第九章_数-模和模-数转换 阎石版(第四版)数字电子技术

1、第九章第九章 数数- -模和模模和模- -数转换数转换9.1 概述概述9.2 D/A转换器转换器9.3 A/D转换器转换器9.1 概述概述 模模 数与数数与数 模转换器是计算机与外部设备的重要接口，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。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将模拟量转换为数字量的装置称为模 数转换器数转换器( (简称简称A/D转换器或转换器或ADC)；传感器传感器模拟控制模拟控制模模拟拟信信号号数字计算机数字计算机 数字控制数字控制 数数字字信信号号ADCDAC 将数字量转换为模拟量的装置称为数将数字量转换

2、为模拟量的装置称为数 模转换器模转换器( (简称简称D/A转换器或转换器或DAC) )常见数模、模数转换器应用系统常见数模、模数转换器应用系统物理量物理量二进制二进制信号信号模拟信号模拟信号压力传感器压力传感器温度传感器温度传感器流量传感器流量传感器四四路路模模拟拟开开关关数数字字控控制制计计算算机机DAC模拟控制器模拟控制器模拟控制器模拟控制器液位传感器液位传感器DACDAC模拟控制器模拟控制器模拟控制器模拟控制器生生 产产 控控 制制 对对 象象 DACADCDAC和和ADC主要指标：主要指标：DAC权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器权电流型

3、权电流型D/A转换器转换器权电容网络权电容网络D/A转换器转换器开关树型开关树型D/A转换器转换器ADC直接转换型直接转换型间接转换型间接转换型并联比较型并联比较型反馈比较型反馈比较型双积分型双积分型(V-T 变换型变换型)V-F 变换型变换型计数型计数型逐次渐近型逐次渐近型分类：分类：转换精度、转换速度转换精度、转换速度9.2 D/A转换器（转换器（DAC）d0d1dn-1vo或或ioD / A转换思路：转换思路： 10210niiidN如如 ( (1101) )213148212121023 VREFS2S0S1S3 R2R22R23Rd0d1d2d30110vo+-RF=R/20011I

4、0I1I2I3i LSB MSB9.2.1 权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器一、电路一、电路电阻电阻网络网络求和运放求和运放电子电子开关开关组成：组成： 电阻网络、电子开关、求和运放、参考电源电阻网络、电子开关、求和运放、参考电源反相加法运算电路反相加法运算电路FFFo123123iiiRRRvvvvRRR 222iviR111iviR333iviR123fiiiioFfviR 二、工作原理二、工作原理1.有关知识复习有关知识复习 R1vo+-RFV-V+if i1i2i3 R2 R3 vi1 vi2 vi32.分析分析oFvR i 3210()FRIIII REF33VIdRREF22

5、2VIdRREF1122VIdRREF0032VIdRVREFS2S0S1S3 R2R22R23Rd0d1d2d30110vo+-RF=R/20011I0I1I2I3i V-V+1210REF1210(22.22 )2nnonnnVvddddREF2onnVvD输入为输入为 n 位二进制数时的表达式：位二进制数时的表达式：当当Dn = dn-1 dn-2 d1 d0时：时：REFREFREFREF3210()248oFVVVVvRddddRRRR 3210REF32104(2222 )2oVvdddd RF=R/2输出的模拟电压输出的模拟电压vo正比于输入的数字量正比于输入的数字量Dn1210

6、REF(22. 22 )2nnonVv当当Dn=0 时时当当Dn=1111时时特点：特点： 1.电阻数量少，结构简单；电阻数量少，结构简单；2.电阻种类多，差别大，不易集成。电阻种类多，差别大，不易集成。vo=0REF212nnVREF2onnVvDvo的最大变化范围：的最大变化范围：REF2102nnV双级权电阻网络双级权电阻网络D/A转换器转换器7610REF76108REF8(22.22 )22onVvddddVD9.2.2 倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器一、电路一、电路1.只有只有R、2R两种阻值的电阻；两种阻值的电阻；2.模拟开关模拟开关Si不论接何位置，都相当于接地；

