24模块二十四

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,*,电工电子技术基础,人民邮电出版社,知识模块二十 模数与数模转换器,主要内容,模数和数模转换的基本概念和转换原理。,典型的,ADC,、,DAC,工作原理。,集成转换器的应用。,重点,ADC,、,DAC,转换方法。,一、,模数转换器,1,模数转换基本原理,A/D,转换是将时间连续、幅值也连续的模拟信号转换为时间和幅值都离散的数字信号，首先对模拟信号进行周期性抽取样值获得一系列等间隔的脉冲，经保持后得到阶梯波，接着将样值电平归化到离散电平，最后用二进制数码表示输出的数字量。转换过程一般通过采样、保持、量化和编码四个步骤完成。,u,i,或,i,i,d,0,d,1,d,n-1,A/D,输出,（,1,）采样和保持,采样是对模拟信号进行周期性抽取样值的过程，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，脉冲的幅度取决于输入模拟量大小。,采样原理,采样保持电路,由于,A/D,转换需要一定的时间，模拟信号经采样后，得到一系列样值脉冲，在采样电路后必须加上保持电路，实际采样一保持是做成一个电路。,在采样脉冲,S(t,),到来的时间,内，电容充电；采样结束，电容,C,上的充电电压保持前一取样时间,的输入,U,i,(t,),的值，一直保持到下一个取样脉冲到来为止，当下一个取样脉冲到来，电容,C,上的电压再按输入,U,i,(t,),变化。,（,2,）量化和编码,输入的模拟电压经过采样保持后，得到阶梯波仍是一个可连续取值的模拟量，必须经过量化，将采样保持后的样值电平归化到与之接近的离散电平上。指定的离散电平称为量化电平，两个量化电平之间的差值称为量化间隔,S,，位数越多，量化等级越细，,S,就越小。,编码，用一串二进制数码来表示各个量化电平，经编码后得到的代码就是,ADC,输出的数字量。采样保持后未量化的,U,o,值与量化电平,Uq,值通常是不相等的，其差值称为量化误差,，即,=,U,o,U,q,。,量化的方法一般有两种：只舍不入法,将取样保持信号,U,o,不足一个,S,的尾数舍去，取其原整数；有舍有入法,当,U,o,的尾数,S,/2,时，用舍尾取整法得其量化值，而当,U,o,的尾数,S,/2,时，用舍尾入整法得其量化值。,只舍不入法 有舍有入法,2,模数转换器的主要技术指标,分辨率,ADC,输出数字量的最低位变化一个数码时，对应输入模拟量的变化量，它说明,ADC,对输入信号的分辨能力。,以输出二进制数的位数表示分辨率，例如,n,位输出的,ADC,能区分输入电压的最小值为满量程输入的,1/2,n,。,相对精度,ADC,实际输出数字量与理论输出数字量之间的最大差值，也就是实际各个转换点偏离理想特性的误差。,误差通常用最低有效位,LSB,的倍数来表示，如相对精度不大于,(1/2)LSB,，说明实际输出数字量与理论输出数字量的最大误差不超过,(1/2)LSB,。,转换速度,ADC,完成一次转换所需要的时间，从接到转换启动信号开始，到输出端获得稳定的数字信号所经过的时间。,转换速度主要取决于转换电路的类型。,3,集成,ADC,ADC0809,芯片根据地址锁存译码器的输入组合来选择输出,IN,0,IN,7,控制通道模拟开关，同时芯片内有输出数据锁存器，当芯片与计算机连接时，转换电路的输出可以直接连接在,CPU,数据总线上，而无需再附加逻辑接口电路。,4,几种典型的,ADC,工作原理,（,1,）逐次逼近式,ADC,逐次逼近式,ADC,将输入的模拟电压,U,i,与一系列的基准电压,U,O,从高位到低位逐位进行比较，并依次确定各位数码是,1,还是,0,，以此方式进行,A/D,转换，一般由顺序脉冲发生器、逐次逼近寄存器、数模转换器和电压比较器等几部分组成。,转换开始前，先将逐位逼近寄存器清,0,，开始转换后，控制逻辑将逐位逼近寄存器的最高位置“,1”,，使其输出为,100000,，这个数码被,DAC,转换成相应的模拟电压,U,O,，送至比较器与输入,U,i,比较。