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类型第9章数模、模数转换.ppt

  • 上传人:gnk289057
  • 文档编号:12278043
  • 上传时间:2021-12-09
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    第9章数模、模数转换.ppt
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    1、第九章数 模和模 数转换 数字电路 计算机只能对数字信号进行处理 其结果为数字量 然而 自然界中绝大多数的物理量都是连续变化的模拟量 例如温度 速度 压力等 这些模拟量经传感器转换后所产生的电信号也是模拟信号 第九章数 模和模 数转换 若要数字装置或计算机对这些信号进行处理 就必须将其转换为数字信号 将模拟量转换为数字量的过程称为模 数转换简称A D转换 实现A D转换的电路被称之为模 数转换器 简称ADC AnalogtoDigitalConverter ADC转换所得到的数字信号经计算机处理 其输出仍为数字信号 而过程控制装置往往需要模拟信号去控制 所以经计算机处理后得到的数字信号必须转换

    2、为模拟信号 把数字量转换为模拟量的过程称作数 模转换 简称D A转换 完成D A转换的电路被称之为数 模转换器 简称DAC DigitaltoAnalogConverter 9 1数 模转换器 DAC DAC的输入是数字信号 它可以是任何一种编码 常用的是二进制码 输入可以是正数 也可以是负数 通常是无符号的二进制数 如图为D A转换框图 9 1数 模转换器 DAC 由于输入数字量的位数是有限的 所以输出的模拟量也是有限的 例如三位DAC只能有八个 相应模拟量输出的大小也只有八个不同值 DAC输出的模拟量与输入的数字量成正比 若比例系数为1 则4位DAC输入二进制数可以是0000 1111 输

    3、出模拟量的大小相应为0 15 DAC的输出有电流和电压之分 以电流输出为例 4位二进制数的展开式 A a3 23 a2 22 a1 21 a0 20在比例系数为1的前提下 输出电流的表达式为Iout a3 23I0 a2 22I0 a1 21I0 a0 20I0 为达到此目的 可采用图示原理图 图中开关Si受数字量中第i位数控制 当ai 1时 Si闭合 而ai 0时 Si断开 电流源的值与二进制数的权值相同 这样 A 0001时 Iout I0 A 0011时 Iout 3I0 如何得到与二进制数的权值相同数值的电流源呢 可以采用权电阻和R 2R倒T型电阻网络 9 1 1二进制权电阻DAC 用

    4、参考电压 基准电压 源VREF和权电阻网络得到权电流的原理最直观 4位二进制权电阻DAC如图9 1所示 9 1 1二进制权电阻DAC 由于4条支路的参考电压是一个 相邻支路 高位的阻值是低位阻值的二分之一 则高位支路的电流是低位支路电流的2倍 9 1 1二进制权电阻DAC 满足了二进制权电流的要求 当ai 1时 电子开关Si将相应权电阻接VREF 而ai 0时 Si将相应权电阻接地 由图9 1很容易写出 当输入的数字量超过4位时 每增加一位只要增加一个模拟开关和一个电阻即可 对于n位权电阻DAC有 总结 权电阻DAC的优点是简单直接 但当位数较多时 电阻的值域范围太宽 这就使得阻值种类太多 制

    5、成集成电路困难 对高位权电阻的精度和稳定性要求很苛刻 这是因为各位电阻值与二进制数位成反比 高位权电阻的误差对输出电流的影响比低位权电阻大得多 例如 一个12位的权电阻DAC VREF 10V 最高位权电阻阻值为1k 则最低位权电阻阻值为211 1k 2048k 2 048M 当最高位权电阻误差为0 05 时 引起的电流误差是 0 05 10V 1k 5 A 而最低位二进制数为1时 通过该电阻的电流为i0 10V 2 048M 4 88 即最高位由于电阻误差引起的误差电流比最低位转换电流还大 因此位数越多 对高位权电阻精度的要求越高 给生产带来很大困难 R 2R倒T型电阻网络DAC RR 2R

