《AD和DA转换简介》PPT课件.ppt

1 A D与D A转换 DigitalElectronicsTechnology 2 问题的提出 当计算机用于数据采集和过程控制的时候 采集对象往往是连续变化的物理量 如温度 电压 电流等 但计算机处理的是离散的数字量 因此需要对连续变化的物理量 模拟量 进行采样 保持 再把模拟量转换为数字量交给计算机处理 保存等 计算机输出的数字量有时需要转换为模拟量去控制某些执行元件 如声卡播放音乐等 A D转换器完成模拟量 数定量的转换 D A转换器完成数字量 模拟量的转换 传感器 温度 电压 电流等模拟量 A D 计算机 数字量 显示器 D A 执行部件 模拟量控制 打印机 能够将模拟量转换为数字量的器件称为模数转换器 简称A D转换器或ADC 能够将数字量转换为模拟量的器件称为数模转换器 简称D A转换器或DAC A D和D A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 3 A D转换电路 工作原理 电路类型 技术指标 1 2 3 4 工作原理 模拟量输入 数字量输出 A D转换是将模拟信号转换为数字信号 转换过程由采样 保持 量化和编码四个步骤完成 Vin 采样 保持 量化 编码 Dout 5 工作原理 采样是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 采样脉冲 输入模拟信号 采样输出信号 1 采样和保持 采样过程 6 工作原理 模拟信号经采样后 得到一系列样值脉冲 采样脉冲宽度 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 在采样脉冲S t 到来的时间 内 VT导通 UI t 向电容C充电 假定充电时间常数远小于 则有 UO t US t UI t 采样 采样结束 VT截止 而电容C上电压保持充电电压UI t 不变 直到下一个采样脉冲到来为止 保持 取样保持电路及输出波形 7 工作原理 输入的模拟电压经过取样保持后 得到的是阶梯波 而该阶梯波仍是一个可以连续取值的模拟量 但n位数字量只能表示2n个数值 因此 用数字量来表示连续变化的模拟量时就有一个类似于四舍五入的近似问题 2 量化和编码 将采样后的样值电平归化到与之接近的离散电平上 这个过程称为量化 指定的离散电平称为量化电平Uq 用二进制数码来表示各个量化电平的过程称为编码 两个量化电平之间的差值称为量化单位 位数越多 量化等级越细 就越小 取样保持后未量化的Uo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 Uo Uq 量化的方法一般有两种 只舍不入法和有舍有入法 8 工作原理 1 只舍不入法当Uo的尾数 时 舍尾取整 这种方法 总为正值 max 2 有舍有入法当Uo的尾数 2时 舍尾取整 当Uo的尾数 2时 舍尾入整 这种方法 可正可负 但是 max 2 因此 它的误差要小 9 电路类型 A D转换器有直接转换法和间接转换法两大类 直接法是通过一套基准电压与取样保持电压进行比较 从而直接将模拟量转换成数字量 其特点是工作速度高 转换精度容易保证 调准也比较方便 直接A D转换器有并行比较型 逐次逼近型 计数型等 间接法是将取样后的模拟信号先转换成中间变量时间t或频率f 然后再将t或f转换成数字量 其特点是工作速度较低 但转换精度可以做得较高 且抗干扰性强 间接A D转换器有单次积分型 双积分型等 10 电路类型 1 并行比较型 寄存器 由七个D触发器构成 在时钟脉冲CP的作用下 将比较结果暂时寄存 以供编码用 编码器 由六个与非门构成 将比较器送来的七位二进制码转换成三位二进制代码D2 D1 D0 编码网络的逻辑关系为 并行ADC原理图 11 电路类型 并行比较型A D转换器的转换关系 12 电路类型 例如 假设模拟输入UIN 3 8V UR 8V 当模拟输入UIN 3 8V加到各级比较器时 由于 因此 比较器的输出C6 C0为0001111 在时钟脉冲作用下 比较器的输出存入寄存器 经编码网络输出A D转换结果 D2D1D0 100 优点 转换速度很快 缺点 电路复杂 转换精度较低 适用于高速 精度较低的场合 13 电路类型 逐次逼近型A D转换器原理图 2 逐次逼近型 14 电路类型 转换开始前先将逐次逼近寄存器SAR清 0 开始转换以后 第一个时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1 使输出数字为100 0 这个数码被D A转换器转换成相应的模拟电压uo 经偏移 2后得到uO uO 2 并送到比较器中与uI 进行比较 若uI uo 说明数字过大 故将最高位的1清除置零 若uI uo 说明数字还不够大 应将这一位保留 然后 按同样的方法将次高位置成1 并且经过比较以后确定这个1是保留还是清除 这样逐位比较下去 一直到最低位为止 比较完毕后 SAR中的状态就是所要求的数字量输出 逐次逼近型A D转换器的工作原理 15 电路类型 例 若UREF 4V n 4 当采样保持电路输出电压uI 2 49V时 说明逐次逼近型ADC电路的A D转换过程 解 量化单位为 偏移电压为 2 0 125V 转换的结果为 d3d2d1d0 1010 16 电路类型 DAC的输出电压随着计数器所计数字的增加而增加 当DAC输出电压vO刚刚超过输入电压vI时 比较器的输出由高电平变为低电平 与门被禁止 计数器停止计数 