第17章 ad和da转换

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1、第十七章 AD 和 DA 转换,17.1,17.2,17.3,D/A转换,A/D转换,模-数和数-模转换概述,17.1 模-数和数-模转换概述,知识点复习,理想运放的性能指标,开环差模增益：Aod = 差模输入电阻：rid = 输出电阻： rod = 0 共模抑制比：KCMR = 上限截止频率：fH = 失调电压（流）均为零，它们的温漂均为零，无任何内部噪声,17.1 模-数和数-模转换概述,知识点复习,理想运放的线性工作区,线性放大区,例：若Ec=12V，Ao=106， 则 |uP - uN |12V 时， 集成运放工作在线性区。,Aod 越大，运放的线性范围越小，必须在输出与输入之间加负反

2、馈才能使其工作于线性区。,17.1 模-数和数-模转换概述,知识点复习,理想运放工作在线性区的特点,输出电压与输入差模电压的关系 uo = Aod (uP - uN),为有限值,净输入电压： uP - uN = 0,上述分析得到：uP = uN 。称两个输入端“虚短路”。 虚短路是指理想运放两个输入端的电位无穷地接近，但又不是真正短路的特点。 净输入电压为零，输入电阻为，因此输入端的电流为零 即从集成运放输入端看进去相当于断路，称为“虚断路”。 虚断路是指理想运放两个输入端的电流趋于零，但又不是真正断路的特点。,17.1 模-数和数-模转换概述,知识点复习,反向比例运算电路,结构特点：负反馈引

3、到反相输入端，信号也从反相端输入,反馈方式：电压并联负反馈,i1= if,虚短路,虚断路,运放工作在线性区：,知识点复习,反向比例运算电路,结构特点：负反馈引到反相输入端，信号也从反相端输入,反馈方式：电压并联负反馈,输出电压与输入电压成比例，且相位相反，实现了信号的反比例运算。,当 Rf = R1 时：uo = - ui 该电路构成了反向器 由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是0。 因此带负载能力强。接近恒压源。,知识点复习,反向求和运算电路,平衡电阻： RP = R1 / R2 / R3 / Rf,if = i1 + i2 + i3,17.1 模-数和数-模转换概述,17.1 模-数

4、和数-模转换概述,模数与数模转换器是计算机与外部设备的重要接口,也是数字测量和数字控制系统的重要部件。,将模拟量转换为数字量的装置称为模数转换器(简称A/D转换器或ADC)；,传感器,模拟控制,模拟信号,数字计算机,数字控制,数字信号,ADC,DAC,将数字量转换为模拟量的装置称为数模转换器(简称D/A转换器或DAC),17.2 D/A 转换,D/A转换的基本原理 权电阻网络D/A转换器 倒T型电阻网络D/A转换器 D/A转换器的转换精度及转换速度,17.2 D/A 转换,D/A转换的基本原理,D/A转换器将输入的数字量转换成与之成正比的模拟量,D/A转换器分类,按输入方式分,并行输入,串行输

5、入,按电路结构分,权电阻网络,T型电阻网络,倒T型电阻网络,权电流网络,17.2 D/A 转换,D/A转换的基本原理,D/A转换器将输入的数字量转换成与之成正比的模拟量,D/A转换器组成,基准电压,数码输入,电子模拟开关,求和电路,D/A转换器将输入的数字量转换成与之成正比的模拟量,17.2 D/A 转换,D/A转换的基本原理,D / A 转换思路,(1101)2,可利用运算放大器实现运算,输入、输出关系框图,17.2 D/A 转换,D/A转换的基本原理,转换特性,如何表示权重？,17.2 D/A 转换,权电阻网络DAC,电阻网络,电子开关,基准 电压,反相比例 运算电路,模拟量 输出,17.