,若,U,O,U,i,，说明寄存器输出的数码大了，应将最高位改为“,0”,（去码），同时设次高位为“,1”,；,若,U,O,U,i,，说明寄存器输出的数码还不够大，需将最高位设置的“,1”,保留（加码），同时也设次高位为“,1”,。,【,例,1】,在,4,位逐次逼近型,ADC,中，设,U,R,=10V,，,U,I,=8.2V,，试说明逐次比较的过程和转换结果。,【,解,】,启动脉冲后，在第一个,CP,作用下，,D/A,转换器,d,3,d,2,d,1,d,0,=1000,。,则,U,O,U,I,，故,d,3,=1,，在第二个,CP,脉冲下，,d,3,d,2,d,1,d,0,=1100,；,则,U,O,U,I,，故,d,1,=0,，在第四个,CP,脉冲下，,d,3,d,2,d,1,d,0,=1101,；,则,U,O,U,I,，故,d,0,=1,；,因此转换结果：,d,3,d,2,d,1,d,0,=1101,。,（,2,）并联比较型,ADC,并联比较型,ADC,由电压比较器，寄存器和编码器三部分构成，如,3,位并联比较型,ADC,，电压比较器由电阻分压器和七个比较器构成，将,1/16,U,R,到,13/16,U,R,之间分为七个量化电平，同时，将模拟输入,U,IN,与这七个量化电平进行比较，若,U,IN,大于比较器的参考电平，则比较器的输出,1,，否则输出,0,。,二、数模转换器,1,DAC,的基本原理和性能指标,（,1,）转换原理,数字量是代码按数位组合表示的，对于有权码，每位代码都有一定的权。将每一位的代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，实现从数字量到模拟量的转换。,u,o,或,i,o,d,0,d,1,d,n-1,D/A,输入,DAC,的转换特性，指其输出模拟量和输入数字量之间的转换关系。,理想的,DAC,转换特性，是输出模拟量与输入数字量成正比，如果输入为,n,位二进制数,d,n-1,dn,-2,d,1,d,0,，则输出模拟电压为：,（,2,）,DAC,的组成和分类,n,位,DAC,由数码寄存器、模拟电子开关电路、解码网络、求和电路及基准电压几部分组成。,基准电压,数码,寄存器,n,位数字量输入,n,位模拟,开关,解码网络,求和电路,模拟量,输出,（,3,）数模转换器的主要技术指标,分辨率,模拟输出电压可能被分离的等级数，用于表征,DAC,对输出微小量变化敏感程度。,用输入数字量的位数表示,DAC,的分辨率；也可以用,DAC,的最小输出电压与最大输出电压的比值来表示，如,n,位,D/A,转换器的分辨率可表示为,1/,（,2,n,1,）。,转换精度,输出模拟电压的实际值与理想值之差，即最大静态转换误差。,这种误差由转换过程中的比例系数误差、漂移误差、非线性误差等。,转换速度,转换速度一般由建立时间决定，从数字信号输入,DAC,起，到输出电流（或电压）达到稳态值所需的时间为建立时间。,一般用,DAC,输入的数字量从,0,变为全,1,时，输出电压达到规定的误差范围（,LSB/2,）时所需时间表示。,温度系数,在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。,一般用满刻度输出条件下温度每升高,1,，输出电压变化的百分数作为温度系数。,2,集成,DAC,AD7520,A741,12V,12V,V,REF,D,0,D,1,1,0,D,2,D,3,D,4,D,5,D,6,D,7,D,8,D,9,500,500,U,o,1,2,3,4,5,6,7,8,10,9,11,12,13,14,15,16,1,2,3,4,5,6,7,8,15V,AD7520,采用的倒,T,形电阻网络,3,几种典型,DAC,工作原理,（,1,）倒,T,形电阻网络,D/A,转换器,（,2,）权电阻网络,DAC,（,3,）,T,型电阻网络,DAC,