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在线教务辅导网:http:/www.shangfuwang.com教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网QQ:349134187 或者直接输入下面地址:http:/shop106150152.taobao.com第7章 数-模转换与模-数转换7.1 数模转换器(DAC) 7.2 模数转换器(ADC)基本概念v将模拟信号转换为数字信号的过程称为模数转换(Analog to Digital),或A/D转换。能够完成这种转换的电路称为模数 转换器(Analog Digital Converter),简称ADC。v将数字信号转换为模拟信号的过程称为数模转换(Digital to Analog),或D/A转换。能够完成这种转换的电路称为数模 转换器(Digital Analog Converter),简称DAC。v随着集成电路技术的发展,现在单片集成的ADC和DAC芯 片已有数百种,可以满足不同应用场合的需求。v许多连续变化的物理量,例如:温度、速度、压力、位移等 都是非电量。对这类信号进行处理时,需要首先利用传感器 将其转换为连续变化的模拟电信号,然后再实现与数字信号 之间的转换。7.1 数模转换器(DAC)v7.1.1 D/A转换原理在D/A转换过程中,输入的数字信号是二进制编码。通过转 换,将该编码按每位权的大小换算成相应的模拟量,然后将 代表各位数字的模拟量相加,得到的和就是与输入的数字信 号成正比的模拟量。 v以电路输出电压量为例,DAC的输出电压 与输入数字信号D之间的关系为:【例7.1】已知8位二进制DAC,当输入数字量 时 ,电路输出模拟电压为 。若输入数字量 时, 电路输出模拟电压 是多少?v解 由于DAC输出的模拟量与输入的数字信号成正比,且 , 。所以:v得 7.1.2 常见DAC电路v1权电阻网络DAC(weighted resistance DAC)v这里以四位权电阻网络DAC为例进行介绍。主要包括四部 分:参考电压源 、模拟开关 、电阻译码网络、求 和放大器。设在该电路输入端输入一个四位二进制码 , 是受 控制的双向模拟开关。流入求和放大 器输入端的电流为:取求和放大器反馈电阻 ,则该电路输出电压为:电路输出电压 与输入四位二进制代码D成正比, v依次类推,n位权电阻网络DAC的求和放大器输入端电流 、输出电压表达式分别为:比例系数由此可知,输入n位二进制代码的取值范围为: 到,相应输出电压的取值范围为:0到 。该电路的优点是电路结构简单,使用电阻数量较少;各位 数码同时转换,速度较快。缺点是电阻译码网络中电阻种 类较多、取值相差较大,随着输入信号位数的增多,电阻 网络中电阻取值的差距加大;在相当宽的范围内保证电阻 取值的精度较困难,对电路的集成化不利。该电路比较适 用于输入信号位数较低的场合。2T型电阻网络DAC(T type DAC)vT型电阻网络DAC与权电阻网络DAC的主要区别是电阻网 络不同。其电阻网络中仅有阻值为R和2R的两种电阻,克 服了电阻取值分散的缺点。v v 该电路的结构特点是从任一节点向左或向右看,其等效电阻均为2R;从任一开关到地的等效电阻均为3R。 v当输入数码 时,参考电压 在该支路产生的电流 为 ,且该电流在流向求和放大器输入端的过程中, 每经过一个节点,电流就被分成相等的两部分。 v当输入四位二进制代码 时,模拟开关 接 ,其余开关均接地。流经开关的支路电为 ,该电流 在流向求和放大器输入端的过程中,需经过A、B、C、D 四个节点。如上所述,最终流向求和放大器的电流为 。v当 时,参考上面的分析可知,最 终流向求和放大器的电流分别为: 、 v当 时,根据叠加原理,流入求和放大器 输入端的电流为:由于S3S0受 控制,根据输入二进制代码的不同 ,上式可表示为 v设 ,输出电压 为vn位T型电阻网络DAC的求和放大器输入端电流、输出电 压表达式分别为 3.倒T型电阻网络DAC(inverted T type DAC)v该电路与T型电阻网络DAC的区别是接入模拟开关的位置 不同:不管输入代码 的数值如何,对应的模拟开关接地 或虚地,各节点对地的等效电阻均为R,所以从参考电压 源 流入倒T型电阻网络的电流为 ,每个支路上的 电流分别为 v倒T型电阻网络DAC中流入求和放大器输入端的电流 为:设反馈电阻 ,则输出电压 为:依次类推,n位倒T型电阻网络DAC输出电压表达式为:该电路的优点是不管输入信号如何变化,流过参考电压源、模 拟开关及各电阻支路的电流均不变,电路中各节点电压也保持不 变,有效的提高了电路的转换速度;电阻译码网络中只用到阻值 为R和2R的两种电阻;电路中不存在各支路传输时间差异。该电 路比较适用于位数较高且转换速度较快的场合。这种电路已经成 为集成DAC中采用较多的转换电路。7.1.3 DAC主要性能指标v1.转换精度v集成DAC的转换精度通常使用分辨率和转换误差两个指 标进行描述。v(1)分辨率。分辨率指DAC电路能够分辨最小电压(电流 )的能力,用来描述DAC在理论上达到的精度。一般将 其定义为DAC最小输出电压(电流)与电压(电流)输 出量程之比。对n位电压输出的DAC,其分辨率为 。