7、不论接何位置，都相当于接地；3.从从AADD端向左看的等效电阻皆为端向左看的等效电阻皆为R。电阻网络特点：电阻网络特点：二、原理二、原理012316842dIdIdIdIiovRi RVIREF)2222(2001122334ddddVREF1210o1210(2222 )2nnREFnnnVvdddd 输入为输入为 n 位二进制数时的表达式：位二进制数时的表达式：电路特点：电路特点：1.电阻种类少，便于集成；电阻种类少，便于集成；2.开关切换时各点电位不变，因此速度快。开关切换时各点电位不变，因此速度快。集成集成D/A转换器转换器CB7520简介简介CMOS模拟开关电路模拟开关电路9.2.3

8、 权电流型权电流型D/A转换器转换器oFvi R)(02122232432ddddRIIIIF)2222(2001122334ddddIRF利用倒利用倒T型电阻网络的权电流型电阻网络的权电流型型D/A转换器转换器)2222(2001122334ddddRVRRREFF3210o32104(2222 )2FRIvdddd权电流型集成数模转换器权电流型集成数模转换器DAC0808简介简介DAC0808的典型应用的典型应用双极型电路双极型电路8位数字量输入位数字量输入需外接求和放大器需外接求和放大器需外接基准电阻需外接基准电阻RR9.2.7 DAC 的转换精度与转换速度的转换精度与转换速度一、转换精

9、度一、转换精度-输出模拟电压应能区分输出模拟电压应能区分02n-1共共2n个输入数字量。个输入数字量。有时也称为有时也称为线性误差线性误差，它表示，它表示实际输出模拟电压与实际输出模拟电压与理想输出模拟电压间的最大误差。理想输出模拟电压间的最大误差。 ( (二二) )转换误差转换误差( (一一) )分辨率分辨率表示方法：表示方法：(1)用输入二进制数的位数表示；用输入二进制数的位数表示；(2)用输出模拟电压的最小值与最大值的比值表示。用输出模拟电压的最小值与最大值的比值表示。分辨率分辨率121 n转换误差的表示形式：转换误差的表示形式：(1)最低有效位的倍数。如：最低有效位的倍数。如：1LSB

10、。(2)输出电压满刻度输出电压满刻度FSR(Full Scale Range)的百分数。如：的百分数。如：0.1FSR。转换误差分析转换误差分析(1)参考电源引起的误差称为参考电源引起的误差称为比例系比例系数误差数误差。(2)运放零点漂移引起的误差称运放零点漂移引起的误差称为为漂移误差漂移误差或或平移误差平移误差。(3)模拟开关的导通内阻和导通压模拟开关的导通内阻和导通压降以及电阻网络中电阻的偏差引降以及电阻网络中电阻的偏差引起的误差称为起的误差称为非线性误差非线性误差。二、转换速度二、转换速度用完成一次转换所需的时间用完成一次转换所需的时间-建立时间建立时间tset来衡量。来衡量。建立时间：

11、建立时间： 从输入信号的数字量发生突变开始，直到输出电压从输入信号的数字量发生突变开始，直到输出电压进入与稳态值相差进入与稳态值相差 1/2LSB范围以内的时间。范围以内的时间。输入由输入由全全0变为全变为全1(或由或由全全1变为全变为全0)所需时间最长。所需时间最长。不包含运放的不包含运放的DAC： tset可达可达0.1m s ；包含运放的包含运放的DAC：tset可达可达1.5m s。9.3 A/D 转换器（转换器（ADC）9.3.1 A /D 转换的基本原理转换的基本原理A/D转换的基本步骤：转换的基本步骤：取样取样(采样采样)量化量化由由A/D转换电路完成转换电路完成由取样由取样-保

12、持电路完成保持电路完成vI(t)C CADC的的量化编码量化编码电路电路dn-1d1d0v I(t)S S模拟量模拟量数字量数字量量化编码量化编码取样保持取样保持保持：保持取样信号，使有充分时间将其变为数字信号。保持：保持取样信号，使有充分时间将其变为数字信号。取样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。取样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。保持保持编码编码 一、取样定理一、取样定理取样定理：为保证能从取样信号将原来的被取样信号取样定理：为保证能从取样信号将原来的被取样信号恢恢复复 ，必须满足：，必须满足： fs 2 fi max fs - 取样频率取样频率 fimax - 输入