    6、倒T型电阻网络DAC如图9 2所示 它只有R和2R两种电阻 克服了二进制权电阻DAC电阻范围宽的缺点 R 2R倒T型电阻网络DAC 图图中的S3 S0为电子模拟开关 受数字量a3 a0的控制 ai 1时 Si接运放的虚地端 ai 0时 Si接地 对于理想放大器V V 即反相端电位为0 称之为虚地 虚地并非真的地 这个电路有两个特点 无论数字量是0或1 开关S均相当于接地 因此Si无论是接地或接虚地端 流入每个2R支路的电流都是不变的 这个电路有两个特点 由A B C D各节点向下和向右看的两条支路的等效电阻都是2R 节点到地的等效电阻则为2R 2R R 所以每条支路的电流都是流入节点电流的一半

    7、 由上述分析可写出图9 2各支路的电流为 考虑到数字量的控制作用 流入运算放大器的电流可写作 对于n位DAC T型网络DAC的主要优点是所需电阻只有两种 有利于批量生产 由于支路电流不变 所以不需要电流建立时间 对提高工作速度有利 因此T型网络DAC是目前使用最多 速度较快的一种 例9 1已知倒T型电阻网络DAC的RF R VREF 10V 试分别求出四位和八位DAC的最小 只有数字信号最低位为1 输出电压VOmin 解 四位DAC的最小输出电压为 八位DAC的最小输出电压为 例9 2已知倒T型电阻网络DAC的RF R VREF 10V 试分别求出四位和八位DAC的最大 各位数字信号都为1 输

    8、出电压VOmax 解 四位DAC的最大输出电压为 八位DAC的最大输出电压为 例9 3已知倒T型电阻网络DAC的RF 2R VREF 10V 试分别求出四位和八位DAC的最小输出电压VOmin 解 四位DAC的最小输出电压为 八位DAC的最小输出电压为 比较上述三例 在VREF和RF相同条件下 位数越多 输出最小电压越小 输出最大电压越大 在VREF和位数相同条件下 RF越大 则输出电压越大 9 1 3DAC的主要技术指标 分辨率分辨率 DAC所能分辨的最小输出电压与满刻度 最大 输出电压之比 表示D A转换器在理论上可以达到的精度 最小输出电压是指输入数字量只有最低有效位为1时的输出电压 最

    9、大输出电压是指输入数字量各位全为1时的输出电压 例如 10位DAC的分辨率为 DAC的位数越多 分辨率值越小 在相同条件下输出的最小电压越小 转换误差 转换误差常用满刻度FSR FullScaleRange 的百分数来表示 如AD7520的线性误差为0 05 FSR 即转换误差等于满刻度的万分之五 有时转换误差用最低有效位LSB LeastSignificantBit 的倍数表示 如DAC的转换误差等于1 2LSB 表示输出电压的绝对误差为最低有效位 LSB 为1时输出电压的一半 DAC产生误差的主要原因有 参考电压VREF的波动 运算放大器的零点漂移 电阻网络电阻值的偏差等 分辨率和转换误差

    10、共同决定了DAC的精度 要想DAC的精度高 不仅要选位数高的DAC 还要选用稳定度高的基准电压源和低漂移的运算放大器与其配合 建立时间 建立时间是指数字信号由全1变全0或由全0变全1时 模拟信号电压或电流达到稳态值所需要的时间 建立时间短说明DAC的转换速度快 例9 4若DAC的最大输出电压为10V 要想使转换误差在10mV以内 应选多少位DAC 解 要想转换误差在10mV以内 就必须能分辨出10mV电压 就是说分辨率必须小于 根据分辨率可以表示DAC的精度这一结论 至少需要10位DAC 若考虑其它因素 需选12位DAC 9 1 4集成DAC DAC电路都做成集成电路供使用者选择 按DAC输出

    11、方式分为电流输出DAC和电压输出DAC DAC的芯片型号繁多 常用的有并行输入的DAC0832 串行输入的AD7543等 下面介绍DAC0832 DAC0832是美国国家半导体公司生产的电流输出型八位数 模转换电路 它也可以连成电压输出型 可以直接与微处理器相连而不需要加I O接口 采用CMOS工艺制成的20脚双列直插式八位D A转换器 其结构框图如图9 3 a 所示 八位输入寄存器 八位DAC寄存器 八位DAC D D D D Q Q Q Q 13 14 15 16 4 5 6 7 8 12 11 9 3 10 20 19 1 2 18 17 DI7 DI0 MSB LSB ILE CS W

