第10章数模变换器和模数变换器

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第10章数模变换器和模数变换器,一、能将数字量转换为模拟量的装置称为数/模变换器,( 简称,D/A变换器,),; 能将模拟量转换为数字量的装置称为模/数变换器,( 简称,A/D变换器,)。,10.1 概述,二、分类,A/D转换器：直接A/D转换器：输入的模拟信号被直接转换成输出的数字信号。间接A/D转换器：输入的模拟信号首先被转换成某种中间量例如时间、频率等然后再将这种中间量转换成所需要的数字信号输出。,D/A转换器：直接D/A转换器，间接D/A 转换器。,三、模数之间转换的意义,1、计算机的应用；,2、数字测量仪表；,3、数字通信和遥测；,四、A/D转换器、D/A转换器的应用,放大器,传感器,(温度、压力、流量、应力等）,采样/保持器,A/D,计算机,显示器,D/A,示波器,打印机,计算机进展各种数字处理如滤波、计算、数据保存、打印等,显示器显示字符、曲线、图形、图象等,10.2 D/A 变换器Digital Analog Converter,一、概述,1、D/A转换器可以认为是一种译码电路，它可以将按一定方案编码的数字信号，转换成模拟信号，并以电压或电流的形式输出。,2、三种根本形式,1随意的D/A：每个代码所对应的输出电压可以根据需要任意规定。,2非线性的D/A：输出的电压和输入的数字量之间成线性关系。,3线性的D/A：输出电压UO和输入的数字量D之间成线性关系。即,UO=DUR UR位模拟参考电压,10.2 D/A 变换器,一、概述,3、方框图,寄存器,参考电压源,电阻译码器,n位模拟开关,输入,D,U,o,存放器：暂时存放输入的数字量D，并控制n个模拟开关的转换。,模拟开关：对应于数字量为1的位，开关将参考电源UR按位切换到译码器，对应于数字量为0的位，开关接通到地。,电阻译码器：把输入D中各位的1，按权变换成电流。,由于构成数字代码的每一位都有一定的“权重，因此为了将数字量转换成模拟量，就必须将每一位代码按其“权重转换成相应的模拟量，然后再将代表各位的模拟量相加，即可得到与该数字量成正比的模拟量，这就是构成D/A变换器的根本思想。,二、 权电阻D/A变换器,1、电路组成,A,u,O,R,I,3,S,3,d,3,+,U,REF,2,3,R,I,0,S,0,d,0,2,2,R,I,1,S,1,d,1,2R,I,2,S,2,d,2,R/2,U,REF,：基准电源。,A：求和放大器。数字信号转换成电流，在输入端叠加后，以模拟电压形式输出。,权电阻网络：每个电阻的阻值与对应的权成反比。,模拟电子开关：S,0,，S,1,，S,2,，S,3,它们受被转换的二进制数字信号所控制。当d,i,=1时，S,i,接到U,REF,，反之，S,i,接地。,二、 权电阻D/A变换器,1、电路组成,A,u,O,R,I,3,S,3,d,3,+,U,REF,2,3,R,I,0,S,0,d,0,2,2,R,I,1,S,1,d,1,2R,I,2,S,2,d,2,R/2,2、工作原理,当四位二进制数字信号d,0,，d,1,，d,2,，d,3,到来时，流入A的总电流,I= I,0,d,0,+I,1,d,1,+I,2,d,2,+I,3,d,3,=,二、 权电阻D/A变换器,1、电路组成,A,u,O,R,I,3,S,3,d,3,+,U,REF,2,3,R,I,0,S,0,d,0,2,2,R,I,1,S,1,d,1,2R,I,2,S,2,d,2,R/2,2、工作原理I,对于n位的权电阻网络D/A转换器则有 I=,运算放大器输出的模拟电压u,o,=IR,f,=,输出的模拟电压正比于输入的数字量，因此实现了从数字量到模拟量的变换。