此时计数器所计数字恰好与输入电压vI相对应 在比较器输出由高电平变为低电平时 计数器的输出被送入 位D触发器 这时 位D触发器的输出就是与输入模拟电压vI相对应的二进制数输出量 3 计数型 17 基于双因子对角加载的自适应波束形成 DFDL 4 双积分型 积分ADC属于电压 时间变换的间接A D转换器 其对一段时间内的输入电压及参考电压进行两次积分 变换成与输入电压平均值成正比的时间间隔 在这个时间间隔里对固定频率的时钟脉冲进行计数 计数结果就是正比于输入模拟信号的数字信号输出 18 技术指标 分辨率 1 分辨率分辨率指A D转换器对输入模拟信号的分辨能力 从理论上讲 一个n位二进制数输出的A D转换器应能区分输入模拟电压的2n个不同量级 能区分输入模拟电压的最小差异为 满量程输入的1 2n 例如 A D转换器的输出为12位二进制数 最大输入模拟信号为10V 则其分辨率为 19 2 转换时间转换时间是指A D转换器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 A D转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型 不同类型A D转换器的转换速度相差很大 双积分型A D转换器的转换速度最慢 需几百毫秒左右 逐次逼近式A D转换器的转换速度较快 需几十微秒 并行比较型A D转换器的转换速度最快 仅需几十纳秒时间 技术指标 20 3 转换误差它表示A D转换器实际输出的数字量和理论上输出的数字量之间的差别 常用最低有效位的倍数表示 例如 转换误差 就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字 例 某信号采集系统要求用一片A D转换集成芯片在1s内对16个热电偶的输出电压分数进行A D转换 已知热电偶输出电压范围为0 25mV 对应于0 450 温度范围 需分辨的温度为0 1 试问应选择几位的A D转换器 其转换时间为多少 解 分辨率 12位ADC的分辨率 故需选用13位A D转换器 转换时间 技术指标 21 D A转换电路 工作原理 电路类型 技术指标 1 2 3 22 工作原理 D A转换器是将输入的二进制数字量转换成模拟量 以电压或电流的形式输出 D A转换器实质上是一个译码器 解码器 其输出模拟电压uO和输入数字量Dn之间成正比关系 UREF为参考电压 uO DnUREF 23 工作原理 D A转换器一般由数码缓冲寄存器 模拟电子开关 参考电压 解码网络和求和电路等组成 数字量以串行或并行方式输入 并存储在数码缓冲寄存器中 寄存器输出的每位数码驱动对应数位上的电子开关 将在解码网络中获得的相应数位权值送入求和电路 求和电路将各位权值相加 便得到与数字量对应的模拟量 24 电路类型 1 权电阻型D A转换器 模拟开关 受Di控制 Di 1时 模拟开关左拨 Di 0时 模拟开关右拨 权电阻网络 求和放大器 MSB LSB 25 电路类型 虚断 运算放大器总的输入电流为 运算放大器输出电压为 令RF R 2 则 即 输出的模拟电压uO正比于输入的数字量Dn 从而实现了从数字量到模拟量的转换 26 电路类型 因而uO的变化范围是 权电阻网络D A转换器的特点 优点 结构简单 电阻元件数较少 缺点 阻值相差较大 制造工艺复杂 27 电路类型 2 倒T形电阻网络D A转换器 模拟量输出 求和点 倒T型电阻网络D A转换器原理图 电阻解码网络中 电阻只有R和2R两种 并构成倒T型电阻网络 当di 1时 相应的开关Si接到求和点 当di 0时 相应的开关Si接地 由于虚短 求和点和地相连 所以不论开关如何转向 电阻2R总是与地相连 这样 倒T型网络的各节点向上看和向右看的等效电阻都是2R 整个网络的等效输入电阻为R 28 电路类型 参考电压UREF供出的总电流为 分流 流入求和点的各支路电流为 29 电路类型 流入求和点的电流为 虚断 运算放大器的输出电压为 30 电路类型 倒T型电阻网络D A转换器的特点 优点 电阻种类少 只有R和2R 提高了制造精度 而且支路电流流入求和点不存在时间差 提高了转换速度 应用 它是目前集成D A转换器中转换速度较高且使用较多的一种 如8位D A转换器DAC0832 就是采用倒T型电阻网络 令RF R 则 即 输出的模拟电压uO正比于输入的数字量Dn 从而实现了从数字量到模拟量的转换 31 技术指标 分辨率用于表征D A转换器对输入微小量变化的敏感程度 分辨率 分辨率越高 转换时对输入量的微小变化的反应越灵敏 而分辨率与输入数字量的位数有关 n越大 分辨率越高 D A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数 可用输入数字量的位数n表示D A转换器的分辨率 可用D A转换器的最小输出电压与最大输出电压之比来表示分辨率 1 分辨率 32 基于双因子对角加载的自适应波束形成 DFDL 2 转换精度 D A转换器的转换精度是指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 3 转换速度 从输入的数字量发生突变开始 到输出电压进入与稳定值相差 0 5LSB范围内所需要的时间 称为建立时间tset 目前单片集成D A转换器 不包括运算放大器 的建立时间最短达到0 1微秒以内 4 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 33 谢谢大家