电阻网络DAC⒉转换原理RRR2R2R2R2R2RI1I'1I'2I'3I'0I0I2I∑Id0d3d2d1VRBCDARFuo－+S3S0S1S2I3PP’①节点A、B、C、D以左，等效电阻为2R。总等效电阻为R。②总电流RVIR⒉转换原理（续）RRR2R2R2R2R2RI1I'1I'2I'3I'0I0I2I∑Id0d3d2d1VRBCDARFuo－+S3S0S1S2I3PP’RVIIR223③每过一个节点，电流被分流1/2。RVIIR42'32RVIIR82'21RVIIR162'10⒉转换原理（续）RRR2R2R2R2R2RI1I'1I'2I'3I'0I0I2I∑Id0d3d2d1VRBCDARFuo－+S3S0S1S2I3PP’RVIIR223RVIIR42'32RVIIR82'21RVIIR162'10④流入P点总电流）＋＋＋（001122332222161ddddRVIR⑤输出电压）＋＋＋（001122334222221ddddFRFORRVRIVRRF＝取BRRONVVV4001122334222222）＋＋＋（dddd§2A/D转换采样：以一定的周期读取输入电压信号。采样定理：fs≥2,fAmax工程上：fs＝10fAmax保持：使读取的信号在周期内不变。转换原理模拟信号（A）转换成数字信号（D）需要时间，所以转换时间上是离散的；另一方面，模拟信号辐值连续，数字信号辐值离散。所以AD转换需要做的是对模拟信号进行辐值离散和时间离散。dn-1d1d0数字量输出(n位)ADC的数字化编码电路CPSSCADC采样-保持电路采样展宽信号输入模拟电压ui(t)us(t)…时间离散→采样定理辐值离散→量化编码Vref⑴要求①在采样时间内，信号维持不变，以提供足够的转换时间。②采样后保持原信号特征。⑵采样定理max2iSff采样频率大于2倍输入信号频率的最大值。①②③⑦①②④⑤⑥⑧主要参数参考电压：AD转换最大数值输出字段：转换后的字节各个位数的含义转换精度：由参考电压和输出字段长度共同决定，为ADC的最小步进电压，反映了ADC对最小电压变化的检测能力。模数转换器类型跟踪式模数转换器快速模数转换器逐次逼近型模数转换器双斜率模数转换器∑-Δ模数转换器Half-Flash模数转换器1跟踪式模数转换器组成：一个比较器，一个计数器，一个DAC缺点：(1)转换速度慢(2)最高时钟频率取决于DAC和比较器的信号延时速度2、快速A/D转换器快速A/D转换器特点优点：转换速率快缺点：耗费了大量比较器和逻辑电路，功耗大3、逐次比较型A/D转换器特点：转换速度中速（几十K到几百KHz），成本较低。对分查找逐次比较型A/D转换器特点通过对分查找得到输出数值，相比于快速ADC,节省了大量的比较器。N位的ADC需N个时钟单元内完成一次转换双积分型ADC的转换原理是先将模拟电压UI转换成与其大小成正比的时间间隔T，再利用基准时钟脉冲通过计数器将T变换成数字量。4双积分型A/D转换器双积分型ADC双积分型A/D转换器特点首先，其转换结果与时间常数RC无关，从而消除了由于斜波电压非线性带来的误差，允许积分电容在一个较宽范围内变化，而不影响转换结果。其次，由于输入信号积分的时间较长，且是一个固定值T1，而T2正比于输入信号在T1内的平均值，这对于叠加在输入信号上的干扰信号有很强的抑制能力。最后，这种A/D转换器不必采用高稳定度的时钟源，它只要求时钟源在一个转换周期（T1+T2）内保持稳定即可。这种转换器被广泛应用于要求精度较高而转换速度要求不高的仪器中。5、Σ-Δ型ADCΣ-ΔADC的基本思想是用数字化速度来换取位数，即采用高速、低位数(通常是1位)的ADC来实现低速、高位数的ADC。其主要组成是Σ-Δ调制器及低通数字滤波器，如图所示。Σ-Δ调制器由差动器、积分器和比较器构成，它们一起构成一个反馈环路。调制器以远大于奈奎斯特频率的采样率对模拟信号进行采样和量化，输出一位数字位流。数字低通滤波器完成低通滤波和抽取功能。Σ-Δ调制器的特点在于它的噪声整型特性。它将模拟输入与反馈信号(误差信号)进行差动(delta)比较，将比较产生的差动输出馈送到积分器(sigma)中，然后将积分器的输出馈送到比较器中。比较器的输出同时将反馈信号(误差信号)通过一位DAC后传送到差动器，而自身被馈送到数字滤波器中。一种集成Σ-Δ型ADC原理框图Σ-Δ调制器Σ-Δ型A/D转换器特点1、精度很高。2、转换速率不够高,适于音频采样。3、需设计数字滤波器。6Half-Flash模拟转换器将转化比特分为高字节和低字节，以FLASH型ADC级联的结构进行模数转换转换速度处于FLASH和逐次比较型之间，减小了驱动电流。7各种ADC的比较书上图2.8性能比较的方面a.转换精度b.最大转换速度采样和保持模拟信号经采样后，得到一系列样值脉冲。采样脉冲宽度τ一般是很短暂的，在下一个采样脉冲到来之前，应暂时保持所取得的样值脉冲幅度，以便进行转换。因此，在取样电路之后须加保持电路。采样保持电路图中(a)是一种常见的取样保持电路，场效应管V为采样门，电容C为保持电容，运算放大器为跟随器，起缓冲隔离作用。在取样脉冲S(t)到来的时间τ内，场效应管V导通，输入模拟量Ui(t)向电容充电；假定充电时间常数远小于τ，那么C上的充电电压能及时跟上Ui(t)的采样值。采样结束，V迅速截止，电容C上的充电电压就保持了前一取样时间τ的输入Ui(t)的值，一直保持到下一个取样脉冲到来为止。取样保持电原理图输出波形图集成ADC的出厂参数和附加功能输入电平内部参考电压旁路参考电压