,二、 权电阻D/A变换器,1、电路组成,A,u,O,R,I,3,S,3,d,3,+,U,REF,2,3,R,I,0,S,0,d,0,2,2,R,I,1,S,1,d,1,2R,I,2,S,2,d,2,R/2,2、工作原理,例如：数字量二进制数(1011)2=(11)10,当1101输入后，输出电压：,二、 权电阻D/A变换器,1、电路组成,A,u,O,R,I,3,S,3,d,3,+,U,REF,2,3,R,I,0,S,0,d,0,2,2,R,I,1,S,1,d,1,2R,I,2,S,2,d,2,R/2,2、工作原理,3、说明,优点：简单、直观,缺点：权电阻网络中各电阻阻值的精度很难实现，且难以集成。,三、T型电阻网络D/A转换器,1、电路组成,2、工作原理,模拟电子开关：S,0,，S,1,，S,2,，S,3,它们受被转换的二进制数字信号所控制。当d,i,=1时，S,i,接到U,REF,，反之，S,i,接地。,2R,u,O,2R,S,2,d,2,+,A,U,REF,2R,S,3,d,3,2R,S,0,d,0,2R,S,1,d,1,R,3R,2R,R,R,1T型电阻网络的简化,和权电阻网络相比，T形解码网络中电阻的类型少，,只有R、2R两种，电路构成比较方便。,三、T型电阻网络D/A转换器,1、电路组成,2、工作原理,2R,u,O,2R,S,2,d,2,+,A,U,REF,2R,S,3,d,3,2R,S,0,d,0,2R,S,1,d,1,R,3R,2R,R,R,1T型电阻网络的简化,2R,2R,2R,2R,2R,A,A,R R R 2R 虚地,A,2R 2R,A,I/2 I/2,I=U,REF,/3R,I/16,I/16,根据叠加原理：其他端点无论是接地还是接电源，都可按上述方法处理。,三、T型电阻网络D/A转换器,1、电路组成,2、工作原理,2R,u,O,2R,S,2,d,2,+,A,U,REF,2R,S,3,d,3,2R,S,0,d,0,2R,S,1,d,1,R,3R,2R,R,R,1T型电阻网络的简化,B,2R 2R,B,I/2 I/2,I=U,REF,/3R,I/8,I/16,2R,2R,2R,2R,2R,B,R R R 2R 虚地,B,I/8,I/4,I/2,三、T型电阻网络D/A转换器,1、电路组成,2、工作原理,2R,u,O,2R,S,2,d,2,+,A,U,REF,2R,S,3,d,3,2R,S,0,d,0,2R,S,1,d,1,R,3R,2R,R,R,1T型电阻网络的简化,I=U,REF,/3R,I/16,I/8,I/4,I/2,2电流分流,当某一端点接参考电源，流进该端点的电流为I=UREF/3R每个端点均一样但对运算放大器的反相端的电流奉献却不一样,三、T型电阻网络D/A转换器,1、电路组成,2、工作原理,2R,u,O,2R,S,2,d,2,+,A,U,REF,2R,S,3,d,3,2R,S,0,d,0,2R,S,1,d,1,R,3R,2R,R,R,3流入放大器的总电流,I=U,REF,/3R,I/16,I/8,I/4,I/2,根据叠加原理。当四位二进制数字信号d,0,，d,1,，d,2,，d,3,到来时，流入A的总电流I,总,=I,0,d,0,+I,1,d,1,+I,2,d,2,+I,3,d,3,，即,三、T型电阻网络D/A转换器,1、电路组成,2、工作原理,2R,u,O,2R,S,2,d,2,+,A,U,REF,2R,S,3,d,3,2R,S,0,d,0,2R,S,1,d,1,R,3R,2R,R,R,3流入放大器的总电流,I/16,I/8,I/4,I/2,4运算放大器输出的模拟电压,输出的模拟电压正比于输入的数字量。,5对于n位的T型网络D/A转换器那么有,三、T型电阻网络D/A转换器,1、电路组成,2、工作原理,2R,u,O,2R,S,2,d,2,+,A,U,REF,2R,S,3,d,3,2R,S,0,d,0,2R,S,1,d,1,R,3R,2R,R,R,I/16,I/8,I/4,I/2,3、说明,1所使用的电阻只有两种R和2R，故精度较高，便于集成。,2传输时间不同，影响工作速度。,3实用中使用倒T型电阻网络D/A转换器。