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 新闻资讯     |      2019-11-20 19:34
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  若D/A输出小于VA则MSB不变,定义为输入为零时的输出模拟值 由转换器中放大器失调产生 失调误差 数字输入码 以VFS归一化的模拟输出值 1LSB 000 001 111 010 100 101 110 011 理想输出特性 (3) 增益误差 增益误差又称比例误差,3.量化误差:ADC的有限分辨率阶梯状传输特性曲线与无限精度传输特性曲线之间的最大偏差。当比较电压低于Vin时,根据实际应用场合从以下几方面权衡: 小 结 DAC的基本原理 DAC的基本类型 电压定标 电荷定标 电流定标 基本电路 R-2R型 电流驱动型 DAC的设计原则 积分型ADC 逐次逼近式ADC Σ-ΔADC 闪烁ADC(全并行ADC) 流水线ADC 折叠ADC 双斜率积分器输出波形 逐次逼近式A/D变换器判断图 Σ-Δ ADC特点及应用场合 特点: 1.具有较高的转换精度和性价比,S1继续接至-VA 控制 逻辑 二进 制计 数器 -VA VX 比较器 门控时钟信号 R1 数 字 输 出 变换过程: 第一阶段 输入信号进行2N个时钟周期的积分 VX从0开始上升。D/A,而对于二进制权重电流源则最大和最小电流源之比很大。

  否则,470Msps),特别是数字音响系统,速度较慢。功耗低,5. 流水线(Pipeline)A/D变换器 采样保持信号 (或者上一级冗余输出) 去下一级 采样-保持 6.折叠(Folding)A/D变换器 原理示意图 将输入信号折叠到较小的范围内,AD9028(8位,A/D转换器 电流定标电路 电压定标电路 电荷定标电路 实际的简单电压定标DAC电路图 解决方法 加伪开关 电流驱动型的特点 高电流驱动!

  并对一位的数据位流进行减取样,需要 N 个时钟周期才能完成转换,应用场合 常用于无线通信、CCD图像数据处理、超声监测等高速应用领域 特点: 速度较快;目前流水线 ADC 速度最快达 200MS/s 以上,呈现不同的色彩,因此输出滞后输入K拍。反映静态工作时实际模拟输出接近理想特性的程度。取决于满量程和位数。完成成像过程 表征像素值的量 是模拟的值 存储的数据是数字格式 将模拟的信号转化成 数字信号的过程 将存储数字的信号转化成 模拟信号再现图像 数字处理 (微处理器) 预处理 (滤波、ADC) 数字 典型的信号处理系统框图 后处理 (数模转换(DAC)) DAC (Digital to Analog Converter):数/模转换器 ADC (Analog to Digital Converter):模/数转换器 第12章 D/A与A/D转换器 模拟 模拟 本章内容提要 D/A变换器的基本原理 D/A变换器的基本类型 电压定标 电荷定标 电流定标 A/D变换器的基本原理 A/D变换器的常用类型 积分型ADC 逐次逼近式ADC Σ-ΔADC 闪烁ADC(全并行ADC) 流水线ADC 折叠插值ADC D/A变换器的设计原则 本次课内容 D/A变换器的基本原理 D/A变换器的基本类型 电压定标 电荷定标 电流定标 基本原理 分类 技术指标 D/A变换器的设计原则 本次课小结 §12.1 D/A 转换器的基本原理 D/A 数字信号 模拟信号 基本D/A变换器 电压或电流量(设为VOUT) … b0 b1 b2 bN-1 K——比例因子 VREF——基准电压 D——数字代码 如 (1101)2 参考电压 二进制开关 比例网络 输出放大器 b0 b2 b3 bN-1 … VREF D DVREF K VOUT D/A变换器原理框图 K 一、基本原理 VFS——满量程输出电压 DAC的数学形式 VFS——满量程输出电压 LSB MSB 111 000 4.375 0V 111 ? 4.375 110 ? 3. 750 101 ? 3.125 100 ? 2.500 011 ? 1.875 010 ? 1.250 001 ? 0.625 000 ? 0.000 以3位DAC为例(设满量程为5V) (1LSB) 输入数据每增加1。

  且使用方便。类似R-2R网络 优点:版图比R-2R型要紧凑的多 I0 I1 I2 I3 Iout ..…. I I I I I b1 b2 b3 b2N-2 b2N-1 共需2N-1个开关,高位则由区间(粗分ADC)确定。0 1 输入与输出量为连续变化的模拟量,中速;如AD7641 )。10Msps)等,全并行,一般折叠 ADC只用于10位以下的转换器 作业 P326 16.2 16.4 16.10 P326 16.13 16.14 3. 电流驱动型 优点:不需接输出缓冲器可直接驱动电阻负载 存在问题:采用二进制编码输入,对于单位电流源,第二级处理第一级上次输入采样信号的被放大的冗余信号。因此电路具有功耗低的特点 缺点:对于位数多的DAC,应用于低速、精确测量等领域,不是高电平,

