数模与模数转换器.pptx

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1、 数模与模数转换器是计算机与外部数模与模数转换器是计算机与外部设备的重要接口设备的重要接口,也是数字测量和数字控也是数字测量和数字控制系统的重要部件。制系统的重要部件。能将数字量转换为模拟量的装置称能将数字量转换为模拟量的装置称为数为数/模变换器模变换器(简称简称D/A转换器转换器);能能将模拟量转换为数字量的装置称为模将模拟量转换为数字量的装置称为模/数数变换器变换器(简称简称A/D转换器转换器)。概述概述第1页/共26页A/DA/D 转换器转换器 D/AD/A 转换器转换器 模拟模拟 控制器控制器 工业生产过程控制对象工业生产过程控制对象 模模 拟拟 传感器传感器 A/D和和D/A已成为计

2、算机系统中不可缺少的接口电路。已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。将温度、压力、流将温度、压力、流量、应力等物理量量、应力等物理量转换为模拟电量。转换为模拟电量。计算机进行数字处计算机进行数字处理（如计算、滤波）理（如计算、滤波）、保存等、保存等用模拟量作为用模拟量作为控制信号控制信号数字控制数字控制 计算机计算机第2页/共26页 由于构成数字代码的每一位都有一定的由于构成数字代码的每一位都有一定的“权重权重”，因此为了将数字量，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转换成模拟量，就必须将每一位代码按其“权重权重”转换成相应的模拟量，然后再转换成相应的模拟量，然后再将代表各位的

3、模拟量相加，即可得到与该数字量成正比的模拟量。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。这样便实现了这样便实现了从数字量到模拟量的转换。从数字量到模拟量的转换。1.D/A变换器的基本思想变换器的基本思想10.1 D/A 转换器转换器第3页/共26页D/A功能:将数字量成正比地转换成模拟量 D/An=4位8位10位12位16位n位数字量模拟量05V或010VD/A转换器原理第4页/共26页4位数据:0000 0V 1111 5V 分辨率:5V/15=0.333V/每1个最低有效位8位数据:00000000 0V 11111111 5V 分辨率:5V/255=0.0196V/每1个

4、最低有效位第5页/共26页2.D/A转换器的组成转换器的组成:D/A的数字数据可以并行输入也可串行输入的数字数据可以并行输入也可串行输入用于存放数用于存放数字量的各位数字量的各位数码码由输入数字由输入数字量控制量控制产生权电流产生权电流将权电流相将权电流相加产生与输入加产生与输入成正比的模拟成正比的模拟电压电压第6页/共26页10.1.1 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器Di=0,Si则将电阻则将电阻2R接地接地Di=1,Si接运算放大器反相端，电流接运算放大器反相端，电流Ii流入求和电路流入求和电路 电阻网络电阻网络模拟电子开关模拟电子开关求和运算放大器求和运算放大器输输出出模模

5、拟拟电电压压输入输入4位二进制数位二进制数根据运放线性运用时虚地的概念可知，无论模拟开关根据运放线性运用时虚地的概念可知，无论模拟开关Si处于处于何种位置，与何种位置，与Si相连的相连的2R电阻将接电阻将接“地地”或虚地或虚地。1、4位倒位倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器基准电压基准电压 电阻网络电阻网络 模拟电子开关模拟电子开关 求和运算放大器求和运算放大器第7页/共26页D/A转换器的倒转换器的倒T形电阻网络形电阻网络基准电源基准电源VREF提供的总电流为：提供的总电流为：I=？流过各开关支路的电流：流过各开关支路的电流：I3=？I2=？I1=？I0=？I/4I/8I/16RRR

6、RI/2I/4I/8I/16I/2I3I2I1I0流入每个流入每个2R电阻的电流从高位到低位按电阻的电流从高位到低位按2的整数倍递减。的整数倍递减。I3=VREF/2RI2=VREF/4RI1=VREF/8RI0=VREF/16 R第8页/共26页流入运放的总电流：流入运放的总电流：i I0+I1+I2+I3输出模拟电压：输出模拟电压：第9页/共26页4 4位倒位倒T T形电阻形电阻网络网络D/A的输出模拟电压：的输出模拟电压：n 位倒位倒T T形电阻网络形电阻网络D/A有：有：令：令：则则 O=K NB 在电路中输入的每一个在电路中输入的每一个二进制数二进制数NB，均能得到与之成正比的模拟电