,三、T型电阻网络D/A转换器,1、电路组成,2R,u,O,2R,S,2,d,2,+,A,U,REF,2R,S,3,d,3,2R,S,0,d,0,2R,S,1,d,1,R,3R,2R,R,R,I/16,I/8,I/4,I/2,S,1,S,0,u,O,+,A,U,REF,S,3,I/2,d,3,I/8,d,1,I/4,d,3,I/16,d,0,2R,2R R 2R R 2R R 2R I,S,2,R,四、具有双极性输出的D/A转换器可以输出正、负数,因为在二进制算术运算中，通常把带符号的数值表示为补码形式，所以希望D/A转换器能把输入的正、负数的补码分别转换成正、负极性的模拟电压。,1、输入为三位二进制补码时的输出,补码输入,对应的十,进制数,要求的输,出电压,d,2,d,1,d,0,0 1 1,0 1 0,0 0 1,0 0 0,1 1 1,1 1 0,1 0 1,1 0 0,+3,+2,+1,0,-1,-2,-3,-4,+3v,+2v,+1v,0,-1v,-2v,-3v,-4v,四、具有双极性输出的D/A转换器可以输出正、负数,2、电路形式,I,B,u,O,R,B,V,B,R/2,+,A,U,REF,2,0,R,S,2,d,0,2,1,R,I,f,S,1,d,1,2,2,R,I,S,0,d,2,3、工作原理,选择适宜的VB和RB使,由图可见：,2、电路形式,I,B,u,O,R,B,V,B,R/2,+,A,U,REF,2,0,R,S,2,d,0,2,1,R,I,f,S,1,d,1,2,2,R,I,S,0,d,2,3、工作原理,当U,REF,=8v时,四、具有双极性输出的D/A转换器可以输出正、负数,2、电路形式,I,B,u,O,R,B,V,B,R/2,+,A,U,REF,2,0,R,S,2,d,0,2,1,R,I,f,S,1,d,1,2,2,R,I,S,0,d,2,3、工作原理,当U,REF,=8v时,补码输入,对应的十,进制数,要求的输,出电压,d,2,d,1,d,0,0 1 1,0 1 0,0 0 1,0 0 0,1 1 1,1 1 0,1 0 1,1 0 0,+3,+2,+1,0,-1,-2,-3,-4,+3v,+2v,+1v,0,-1v,-2v,-3v,-4v,四、具有双极性输出的D/A转换器可以输出正、负数,五、D/A,变换器的主要技术指标,有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。,1、,分辨率：,指最小输出电压和最大输出电压之比。,2、线性度：通常用非线性误差的大小表示D/A 变换器的线性度。把偏离理想的输入输出特性的偏向与满刻度输出之比的百分数定义 为非线性误差。,3、输出电压( 电流 )的建立时间：完成一次转换的时间包括两局部：一是运算放大器到达稳定状态输出所需要的时间。二是距运算放大器最远的那一位输入信号的传输时间。,五、D/A,变换器的主要技术指标,4、转换误差,1比例系数误差：由于UREF偏离标准值引起的误差。其大小与输入的数字信号的大小有关。,2漂移误差：由运算放大器的零点漂移引起的误差。它与输入的数字信号无关。,3非线性误差：由模拟开关的压降和电阻网络中各电阻阻值的偏向引起。,4动态误差：在输入的数字量发生变化时，由于各位数传到放大器输入端的时间不一样而产生的误差。,六、D/A,转换器中的模拟开关,1、要求,1开关的状态是由输入的数字信号来控制的。,2因为它所传送的是模拟信号，所以要求开关的接通和断开不影响被传送的模拟信号数值，即应尽可能地接近理想开关。