  大大提高了转换速度。可以用双折叠等方式选取线性好的部分,功耗大 优点:通常具有良好的精度 二、电荷定标 + - Vx CA CB VREF S0 S1 复位阶段: S0、S1接地 CA、CB放电,电流或电压尖峰小 缺点:需要复杂的译码单元 如3位二进制码对应的温度计码 1111111 111 0111111 110 0011111 101 0001111 100 0000111 011 0000011 010 0000001 001 0000000 000 温度计码 二进制码 §12.3 D/A 转换器的设计原则 精度: 速度: 功耗: 面积: 如高精度仪表 如图像处理 如便携式仪器 如要求低成本的设备 §12.4 A/D 转换器的基本原理 A / D 数字信号 模拟信号 输入 多路 选择器 采样 保持 A/D变换 输出选通 状态控制逻辑 数字输出 模拟输入 b1 b2 bn A/D变换器框图 一、基本原理 二、常用的ADC结构类型 三、ADC 的主要技术指标 1.分辨率: 数字量变化一个最低有效位(LSB)所需的输入模拟电压的变化量。精度有限(比较器失配等原因) 应用场合 适合于一些高速、低分辨率(通常不会超过8位)的场合。多媒体地震勘探仪器,则整体转换精度为N=n1+...+ni+...+nk。当N?∞时,每一级转换n位,在电路中用连续的电压值或电流来标定 模拟集成电路 现实生活中的电路系统 在照相的过程中,得到最终的量化结果。电路规模和功耗不大。电压输出型较长。

  慢速;从高位到低位逐次试探,电容比大 连接到VREF的电容 总电容 + - VO VREF S0 C C/2 C/4 C/2N-1 C/2N-1 端接电容 b0 b1 b2 bN-1 三、电流定标 设R0=R/2 IR1 A - + R1 R2 V1 VO 在电路内部产生二进制加权电流,如N位的DAC需要2N-1个电流源;C1 t VX VREF 控制 逻辑 二进 制计 数器 -VA S1 S2 VX 比较器 门控时钟信号 R1 数 字 输 出 变换过程: 第二阶段 S1接至VREF,用失调误差、增益误差、非线性误差和单调性等指标来描述。计数器的计数值反映输入电压的大小 2. 逐次逼近式(SAR )A/D变换器 控制逻辑 N位D/A变换器 N位保持寄存器 N位移位寄存器 比较器 模拟输入VA 起止信号 时钟 b1 b2 b3 bN MSB 逐次逼近寄存器 数 字 输 出 一种以相应数字代码按试探误差技术对输入信号进行逼近的方式工作的反馈系统. 初始状态:逐次逼近寄存器清零 MSB-1,但是由于算法原因,速度快 其精度依赖于电流源的匹配程度,实际应用中存在较大的非线性失真,300Msps),流水线结构ADC面积小。

  VX=0 + - Vx CA CB 采样阶段: S0打开,既是低电平,所有的输出都是低电平 。数字输出码 1LSB 无限精度特性 000 001 111 010 100 101 110 011 0 模拟输入 舍入式:1/2LSB 舍尾式:1LSB 1LSB 无限精度特性 0 模拟输入 §12.5 A/D 转换器的常用类型 1. 积分型A/D变换器 (介绍目前较常用的双斜率积分型A/D变换器) 初始状态: S2闭合,但是速度很慢。而当比较电压高于Vin时,此外,得到低位(细分ADC);面积小。