13、模拟输入模拟信号的最高频率分量信号的最高频率分量 fO O)( fA fs-fimax fimax tO OvSvI tO O通常取：通常取：fs =(35) fimax二、量化和编码二、量化和编码量化单位量化单位:数字信号最低位数字信号最低位LSB所对应的模拟信号大小，用所对应的模拟信号大小，用 表示表示(即即 1)。量化量化:把取样后的保持信号化为量化单位的整数倍。把取样后的保持信号化为量化单位的整数倍。量化误差：量化误差：因模拟电压不一定能被因模拟电压不一定能被 整除而引起的误差。整除而引起的误差。编码：编码：把量化的数值用二进制代码表示。把量化的数值用二进制代码表示。划分量化电平的两种

14、方法划分量化电平的两种方法01V1/82/83/84/85/86/87/8000001010011100101110111输入输入电压电压二进制二进制代码代码代表的代表的模拟电压模拟电压0 = 01 = 1/82 = 2/83 = 3/84 = 4/85 = 5/86 = 6/87 = 7/ 81V1/153/155/157/159/15 11/15 13/150000010100111001011101110输入输入电压电压二进制二进制代码代码代表的代表的模拟电压模拟电压0 = 01 = 2/152 = 4/153 = 6/154 =8/155 = 10/156 = 12/157 =14/1

15、5最大量化误差最大量化误差 = = (1 / 8) V = / 2 = (1/15)V9.3.2 取样取样 - 保持电路保持电路一、电路组成及工作原理一、电路组成及工作原理当当 vL 为为高高电平：电平：CHRIvIvOvLTRF = RIT 导通，导通，CH 充电至：充电至：vO = vC = vI 当当 v vL L 为为低低电平：电平：T 截止，截止，CH 基本不放电。基本不放电。vO 保持保持矛盾：矛盾：为使为使 CH充电快充电快，RI 越小越好越小越好；为使电路输入电阻高为使电路输入电阻高，RI 越大越好越大越好。二、改进电路二、改进电路(LF198)及工作原理及工作原理当当vL =

16、 1时时， S 闭合闭合 vO = v O = vI ，vC = vI 当当vL = 0时时， S 断开断开 vO 保持保持D1 D2的作用：限制的作用：限制 v O 在在 vI + vD以内，起保护作用以内，起保护作用。6 2145387vOvIvLCHLF198VOSV+V-R2CHR1vI vOvLv v O O300 30 k D1D2SLVOSVREF电路结构电路结构典型接法典型接法工作原理：工作原理：9.3.3 直接直接A/D转换器转换器一、并联比较型一、并联比较型A/D转换器转换器 R R R RR RR RR RR RR RR R /2/2d d2 2( (2 22 2) )d

17、 d1 1 ( (2 21 1) )d d0 0 ( (2 20 0) )1D1DFFFF7 71D1DFFFF6 61D1DFFFF5 51D1DFFFF4 41D1DFFFF3 31D1DFFFF2 21D1DFFFF1 1V VREFREF v vI I1REF15V3REF15V5REF15V13REF15V7REF15V9REF15V11REF15V比较器比较器寄存器寄存器编码器编码器CP1.电路电路1 1 1 1 1111112.原理原理0 00 01 1v vI I0 01 10 0v vI I0 01 11 1v vI I1 10 00 0v vI I1 10 01 1v vI

18、 I1 11 10 0v vI I1 11 11 1v vI I0 00 00 0v vI ICP R R R RR RR RR RR RR RR R /2/2d d2 2d d1 1 d d0 0 1D1DFFFF7 71D1DFFFF6 61D1DFFFF5 51D1DFFFF4 41D1DFFFF3 31D1DFFFF2 21D1DFFFF1 1V VREFREF v vI I1REF15V3REF15V5REF15V13REF15V7REF15V9REF15V11REF15V1 1 1 1 111111特点：特点：速度快，转换时间小于速度快，转换时间小于50ns；不需取样不需取样-保持

