南航考研878数电课件第67章

§6-1集成数模转换器（DAC）§6-2集成模数转换器（ADC）从模拟信号到数字信号的转换称为模/数转换（简称A/D转换），实现模/数转换的电路叫做A/D转换器（简称ADC）。从数字信号到模拟信号的转换称为数/模转换（简称D/A转换），实现数/模转换的电路称为D/A转换器（简称DAC）。第六章集成DAC和ADC的原理与组成典型的数字控制系统框图§6-1集成数模转换器（DAC）DAC:把输入的数字量变换成与之成一定比例的模拟量。特点：电流相加型，电阻取值太多。数模转换器数字量和模拟量的关系6-1-1常用D/A换器技术6-1-2集成DAC的组成6-1-3DAC的主要技术参数6-1-4集成DAC芯片的选择6-1-5典型集成DAC应用举例§6-1集成数模转换器（DAC）6-1-1常用D/A转换技术一、权电阻网络DAC模拟开关，Di＝0，开关断开；Di＝1，开关接通。电流－电压变换器权电阻网络，阻值与该位的权系数成反比。基准电压特点：电流相加型，电阻取值太多。理想集成运放工作在线性区的两个重要特点：虚短、虚断)2D2D2D2(DR2UI001122333REF00112233iDiDiDiDI根据叠加原理二、T型电阻网络DAC+VREFD3D2D1D0S3S2S1S02R2R2R2R2R2RRRRRFVOP3P2P1P0A在理想情况下，该电路有如下特点：不论网络中开关是接地或接VREF，网络中P0、Pl、P2、P3向左看或向右看的等效电阻均为2R，且网络在Σ点处的输出电阻总是一个恒定值，其值为3R。网络中Si开关接通VREF，而其它开关接地时，该位支路注入Σ点的电流与本位二进制的权成正比。+VREFD3D2D1D0S3S2S1S02R2R2R2R2R2RRRRRFVOP3P2P1P0AVREFP3I32R2R2R（虚地）VREFP3I22R2R2R（虚地）R2RP2(b)(a)30iii4REF001122334REF001122332DR32V)2D2D2D2D(R32VIDIDIDIDI支路等效电路30iii4REFFO2D2VRIVn位T形电阻网络，其输出电压表达式为：特点：电流相加型，电阻取值相等,流过开关的电流变化较大。特点：电压相加型，流过开关的电流变化较大。三、倒T型电阻网络DAC特点：电流相加型，开关的接触电阻影响转换精度。特点：为了克服模拟开关的导通电阻对DAC的转换精度的影响，引入了电流激励型DAC。用恒定电流源IREF，使注入各支路的电流为恒定值，模拟开关用电流开关，这种开关工作在放大状态，而不是工作在饱和状态，从而减小了开关转换的延迟时间，提高了工作速度。四、电流激励型DAC6-1-2集成DAC的组成1.仅集成电阻网络和模拟开关。2.集成了电阻网络、模拟开关、参考电源和输出运算放大器。3.除上之外，还集成了外围接口电路①带输入缓冲器或锁存器②带输入数据分配器③带输入串－并变换器④带输入FIFO6-1-3DAC的主要技术指标分辨率是DAC的最小输出电压VLSB和满量程输出电压VFSR之比。VLSB是指输入的数字量为1时的输出电压，它等于输入数字量最低位发生变化时对应的输出电压的变化量，VFSR是指输入的数字量每一位都为1时的输出电压，也称为最大输出电压。对于n位的DAC位数越多分辨率越高一、分辨率二、转换误差失调误差增益误差非线性误差转换误差包括由于参考电压偏离标准值、运算放大器零点漂移、模拟开关存在压降以及电阻阻值偏差等原因引起的误差。转换误差可以用VFSR的百分数表示，也可以用VLSB的倍数表示。如表示转换误差为最小输出电压的一半，0.2%FSR则表示转换误差与满量程输出电压之比为0.2%。三、转换速度转换速度是指从输入数字信号变化，到输出电流或电压达到稳态值所需要的时间，也称作输出建立时间。通常，把建立时间大于300μs的DAC称为低速DAC、10～300μs的称为中速DAC、0.01～10μs的称为高速DAC、小于0.01μs的称为超高速DAC。