,六、D/A,转换器中的模拟开关,2、双极型模拟开关,T,1,+12v,+3v,-12v,u,O,+,A,d,i,2,i,R,+U,REF,T,2,T,4,T,3,2.2k,2.2k,2.2k,4.7k,当d,i,=1时：V=3vT,1,截止I,C1,=0V,B2,=-12vT,2,截止V,C2,=12vT,3,饱和，T,4,截止相当于开关S,i,接至U,REF,当d,i,=0时：V=0vT,1,饱和I,C1,很大V,B2,较高T,2,饱和V,C2,低电平T,3,截止，T,4,饱和相当于开关S,i,接至地,六、D/A,转换器中的模拟开关,3、CMOS开关电路,当输入端d,i,为高电平时：u,1,为低u,2,为高T,9,导通,u,3,为低 T,8,截止,当输入端d,i,为低电平时：u,1,为高u,2,为低T,9,截止,u,3,为高 T,8,导通,I,1,T,8,T,2,d,i,V,+,T,9,T,7,T,6,T,5,T,4,T,1,T,3,I,2,u,1,接2R电阻,u,2,u,3,T,1,，T,4,，T,6,，T,8,，T,9,为N沟道MOS管，T,2,，T,3,，T,5,，T,7,为P沟道MOS管。,T,1,与T,2,，T,4,与T,5,，T,6,与T,7,构成CMOS反相器。 T,1,与T,2,，T,4,与T,5,，T,6,与T,7,构成CMOS反相器。,A/D变换器的任务是将模拟量转换成数字量,它是模拟信号和数字仪器的接口。,10.3 A/D 变换器,(ADCAnalog Digital Converter),一、A/D转换的一般步骤,采样：按一定的时间间隔取模拟信号的量值。,保持：将所采样的模拟信号量值保持一段时间，以便转化成对应的数字量。,量化：将采样的模拟信号以最小数字单位量化单位去衡量，比较，取整。用有限个幅度值来表示断续脉冲的幅度值。,编码：量化后的数值用二进制数来表示。,采样/保持器,量化/编码,u,i,u,o,模拟输入,数字输出,A/D转换命令,一、A/D转换的一般步骤,1、采样和保持,1功能： 在A/D转换期间，使A/D的输入电压u2保持不变。,t,t,1,t,2,t,3,t,4,t,5,t,6,t,7,模拟信号,信号幅度,数字信号,A/D转换命令,为了用采样信号表示输入的模拟信号u,i,，必须满足采样定理 ：,f,s,2f,imax,f,s,为采样信号的频率，f,imax,为u,i,的最高频率分量的频率,t,采样信号,高电平期间u,o,跟随u,i,低电平期间u,o,保持不变，同时A/D进行转换,u,i,输入模拟信号,u,o,采样/保持器输出信号,2采样保持原理,一、A/D转换的一般步骤,1、采样和保持,u,i,(t),u,o,(t),C,由采样信号控制,3采样保持电路,一、A/D转换的一般步骤,1、采样和保持,根本形式,+,u,o,u,i,R,f,C,h,T,R,I,u,s,当us =1时，T导通，ui经RI和T给Ch充电，充电完毕后，uO=ui = uC,当us=0时，T截止，由于Ch上的电压可以在一段时间内根本保持不变，所以uO的数值也被保持下来。,根本电路形式的缺点：给C充电经过了RI，使较大，而RI又不能小，因RI为越小，输入电阻越小。,选择R,I,=R,f,3采样保持电路,一、A/D转换的一般步骤,1、采样和保持,实际电路,当S闭合时，A1和A2均工作在电压跟随器状态，所以uO=uO=us，同时uO经R2给Ch充电使uCh=ui，当us返回低电平后，S断开，但由于Ch上的电压不变，所以uO维持不变。,D1，D2构成保护电路。在S断开期间，假设ui发生变化，uO可能变得非常大。当uO比uO高或低一个二极管的压降时，D1，或D2导通，从而将uO限制在ui+uD以内，而在开关S闭合的情况下，uO和uO相等，故D1，D2均不导通，保护电路不起作用。,u,s,=1时，S闭合；u,s,=0时，S断开,R,2,R,1,+,+,C,h,A,2,A,1,L,u,o,u,S,u,i,D,2,D,1,u,i,S,一、A/D转换的一般步骤,2、量化和编码,在用数字量表示采样电压时，必须把它化成一个最小单位的整数倍。所规定的最小数量单位量化单位。,这个过程叫做量化。,例如：用8位二进制数去表示一个满刻度位255mv的模拟电压，8位二进制的最小数为00000001，表示1mv，而11111111表示255mv。,但假设模拟电压为1.5mv，那么是用00000001表示，还是用00000010表示？就取决于采用的量化方法。