    12、R1 WR2 XFER VREF IO2 IO1 Rfb AGND VCC DGND a 结构框图 9 3DAC0832集成D A转换器 9 3DAC0832集成D A转换器 DAC内包含两个数字寄存器 输入寄存器和DAC寄存器 故称为双缓冲方式 两个寄存器可以同时保存两组数据 可以先将八位输入数据保存到输入寄存器中 当需要转换时 再将此数据由输入寄存器送到DAC寄存器中锁存并进行D A转换输出 采用双缓冲方式的优点 可以防止输入数据更新期间模拟量输出出现不稳定的情况 可以在模拟量输出的同时将下一次要转换的二进制数事先存入缓冲器中 从而提高了转换精度 可以同时更新多个D A转换的输出 为有多个

    13、D A转换器件的系统 多处理系统中的D A器件协调一致地工作带来了方便 DAC0832采用T型电阻解码网络 如图9 4所示 可以用电流输出工作方式 也可以接成电压输出工作方式 用电流输出工作方式时 接成倒T型网络 如图9 4 a 所示 IO1是正比于参考电压和输入数字量的电流 而IO2正比于输入数字量的反码 即 用电压方式工作时 参考电压接到一个电流输出端 二进制原码接IO1端 反码接IO2端 输出电压从原来的VREF端得到 如图9 4 b 所示 为了减小输出电阻 增加驱动能力 通常用运算放大器作缓冲 DAC0832的引脚功能 DAC0832芯片引脚分布如图9 3 b 所示 引脚功能如下 9

    14、1 4D A转换器应用举例 D A转换器应用十分广泛 下面介绍两个简单应用实例 可编程增益控制放大器可编程增益控制放大器如图9 5所示 它由D A转换器AD7520 运算放大器A和四线 十线译码器组成 DAC接到运算放大器的输出端和反相输入端 运算放大器的输出电压作为AD7520的参考电压 D A转换器的输出电流IO被送回到运算放大器的反相输入端 图9 5数字式可编程增益控制电路 放大器的电压放大倍数为 因为 所以 因为四线 十线译码器的十个输出端只能有一个为1 所以上式可写作 其中n 0 1 2 9 为输入的二 十进制数字量 例如 输入的BCD码为0000时 0号输出线为高电平 a1 1 这

    15、时的放大倍数AV 21 2 输入的BCD码为1001时 9号输出线为高电平 a10 1 这时的放大倍数AV 210 1024 因此 通过改变输入BCD码的值就可以改变输入BCD码的值就可以改变放大倍数 从而达到了增益数字控制的目的 频率的数字控制 图9 6 a 所示为三角波 方波发生器电路 其频率由D A转换器输入的数字量进行控制 电路由D A转换器 T1 T2构成的镜象电流源 积分器A1和比较器A2等组成 其输出波形如图9 6 b 所示 比较器A2的输出不是正的限幅值 VO 就是负的限幅值 VO 假设正负限幅值相等 即 VO VO vO2的极性由A2同相输入端B的电位极性决定 vB 0时 v

    16、O2 VO vB 0时 vO2 VO vB由vO1和vO2共同决定 若R1 R2 则 当vO1 vO2时 vB和过零 A2状态发生转换 即vO1 VO时A2状态发生转换 下面分析vO1和vO2的波形频率 t t1时 vO2由 VO变为 VO vO2 VO 这时D2由于反向偏置而截止 由于D2截止 所以T1 T2无电流流通的路径 也截止 这时D1导通 积分电容C通过D1 D A转换器充电 充电电流为IO 积分器输出为 t t2时 vO1 VO A2状态发生转换 由上式可知 t t2以后 由于vO2 VO 所以D2 T1 T2导通 D2的电流一路经T1流入D A转换器 另一路经T2流入积分电容C 由于T2处于放大状态 所以vC1 vC2 D1截止 由于T1 T2为镜象电流源 所以流入积分器的电流近似为IO 积分器输出为 经 t2 即t3时 vO1 VO A2状态发生转换 即 三角波的周期为 三角波的频率为 只要改变D A转换器输入的数字量 就可以改变三角波和方波的频率 在图9 6电路中 若DAC为八位 R 2 4k C 0 01 F 当DAC的输入为00000001时 当DAC的输入为11111111时

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