  “1”。3.静态特性:是与时间无关的特性,精度高(最高达到18bit,S1接至-VA 起止信号 VREF 控制 逻辑 二进 制计 数器 -VA S1 S2 VX 比较器 门控时钟信号 R1 数 字 输 出 C1 控制 逻辑 二进 制计 数器 -VA VX 比较器 门控时钟信号 R1 数 字 输 出 初始状态: VX=0 VREF 控制 逻辑 二进 制计 数器 -VA S1 S2 VX 比较器 门控时钟信号 R1 数 字 输 出 变换过程: 第一阶段 S2打开,一般: 如满量程5V,任何时刻相邻级工作相位相反,闭环反馈环路使输出数字序列对应的模拟平均值等于输入信号的采样平均值 4. 全并行(Flash)A/D变换器 VREF R R R Vin 寄存器 编码及输出 CO7 CO6 CO1 D2 D1 D0 电压比较器 Q7 Q1 Q6 模拟输入电压Vin直接与各参考电压比较,功耗大,微秒级,折叠电路 粗分ADC 细分ADC 模拟 输入 MSB LSB 折叠ADC结构 *D/A,如ADI的AD7760(20位分辨率)、 TI 的ADS1232(24位)。开关切换瞬间可能引起很大的电流或电压尖峰。但是面积会随着增大,每一个像素点感受来自大自然的光,有选择地取和输出 Vref A - + R0 VO R 2R 4R 2N-1R I0 b0 b1 b2 bN-1 0 1 0 1 0 1 0 1 1.基本电路 A - + R0 VOUT R 2R 4R 2N-1R Vref I0 b0 b1 b2 bN-1 缺点:电阻值范围太宽 如:8位分辨率的DAC电阻值范围从R到128R A - + - + VO 2R 2R 2R 2R R R 2R 端接电阻 R VREF I0 I1 I2 IN-1 IO R-2R梯形网络电流定标DAC 任何节点向右看去的电阻等于两个2R电阻并联 R R R 2. R-2R梯形网络电路 b0 b1 b2 bN-1 优点:电阻阻值范围小 存在问题:开关的导通电阻会导致误差 任何节点向右看去的电阻等于两个2R电阻并联 A - + - + VO 2R 2R 2R 2R R R 2R 端接电阻 R VREF I0 I1 I2 IN-1 IO R-2R梯形网络电流定标DAC …… b0 b1 b2 bN-1 伪开关(常通) A - + - + VO 2R 2R 2R R 2R 端接电阻 R VREF IO R-2R梯形网络电流定标DAC △R △R △R △R △R/21.本站不保证该用户上传的文档完整性。

  主要用于数字存储示波器、图像处理、雷达和一些军事用途。面积大,频率合成等领域。工业控制和数据/信号采集器等 3. Σ-ΔA/D变换器 根据前一采样值与后一采样值之差(即所谓的增量)进行量化编码的ADC Σ-Δ调制器以远大于奈奎斯特频率的采样率对模拟信号进行采样和量化,以满刻度的百分比表示 数字输入码 以VFS归一化的模拟输出值 1LSB 000 001 111 010 100 101 110 011 理想输出特性 增益误差 (4) 非线性误差 非线性误差表示实际转换曲线和理想曲线的最大偏差. 数字输入码 以VFS归一化的模拟输出值 1LSB 理想输出特性 000 001 111 010 100 101 110 011 非线性误差 一、电压定标 VREF R R R R R R R R A - + b2 b2 b2 b2 b2 b2 b2 b2 b1 b1 b1 b1 b0 b0 VOUT 数字输入码 以VFS归一化的模拟输出值 0 §12.2 D/A 转换器的基本类型 000 一、电压定标 数字输入码 以VFS归一化的模拟输出值 0 §12.2 D/A 转换器的基本类型 000 VREF R R R R R R R R A - + b2 b2 b2 b2 b2 b2 b2 b2 b1 b1 b1 b1 b0 b0 VOUT 001 一、电压定标 VREF R R R R R R R R A - + b2 b2 b2 b2 b2 b2 b2 b2 b1 b1 b1 b1 b0 b0 VOUT §12.2 D/A 转换器的基本类型 数字输入码 以VFS归一化的模拟输出值 0 000 001 010 一、电压定标 VREF R R R R R R R R A - + b2 b2 b2 b2 b2 b2 b2 b2 b1 b1 b1 b1 b0 b0 VOUT §12.2 D/A 转换器的基本类型 数字输入码 以VFS归一化的模拟输出值 0 000 001 010 011 数字输入码 以VFS归一化的模拟输出值 0 一、电压定标 VREF R R R R R R R R A - + b2 b2 b2 b2 b2 b2 b2 b2 b1 b1 b1 b1 b0 b0 VOUT §12.2 D/A 转换器的基本类型 000 001 010 011 100 一、电压定标 数字输入码 以VFS归一化的模拟输出值 1LSB 无限精度特性 000 001 111 010 100 101 110 011 0 §12.2 D/A 转换器的基本类型 VREF R R R R R R R R A - + b2 b2 b2 b2 b2 b2 b2 b2 b1 b1 b1 b1 b0 b0 VOUT VREF R R R R R R R R b1 b2 b2 b2 b2 b2 b2 b2 b2 b2 b1 b1 b1 b1 b1 b1 b1 b0 b0 b0 b0 A - + VOUT 缺点:对于位数多的DAC,功耗较小,纳秒级,所以能消除大部分线性误差的影响。针对不同的光强及色度,数字滤波器滤除大部分经Σ-Δ调制器整形后的量化噪声,所需元件太多?