,一、A/D转换的一般步骤,2、量化和编码,1两种量化方法,只舍不入：当0mvuO1mv 取uO = 0mv,当1mvuO2mv 取uO = 1mv, ,有舍有入：当0mvuO0.5mv 取uO = 0mv,当0.5mvuO1.5mv 取uO =1mv, ,2编码将量化后的数值用二进制代码表示。,3量化误差由于模拟电压是连续的，它就不一定可以被整除，因此就不可防止地出现误差。,二、几种常用的A/D转换器,1、计数式反响型A/D转换器,1电路形式,d,0,u,I,u,L,转换控制信号,D/A转换器,计 数 器,G,C,时钟信号,模拟输入,u,o,+,-,d,1,d,n-2,d,n-1, ,2工作原理,转换开场前，先将计数器清零，此时uL=0，uC=1。,当uL =1时电路开场转换，时钟信号通过门G时计数器做加法计数。随着加法计数的进展，D/A的输出不断增加，当uO= uI时，比较器的输出uC=0，将门G封锁。于是计数器停顿工作。这时计数器中所存的数字就是输入模拟电压所对应的数字信号。,优点：电路构造简单。,缺点：转换速度太低。,二、几种常用的A/D转换器,2、逐次渐近型A/D转换器,1根本思路,假设有四个砝码共重15克，每个重量分别为8、4、2、1克。设待秤重量Wx = 13克，可以用下表步骤来秤量：,砝码重,第一次,第二次,第三次,第四次,加4克,加2克,加1克,8 克,砝码总重 待测重量,W,x,，故保留,砝码总重仍 待测重量,W,x,，故撤除,砝码总重 待测重量,W,x,，故保留,暂时结果,8 克,12 克,12 克,13 克,结 论,u,i,1/2V,m,0, uI，说明这个数字过大，故将最高位的“1去除；假设u0U,I,5V,R,/8,0 0 1 1 1 1 1 1 0 1,5V,R,/8,U,I,4V,R,/8,0 0 0 1 1 1 1 1 0 0,7V,R,/8,U,I,6V,R,/8,0 1 1 1 1 1 1 1 1 0,V,R,U,I,7V,R,/8,1 1 1 1 1 1 1 1 1 1,4V,R,/8,U,I,3V,R,/8,0 0 0 0 1 1 1 0 1 1,3V,R,/8,U,I,2V,R,/8,0 0 0 0 0 1 1 0 1 0,2V,R,/8,U,I, V,R,/8,0 0 0 0 0 0 1 0 0 1,V,R,/8,U,I,0,0 0 0 0 0 0 0 0 0 0,特点：输入电压,U,I,每增加,V,R,/8,，,输出数字量增加,1,二、几种常用的A/D转换器,3、并行A/D转换器,三位并联比较型A/D转换器中的编码器真值表,一、,分辨率,：以输出二进制代码的位数表示分辨率。位数越多，量化误差越小，转换精度越高。,二、,转换速度,：完成一次A/D转换所需要的时间，即从它接到转换命令起直到输出端得到稳定的数字量输出所需要的时间。,三、相对精度：实际转换值和理想特性之间的最大偏向。,四、其它：,功率,。,电源电压,、,电压范围,等。,三、 A/D,变换器的主要技术指标,0,5V,00000000,11111111,每1个最低有效位,A/D电路,模拟输入,三态门,数字输出,寄存器,精密稳压电源,电源,计算机读取命令,时序控制电路,A/D转换命令,（来自计算机）,转换完成信号,（由计算机检测或申请计算机中断）,A/D,转换器,四、 计算机数据采集原理简介,A/D,转换器,转换完成信号,采样/保持器,模拟输入,读取数据命令,计算机,接口,A/D板,A/D转换命令,模拟输入电压在A/D转换期间应保持不变，否那么A/D的输出数据总随输入电压而变，所以需要采样/保持器。,四、 计算机数据采集原理简介,结论：,因为计算机屏幕波形显示是用不连续的点组成，所以，假设将被采样波形恢复显示，必须有足够大的采样率。,t,1ms,1kHz 1,2kHz 2,8kHz 8,16kHz 16,频率为1kHz的正弦波,4kHz 4,采样率 每周期采样点数,四、 计算机数据采集原理简介,在计算机屏幕上波形的恢复显示,谢谢大家！,