7、压输出。均能得到与之成正比的模拟电压输出。第10页/共26页表明:D/A电路输出模拟电压uO与输入的 数字量D3D2D1D0成正比特点：流过2R电阻支路的电流近似恒定，速度快。模拟开关存在导通压降，且每个开关情况又不完全相同，将引起误差。第11页/共26页2.D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标分辨率：其定义为分辨率：其定义为D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。n位位D/A最多有最多有2n个模拟输出电压。位数越多个模拟输出电压。位数越多D/A转换器的分辨率越高。转换器的分辨率越高。分辨率也可以用能分辨的最小输出电压与最大输出电压之比给出。

8、分辨率也可以用能分辨的最小输出电压与最大输出电压之比给出。n位位D/A转换器转换器的分辨率可表示为的分辨率可表示为（1）、分辨率）、分辨率10位D/A转换器的分辨率为：第12页/共26页（2）、转换精度：转换精度：转换精度是指对给定的数字量，转换精度是指对给定的数字量，D/AD/A转换器实际值与理论值之间的最大偏转换器实际值与理论值之间的最大偏差。差。产生原因：由于产生原因：由于D/AD/A转换器中各元件参数值存在误差，如基准电压不够转换器中各元件参数值存在误差，如基准电压不够稳定或运算放大器的零漂等各种因素的影响。稳定或运算放大器的零漂等各种因素的影响。几种转换误差：有如比例系数误差、失调误

9、差和非线性误差等。几种转换误差：有如比例系数误差、失调误差和非线性误差等。（3）温度系数温度系数输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。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。第13页/共26页小结：D/A转换器的功能是将输入的二进制数字信号转换器的功能是将输入的二进制数字信号转换成相对应的模拟信号输出。转换成相对应的模拟信号输出。D/AD/A转换器根据工转换器根据工作原理基本上可分为二进制权电阻网络作原理基本上可分为二进制权电阻网络D/AD/A转换器转换器和和T T型电阻网络型电阻网络D/AD/A转换器两大类。由于转换器两大类。由于T T型电阻网型电阻网络络D/A

10、D/A转换器只要求两种阻值的电阻，因此最适合转换器只要求两种阻值的电阻，因此最适合于集成工艺，集成于集成工艺，集成D/AD/A转换器普遍采用这种电路结转换器普遍采用这种电路结构。构。第14页/共26页将模拟电压成正比地转换成数字量A/DuI输入模拟电压D7D0输出数字量0 5V0000000011111111分辨率:5V/255=0.0196V/每1个最低有效位A/D功能10.2 10.2 A/D转换器第15页/共26页取取样样时间上离散的信号时间上离散的信号保持、量化保持、量化量值上也离散的信号量值上也离散的信号编编码码模拟信号模拟信号时间上和量值上都连续时间上和量值上都连续数字信号数字信号

11、时间上和量值上都离散时间上和量值上都离散 A/D转换器一般要包括转换器一般要包括取样，取样，保持，量化及编码保持，量化及编码4 4个过程个过程。10.2.1 A/D10.2.1 A/D转换的一般步骤和取样定理第16页/共26页1.取样与保持取样与保持 采样是将随时间连续变化的模拟量转换为采样是将随时间连续变化的模拟量转换为在时间离散的模拟量在时间离散的模拟量。采样信号采样信号S(t)的频率愈高，所采得信号经的频率愈高，所采得信号经低通滤波器后愈能真实地复现输入信号。合低通滤波器后愈能真实地复现输入信号。合理的采样频率由采样定理确定理的采样频率由采样定理确定。采样定理：设采样信号采样定理：设采样