从DAC输入发生阶跃到输出稳定在规定的误差范围内所需的最大时间。表8-1-1几种集成DAC参数型号位数建立时间精度说明DAC083281μs0.2%FSR外接放大器，低功耗AD7524865ns±0.2%FSR高速DAC-08885ns±0.1%FSR高速AD976885ns0.075%FSR超高速，内含参考电源AD752010500ns1/2LSB中速DAC-02102μs±0.1%FSR中速、内含放大器AD7848122.5μs±1%FSR中速、内含FIFOAD7542120.25μs±0.1%FSR高速DAC1210121μs0.05%FSRZD394MZ143μs±0.005%FSR高精度DAC-16160.5μs±0.5%FSRAD75461610μs±0.0125%FSRDAC11381810μs0.0002%FSR高精度、内含参考电源AD1862200.35μs串行输入、内含参考电源6-1-4集成DAC芯片的选择首先要考虑转换精度和转换速度等参数，然后考虑如下几个方面：①输入数字量的特征：输入数字量的位数、编码方式、并行输入还是串行输入，逻辑电平的高低(TTL、CMOS或ECL)等。②输出特性：电流输出或电压输出、输出模拟量的范围、驱动负载的能力等。③参考电源的特征：如参考电源是内附还是外接、是恒定的还是可变的、是双极性还是单极性等。④动态特性：如输入数字量的更新周期、数据能够保持的时间、从数据输入到稳定输出所允许的延迟时间。⑤电源特性：如单电源供电或双电源供电、器件功耗等。⑥工作环境要求：环境温度、湿度要求，电源波动要求等。⑦数字接口特性：主要是与计算机连接时的接口要求和控制时序的匹配要求等。6-1-5典型集成DAC应用举例DAC0832原理图DAC0832内倒T形网络DAC0832双缓冲工作方式连接图和时序图DAC0832单缓冲和直通工作方式§6-2集成模数转换器（ADC）ADCVAVREFDADC的框图ADC：把模拟信号转换为一定格式的数字量。§6-2集成模数转换器（ADC）6-2-1A/D转换的一般过程6-2-2常用A/D转换技术6-2-3集成ADC的组成6-2-4ADC的主要技术参数6-2-5集成ADC芯片的选择6-2-6典型集成ADC应用举例6-2-1A/D转换的一般过程把模拟信号转换为数字量一般要经过采样、保持、量化和编码等四个步骤。采样和保持通常由采样保持电路完成。一、采样和保持采样:将时间上连续变化的信号转换为时间上离散的信号，即将时间上连续变化的模拟量转换为一系列等间隔的脉冲，且脉冲幅值取决于输入模拟量的幅值。采样电路框图输入的模拟信号采样后的输出信号周期性的采样脉冲信号采样定理：设采样脉冲s(t)的频率为fs，输入模拟信号VA(t)的最高频率分量的频率为fmax，必须满足fs≥2fmax,v(t)才可以正确的反映输入信号(从而能不失真地恢复原模拟信号)。采样过程波形图保持电路采样脉冲作用期间内，采样开关T导通，输入信号VA(t)通过采样开关T给电容C充电。采样开关导通电阻很小，充电时间常数远小于采样脉冲的宽度，使电容C上的电压VC在小于采样脉冲宽度的时间内充到和输入电压VA(t)相同的值，该值贮存在电容C上。当采样脉冲过去后，因运算放大器输入阻抗很大，且采样开关断开电阻也很大，电容漏电很小，存贮在电容C上的电压VC基本保持不变。采样保持电路及波形二、量化和编码量化：将采样保持电路的输出电压幅度进行离散化的处理，离散后的电平称为量化电平。量化误差：将采样电压按一定的等级进行量化所产生的误差。量化方法：一般采用只舍不入（去零求整）和四舍五入两种方法。编码：用二进制码表示离散电平。四舍五入去零求整把0～7V的输入电压范围分为8级，每一级为1V，即量化后的电压取值为0V、1V、…、7V。