6、2 D/A 转换,权电阻网络DAC,17.2 D/A 转换,权电阻网络DAC,= - RF I,= - RF ( I3 + I2 + I1 + I0 ),17.2 D/A 转换,权电阻网络DAC,n位权电阻网络DAC:,输出电压正比于输入数字量,17.2 D/A 转换,权电阻网络DAC,当 dn-1 d1 = 0 0 时：uo = 0,权电阻网络DAC的优点：结构简单。,权电阻网络DAC的优点：权电阻精度难以保证。,17.2 D/A 转换,双级权电阻网络DAC,17.2 D/A 转换,倒T型电阻网络DAC,电路特点： 电阻网络由R和2R两种阻值的电阻构成； 无论电子开关合到哪一边，流过每个支路

7、的电流保持不变,17.2 D/A 转换,倒T型电阻网络DAC,i =,R,17.2 D/A 转换,倒T型电阻网络DAC,AD7520 电路原理图,17.2 D/A 转换,倒T型电阻网络DAC,RW1可调节反馈电阻的阻值，使得运算放大器的放大比例系数增加，从而达到提高满量程输出电压的目的；,17.2 D/A 转换,倒T型电阻网络DAC,RW2 起到减小满量程的目的，因为它是和内部电阻网络的等效电阻串联，从而改变电流 I ；,17.2 D/A 转换,倒T型电阻网络DAC,RW3是运算放大器的调零电阻；,17.2 D/A 转换,倒T型电阻网络DAC,17.2 D/A 转换,权电流型电阻网络DAC,在

8、前面介绍的权电阻网络和倒T形电阻网络D/A转换器中，都没有考虑开关的导通电阻和导通压降，而是当成理想开关处理，这无疑会引起转换误差，影响转换精度。,采用一组恒流源构成“权”，来解决此问题。,17.2 D/A 转换,权电流型电阻网络DAC,17.2 D/A 转换,权电流型电阻网络DAC,权电流型电阻网络DAC具有工作速度较快的优点。 主要型号：有DAC0806、DAC0807、DAC0808。,17.2 D/A 转换,权电流型电阻网络DAC,DAC0808为8位DAC,17.2 D/A 转换,DAC的转换精度,通常用分辨率和转换误差来描述DAC的转换精度。,分辨率：（理论精度） 分辨率用于表示D

9、/A转换器对输入微小量变化敏感程度的，定义为D/A转换器模拟输出电压可能分成的等级数，n位DAC具有2n个不同的输出电压，位数越多，等级越多，意味着分辨率越高。 用输入数字量的位数表示D/A转换器的分辨率。 也用D/A转换器能够分辨出的最小电压与最大电压之比表示分辨率,17.2 D/A 转换,DAC的转换精度,通常用分辨率和转换误差来描述DAC的转换精度。,转换误差：（实际精度） 由于D/A转换器的各个环节在参数及性能上和理论值存在着差异，体现在 参考电压 VREF 的波动； 运算放大器的零点漂移； 电子开关的导通内阻和导通压降； 电阻网络中电阻阻值的偏差； 三极管特性不一致； 因此实际的转换

10、精度是由转换误差来决定的！,17.2 D/A 转换,DAC的转换速度,建立时间tset：当DAC输入的数字量发生变化时，输出的模拟量需要一段时间来达到所对应的输出电压。 通常用建立时间tset来定量描述D/A转换器的转换速度。,建立时间tset ：从输入的数字量发生突变开始，直到输出电压进入与稳态值相差LSB/2范围以内所用的时间。,17.2 D/A 转换,DAC的转换速度,由于数字量变化越大，建立时间就越长，故一般产品给出的是输入从全0跳变到全1(或反之）时的建立时间。 不包含运算放大器的DAC，tset最小为0.1s以内； 包含运算放大器的集成DAC，tset最小为1.5 s以内,Ques

11、tions and answers,17.3 A/D 转换,模拟信号与数字信号 A/D转换的基本原理 并联比较型A/D转换器 反馈比较型A/D转换器 双积分型A/D转换器 A/D转换器的转换精度及转换速度,17.3 A/D 转换,模拟信号 & 数字信号,现实中,我们可以感知的绝大多数物理量,在时间和幅值上都是连续的;,流星的速度,阳光的温度,朋友的声音,17.3 A/D 转换,模拟信号 & 数字信号,现实中,我们可以感知的绝大多数物理量,在时间和幅值上都是连续的; 用传感器将这样的物理量转变成为电信号,这种连续变化的电信号就是模拟信号。,温度传感器,Air Flow,模拟电信号,17.3 A/