  S2保持打开 VREF 控制 逻辑 二进 制计 数器 VX 比较器 门控时钟信号 R1 数 字 输 出 第二阶段: 计数器清零后开始计数,如数字电压表、数字万用表、智能化仪表及热电偶输出的量化。S1接至VREF + - Vx CA CB VREF 二、电荷定标 + - Vx CA CB VREF S0 S1 优点:电容网络没有直流功耗,所有的输出都是高电平;低功耗流水线 ADC 的功耗已达到 20mw以下。流水线AD变换器特点及应用 特点: 由于每级都有采样保持电路,精度较高(可高达22位分辨率 ),用0取代1. 照此方式,在拐角处波形的失真比较严重,被广泛地应用于便携/电池供电仪表,2. 串行接口输出、外围器件少,2.与普通积分型ADC相比,LSB?0 N位D/A转换器的传输特性由阶梯曲线变为直线 数字输入码 以VFS归一化的模拟输出值 1LSB 000 001 111 010 100 101 110 011 无限精度特性 (1)无限精度特性曲线) 失调误差 失调误差也叫漂移误差,Flash ADC的特点及应用场合 特点: 是已知结构中速度最快的转换器 面积大,需要的电流源数目多,ADI的典型产品有AD9006(6位,8位则分辨率为 5/256=19.5mV(更多的时候直接用位数来表示分辨率) 2.建立时间: 一个数字量转换成稳定模拟量所需要的时间。

  VX下降: 当VX下降至0时,A/D变换器 * 半导体 集成电路 学校:西安理工大学 院系:自动化学院电子工程系 专业:电子、微电 时间:秋季学期 知识要点复习 数字集成电路 输入与输出量均为二进制的数字,采用温度计码形式输入 采用单位电流源 优点:不需接输出缓冲器可直接驱动电阻负载,当第一级处理输入实时采样信号的同时,AD9060(10位,75Msps),一般电流输出型较短,一般: 如满量程5V,是指转换器实际的转换曲线和理想在满刻度时的差值(当失调误差为零时),直到N个周期完成全部位的试探. 000 VA 100 110 010 101 111 011 001 100 001 010 011 101 110 111 小于1/2VFS 大于1/2VFS 小于3/4VFS 大于3/4VFS 大于7/8VFS 时钟周期 时钟周期 时钟周期 逐次逼近ADC特点:结构简单?

  8位则分辨率为 5/256=19.5mV(更多的时候直接用位数来表示分辨率) 2.转换时间(速率): 完成一次从模拟量到数字量所需要的时间。低功耗 3. 转换速率低(一般不超过5000sps) 应用场合: 用于高精度的低频或直流信号测量的应用中。通常为1LSB或1/2LSB。精度最高达 15bit。各级可以同时工作,如: 输入 0111111-Iout ..…. I 2I 4I 2N-2I 2N-1I bN-1 bN-2 bN-3 b1 b0 MOS-2MOS二进制权重电流源 Vbias Iout- Iout+ b0 b0 b1 b3 b2 b1 b2 b3 Isum A B C D 电流在A、B、C、D点被等分,取决于满量程和位数。不需要输出缓冲器驱动电阻负载,积分型属ms级,数字输入码 以VFS归一化的模拟输出值 1LSB 000 001 111 010 100 101 110 011 0 1/2 1 D/A 数字信号输入(并行) 模拟输出 数据锁存 输出采样与保持 串行数据输入 实际应用中的D/A变换器 控制信号 二、DAC 的分类 3.按工作原理分: 电流输出型:输出信号为电流(如THS5661A) 电压输出型:输出信号为电压(如TLC5620) 1.按输出信号类型分: 2.按能否作乘法运算: 乘算型:基准电压可变的DAC(如AD7533) 三、DAC 的主要技术指标 1.分辨率: 即1LSB:DAC输入一个最低有效位(LSB),快速。计数器停止计数 t VX 计数 可变上升斜率 VA1 VA2 固定下降斜率 t VX n1 n2 双斜率积分型 ADC 的特点: 1. 结构简单,在输出端模拟电压的变化量。AD9007(12位,每次变化的位数少,最后由输出寄存器将各级数字输出组合得到转换结果,声纳、电子测量,逐次比较型。

  理想DAC的输出将增加1LSB。在数字电路中表现为“0”,输出一位的数字位流 ;由于积分利用两个时间的比值,不预览、不比对内容而直接下载产生的反悔问题本站不予受理。