量化误差6-2-2常用A/D转换技术一、并行型A/D转换器二、串/并型A/D转换器三、逐次比较型A/D转换器四、双积分型A/D转换器一、并行型A/D转换器编码器Q8Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1D0D1D2OVR/2VREFVAC11DQRC11DQRC11DQRC11DQRC11DQRC11DQRC11DQRC11DQR/2CP电压比较器并行型A/D转换器量化和编码二、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），成本较底。逐次比较型A/D转换器由电压比较器、控制电路、DAC、数码设定器和输出数码寄存器组成。其转换方法是将输入模拟量VA同DAC的输出电压VF做若干次比较，使设定的数字量逐次逼近输入模拟量。所以也称这种ADC为逐次逼近ADC。二、逐次比较型A/D转换器12位二进制A/D转换电压2865（量化单位）的比较过程逐次比较型ADC的VF波形图（VA=2865量化单位）三、双积分型A/D转换器双积分ADC的原理是先把被转换电压VA变换成与VA成正比的时间间隔Δt，然后用频率恒定的计数脉冲在时间间隔Δt内进行计数，最后由计数值N得到与VA成正比的数字量。双积分ADC的原理框图如图所示。它由输入转换开关S、积分器(由电阻R、电容C和运算放大器组成)、电压比较器(又称过零鉴别器)、脉冲产生器、控制电路和计数器等组成。双积分型ADC原理图双积分ADC工作波形1、开始时，计数器为零，电容C上电压为零。2、第一阶段：S1接通，S2断开，积分器对VA积分，G为高，门开，计数器计数，直到计满，计数器重新回零。3、第二阶段：S2接通，S1断开，积分器对-VREF积分，G为高，门开，计数器计数，直到G低，门关，计数器停止计数。双积分型A/D转换器工作原理例8-2-1设双积分ADC中计数器是十进制的，其最大容量N1=(2000)10，时钟频率fCP=10kHz，VREF=-6V，求：①完成一次转换的最长时间；②当计数器输出的计数值为N2=(369)10时，对应的输入电压VA的值。当计数值为N2=(369)10时解：当ADC第一次和第二次积分时，计数器都计到最大值时，所需时间最长，因此，最长转换时间为：3位半BCD码双积分型ADC功能图模数转换器ICL7135连接图和工作时序图1、抗干扰能力强。2、电路结构简单。3、编码方便。4、转换速度低。双积分型A/D转换器的特点6-2-3集成ADC的组成1、仅集成量化编码器电路。2、集成了S-H电路和量化编码器电路。3、除上之外，还集成了外围接口电路。①、带有各种输出接口②、带有多路输入通道选择③、带有内部存储器④、带有输出分配电路⑤、带有微处理器的可编程ADC6-2-4ADC的主要技术参数一、分辨率：分辨率是指输出数字量最低位变化时所对应的输入模拟量的变化量。即ADC所能分辨的输入模拟量的最小值。因此，当ADC的位数为n，最大输入电压为VMAX时MAXn1V21分辨率二、转换误差：绝对误差：定义为输出数字量对应的理论模拟值与实际输入模拟值之间的差值（±1/2LSB,±1LSB)。相对误差：定义为上述差值与额定最大输入模拟值的百分数（±0.05%，±0.1%)。三、转换时间：ADC完成一次转换所需的时间。转换误差除量化误差外，还包括由电路本身引起的失调误差、增益误差和非线性误差等，常用相对误差和绝对误差两种方式表示。6-2-5集成ADC的选择要考虑的因素：一、输入模拟量的性质二、系统对分辨率、转换精度、转换时间等的要求三、参考电压四、输出要求五、控制时序六、环境要求七、功耗、体积、成本等集成ADC产品的选择表8-2-3几种集成ADC参数型号位数转换时间精度说明AD9002AD8125MHz0.5LSB并行型，不用S-HAN68591020M±1LSB并行型，不用S-HAD7824KN82μs±1LSB串/并行型，4通道AD578125μs0.075%FSR串/并行型ADC08098100μs±1LSB逐次比较型，8通道AD574A1225μs±0.0125%