12、信号S(t)的频率为的频率为fs，输输入模拟信号入模拟信号 I(t)的最高频率分量的频率为的最高频率分量的频率为fimax，则则 fs 2fimaxS(t)=1:开关闭合开关闭合S(t)=0:开关断开开关断开第17页/共26页采得模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，为了给后续的量化编码过程提供一个采得模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，为了给后续的量化编码过程提供一个稳定的值，在取样电路后要求将所采样的模拟信号保持一段时间。稳定的值，在取样电路后要求将所采样的模拟信号保持一段时间。采样采样保持保持取样与保持取样与保持电路及工作原理电路及工作原理第18页/共26页CPSSADC取样保持电路A

13、DC的量化编码电路.DDDn-110vI（t）vI（t）输入模拟电压取样展宽信号数字量输出（n位）量化量化:采样保持输出电压按某种近似方式归化到相应的离散电压采样保持输出电压按某种近似方式归化到相应的离散电压.编码编码:用一定字长的二进制码表示上述离散电压的过程用一定字长的二进制码表示上述离散电压的过程.2.量化量化与与编码编码第19页/共26页1、电路组成、电路组成电压比较器电压比较器输入模拟输入模拟电压电压精密电阻精密电阻网络网络精密参考精密参考电压电压VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15输出数输出数字量字量10

14、.2.2 并行比较型并行比较型A/D转换器转换器第20页/共26页VI=8VREF/151111000001第21页/共26页 vI CO1 CO2 CO3 CO4 CO5 CO6 CO7 D2 D1 D0 7VREF/15 vI 9VREF/15 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 9VREF/15 vI 11VREF/15 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 5VREF/15 vI 7VREF/15 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 3VREF/15 vI 5VREF/15 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 11VREF/15 vI 13VR/15 0 1 1 1 1

15、1 1 1 1 013VREF/15 vI VREF/15 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 VREF/15 vI 3VREF/15 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 vI VREF/15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与各比较器输出状态的根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与各比较器输出状态的关系。比较器的输出状态由关系。比较器的输出状态由D D触发器存储，经优先编码器编码，得到数字量输出。触发器存储，经优先编码器编码，得到数字量输出。第22页/共26页1.1.转换精度转换精度 10.2.5 10.2.5

16、A/DA/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 单片集成单片集成A/D转换器的转换精度是用分辨率和转换误差来描述的。转换器的转换精度是用分辨率和转换误差来描述的。分辨率分辨率:说明说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。通常以输出二进制转换器对输入信号的分辨能力。通常以输出二进制(或十进制或十进制)数的位数的位数表示。数表示。转换误差：转换误差：表示表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。量之间的差别。例如，输入模拟电压的变化范围为例如，输入模拟电压的变化范围为0 05 5V V，输出输出8 8位二进制数可以分辨的最小模拟位二

17、进制数可以分辨的最小模拟电压为电压为5 5V2V28 819.53mV19.53mV；而输出而输出1212位二进制数可以分辨的最小模拟电压为位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5 5V2V212121.22mV1.22mV。第23页/共26页2.2.转换时间转换时间 指指A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。所经过的时间。A/D转换器的转换时间与转换电路的类型有关转换器的转换时间与转换电路的类型有关并行比较并行比较A/D转换器的转换速度最高转换器的转换速度最高,逐次比较型逐次比较型A/D转换器次之转换器

18、次之,间接间接A/D转换器转换器(如双积分如双积分A/D)的速度最慢。的速度最慢。并行比较并行比较A/D转换器转换器(8位）位）逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器 间接间接A/D转换器转换器1050 s50ns10ms1000ms第24页/共26页A/DA/D转换器分类转换器分类 并联比较型并联比较型 特点特点:转换速度快转换速度快,转换时间转换时间 10ns 1 s,但电路复杂。但电路复杂。逐次逼近型逐次逼近型 特点特点:转换速度适中转换速度适中,转换时间转换时间 为几为几 s 100 s,转换精度高，在转换速度和硬件转换精度高，在转换速度和硬件复杂度之间达到一个很好的平衡复杂度之间达到一个很好的平衡。双积分型双积分型 特点特点:转换速度慢转换速度慢,转换时间转换时间 几百几百 s 几几ms,但抗干扰能力最强。但抗干扰能力最强。第25页/共26页谢谢您的观看！第26页/共26页