12、D 转换,模拟信号 & 数字信号,以波形的形式传输，容易受其他信号的干扰而失真变形，且在传输过程中保密性差,模拟信号用磁盘和磁带进行存储，易损坏,模拟信号电路分析难度大，容易受干扰,不易于运算,不易于存储,不易于传输,17.3 A/D 转换,模拟信号 & 数字信号,17.3 A/D 转换,模拟信号 & 数字信号,与模拟信号对应的，在一系列离散的时间点上对物理量以一定的分辨率进行取值（采样），得到一系列离散的数字量。,奈奎斯特定理,17.3 A/D 转换,模拟信号 & 数字信号,奈奎斯特定理：在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率 fs 大于信号中最高频率fmax的2倍时，采样之后的数字信

13、号完整地保留了原始信号中的信息。,17.3 A/D 转换,模拟信号 & 数字信号,00010000,00100000,00110000,01000000,以0和1的形式进行传输，不易受其它杂散信号的干扰,数字信号可以存放到Flsah和ROM的器件中，比如U盘，SD卡等,只有0和1两种代码,易于运算,易于存储,易于传输,例如某个时刻的温度是37,现代电子系统中，用ADC实现模拟信号到数字信号的转换,17.3 A/D 转换,A/D转换的基本步骤：,取样,保持,编码,量化,由取样保持电路完成,由A/D转换电路完成,A/D转换的基本原理,A/D转换过程是首先对输入模拟电压信号进行取样，然后保持并将取样

14、电压量化为数字量，并按一定的编码形式给出转换结果。,时间离散,幅值量化,17.3 A/D 转换,A/D转换的基本原理,模拟量,数字量,量化编码,取样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。,保持：保持取样信号,使有充分时间将其变为数字信号。,取样保持,（S / H Sample / Hold）,17.3 A/D 转换,A/D转换的基本原理,取样保持电路的原理图及输出波形,保持作用,缺点：存在充放电过程，限制了取样速度。,17.3 A/D 转换,A/D转换的基本原理,取样保持电路的改进,A1、 A2是两个运算放大器，S是模拟开关，L是控制开关S的逻辑单元，vL和VREF是逻辑单元的两个输入电

15、压信号。,17.3 A/D 转换,A/D转换的基本原理,当 vL VREFVTH时，S接通； 当vL VREFVTH时，S断开；VTH为阈值电压，约为1.4V。,17.3 A/D 转换,A/D转换的基本原理,D1和D2构成保护电路，当保持时总有一个二极管是导通的，保护开关电路不受过高的电压； 当取样时，两个二极管都截止，保护电路不起作用。,17.3 A/D 转换,A/D转换的基本原理,VOS是失调电压输入端，此段可以通过外接电阻调整输出电压的零点，使得vI=0时 , vo=0 。,A/D转换的基本原理,17.3 A/D 转换,量化和编码,量化单位：任意数字量的大小规定为最小数量单位的整数倍，用表示（即 1 ）。,量化：把取样后的保持信号化为量化单位的整数倍。,量化误差：因模拟电压不一定能被 整除而引起的误差。,编码：把量化的数值用二进制代码表示。,划分量化电平的方法,A/D转换的基本原理,17.3 A/D 转换,0 = 0,1 = 1/8,2 = 2/8,3 = 3/8,4 = 4/8,5 = 5/8,6 = 6/8,7= 7/ 8,最大量化误差 ： = (1 / 8) V,： / 2 = (1/15)V,A/D转换的基本原理,17.3 A/D 转换,只舍不入量化方式,以3位A/D转换器为例,量化单位1/8 V,若 ui 0, 1/8V ),量化为: 0,若 ui 1/8,