vDAC的分辨率与其位数n有关,随输入数字信号位数的增 多,DAC的分辨率相应提高。有时也可以直接用输入二 进制代码的位数作为DAC的分辨率。如输入二进制代码 为8位的DAC,输出电压能够区分输入代码 种状态,确 定 种不同等级的输出模拟电压,该DAC的分辨率就是8 位。v(2)转换误差。转换误差是衡量DAC输出的模拟信号理论 值与实际值之间差别的一项指标。主要描述DAC的实际 误差。主要包括:v输入数字信号一定时,由于参考电压源的偏差导致输出 电压的变化,二者成正比,称为比例系数误差。v由于求和放大器的零点漂移造成输出电压的误差,称为漂 移误差或平移误差。该误差的产生与输入数字量的大小无 关,其结果是使输出电压特性曲线向上或向下平移。v由于模拟开关存在导通内阻和导通压降,且不同开关的导 通压降不同、模拟开关接地和接参考电压源的压降也不同 ,它们的存在导致输出电压产生误差;同时,电阻译码网 络中电阻值存在偏差,且不同位置电阻值的偏差对输出电 压的影响程度不一样。以上这两种性质的偏差,均属于非 线性误差。v为了描述转换误差,需要了解DAC的最小输出值和输出 量程的概念。v最小输出值LSB(Least Significant Bit)包括最小输出电压 和最小输出电流 。是输入数字量 只有最低有效位为1时,DAC输出的模拟信号(电压或电流) 的值,以输出电压量为例,n位DAC电路,最小输出电压 。v最出量程FSR(Full Scale Range)包括电压最出量程 和电流最出量程 。指DAC输 出模拟信号的最大变化范围。对于n位电压输出的DAC, 。v通常转换误差的表示方法有两种:绝对误差与相对误差。绝对误差指电路实际值与理论值之间的最大差别,通常使 用最小输出值LSB的倍数表示。例如转换误差为 ,说 明输出信号的实际值与理论值之间的最大差别是最小输出值LSB的 。相对误差指电路的绝对误差与DAC输出量程FSR的比。例如 转换误差为0.02%FSR,说明输出信号的实际值与理论值之 间的最大差别是输出量程FSR的0.02%。 v2.转换速度v转换速度表示从数字信号加入,到相应的输出信号达到稳定 值所需要的时间,也称为输出建立时间或转换时间。电路输 入的数字量变化越大,DAC的输出建立时间就越长。一般 将输入的数字量由全0突变为全1(或相反)开始,到输出模拟 信号转换到规定误差范围内所用的时间,称为输出建立时间 。误差范围一般取 。输出建立时间的倒数称为转换 速率,即每秒钟DAC电路完成的转换次数。v根据输出建立时间t的大小,DAC可以分为超高速型 (t300s)等几种类型。7.2 模数转换器(ADC)v7.2.1 A/D转换原理实现模拟信号的A/D转换,需要经过四个过程:取样、保持 、量化、编码 ADC电路输入的电压信号VI与输出的数字信号D之间的关系 为 v1.取样与保持取样是将时间上连续变化的模拟信号定时加以检测,取出 某一时间的值,以获得时间上断续的信号。取样的作用是将时间上、幅度上连续变化的模拟信号在时 间上离散化。v由于取样后的信号与输入的模拟信号相比,发生了很大变化。为了保证 取样后的信号 能够正确反映输入信号 而不丢失信息,要求取样脉 冲信号必须满足取样定理:v其中, 为取样脉冲信号s(t)的频率; 为输入模拟信号中的最高频 率分量的频率。一般取 =(35) 。v为了获得一个稳定的取样值,以便进行A/D转化过程中的量化与编码工 作。需要将取样后得到的模拟信号保留一段时间,直到下一个取样脉冲 到来,这就是保持。v经过保持后的信号波形不再是脉冲串,而是阶梯型脉冲信号。v取样和保持两个过程,通常是使用取样保持电路一次完成的。下图为取 样保持原理电路。 v2.量化与编码v量化就是将取样保持后的时间上离散、幅度上连续变化的模 拟信号取整变为离散量的过程,即将取样保持后的信号转换 为某个最小单位电压整数倍的过程。v将量化后的信号数值用二进制代码表示,即为编码。对于单 极性的模拟信号,一般采用自然二进制码表示;对于双极性 的模拟信号,通常使用二进制补码表示。经编码后的结果即 ADC的输出。v量化方法有两种:只舍不入法和有舍有入法。v(1)只舍不入法。v当0 vs 时, vs的量化值取0;v当 vs 2时, vs的量化值取;v当2 vs 3时, vs的量化值取2;依此类推。可见采用只舍不入的量化方法,最大量化误差 近似为一个最小量化单位 v(2)有舍有入法。v当0 vs 时, vs的量化值取0;v当 vs 时, vs的量化值取;v当 vs 时, vs的量化值取2;依此类推。可见采用有舍有入的量化方法,最大量化误差 不会超过v将01V之间的模拟电压信号转换为3位二进制代码 7.2.2 常见ADC电路v1.并行比较型ADC(parallel comparator ADC)电路由电阻分压器、电压比较器、编 码器三部分组成。其中,分压器用来 确定量化电压;比较器确定取样电压 的量化值;编码器对比较器的输出进 行编码,输出二进制代码。 具体编码关系表见表8.1所示。这种转换电路的优点是并行转换,速 度较快;缺点是使用电压比较器数量 较多,若输出n位二进制代码,则需2n 个分压电阻、2n-1个电压比较器,导 致该电路很难达
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