19、电路；保持电路；电路复杂，需要很多电压比较器和触发器。电路复杂，需要很多电压比较器和触发器。代码转换表代码转换表思路：思路：二、二、反馈比较型反馈比较型A/D转换器转换器 将一数字量加到将一数字量加到DAC上，得到一个对应的输出模拟上，得到一个对应的输出模拟电压，将该模拟电压与输入模拟电压相比较，若不相等，电压，将该模拟电压与输入模拟电压相比较，若不相等，则修改数字量，直到两模拟电压相等，此时对应的数字量则修改数字量，直到两模拟电压相等，此时对应的数字量就是转换结果。就是转换结果。1.计数型计数型A/D转换器转换器 -数字量由计数器提供数字量由计数器提供DACvI计数器计数器MSBLSBMSB

20、LSB并并行行数数字字输输出出vO &CPvL-转换控制转换控制输输出出寄寄存存器器vBCG脉冲源脉冲源1 vIvo 0 vIvo vB=vL=0计数器清零计数器清零 vL=1启动转换启动转换 特点：特点：1.电路简单；电路简单；2.速度慢。最长转换时间可达速度慢。最长转换时间可达2n-1倍时钟信号周期。倍时钟信号周期。DACvI计数器计数器MSBLSBMSBLSB并并行行数数字字输输出出vO &CPvL-转换控制转换控制输输出出寄寄存存器器vBCG脉冲源脉冲源(1)基本框图基本框图2.逐次渐近型逐次渐近型 A/D 转换器转换器DACvI控制逻辑控制逻辑MSBLSBMSBLSB

21、并并行行数数字字输输出出vOCPvL脉冲源脉冲源C逐次渐近寄存器逐次渐近寄存器-数字量由逐次渐近寄存器提供数字量由逐次渐近寄存器提供思路：思路：从输出数字量的最高位起，逐位判断该位的值从输出数字量的最高位起，逐位判断该位的值(0,1)。基基本本原原理理寄存器清零寄存器清零寄存器最高位置成寄存器最高位置成1输出输出1000模拟电压模拟电压vo若若vO vI将最高位的将最高位的1清除清除(即置即置0)若若vO vI将最高位的将最高位的1保留保留同样的方式将次高位置成同样的方式将次高位置成1，并确定是否应该保留。，并确定是否应该保留。vL=1开始转换开始转换DAC与与vI比较比较此时，寄存器中的状态

22、就是所要求的数字量。此时，寄存器中的状态就是所要求的数字量。直至最低位直至最低位5位环形移位环形移位寄存器位寄存器读出控制读出控制控制逻辑控制逻辑电路电路逐次渐近逐次渐近寄存器寄存器比比较较器器 (2)电路图电路图输出偏移输出偏移3位位DAC1S1R +CP 11S1RFBFC1 d0d1d2vIvOvBC CQAFA1S1R /2 vL1D1DC1C1FFFF1 11D1DC1C1FFFF2 21D1DC1C1FFFF3 31D1DC1C1FFFF4 41D1DC1C1FFFF5 5G G3 3G G2 2G G1 1G G5 5G G4 4G G6 6G G7 7G G8 8Q Q1 1Q

23、 Q2 2Q Q3 3Q Q4 4Q Q5 5QBQCC1C1C1C1C1C1 清零清零QAQBQC=000 设初值设初值Q1Q2Q3Q4Q5 =00001 第第1个个CP到来后：到来后：Q1Q2Q3Q4Q5 =10000(寄存器右移寄存器右移 一位一位)FA置置1 FB置置0 FC置置0vo100DACvB=1vB=0vIvOvI voQ n+1 1 1 1 0 0 1 0 0功能功能R SQ n10不用不用保持保持置置1置置0不许不许 第第2个个CP到来后：到来后：Q1Q2Q3Q4Q5 =01000FB置置1门门1打开打开 FA置置0FA的的“1”保留保留vB=1vB=0 第第3个个CP到

24、来后：到来后：Q1Q2Q3Q4Q5 =00100FC置置1门门2打开打开 FB置置0FB的的“1”保留保留vB=1vB=0 第第4个个CP到来后：到来后：Q1Q2Q3Q4Q5 =00010门门3打开打开FC置置0FC的的“1”保留保留vB=1vB=0 第第5个个CP到来后：到来后：Q1Q2Q3Q4Q5 =00001FA、FB、FC的状态作为转换结果输出的状态作为转换结果输出一般地，当输出为一般地，当输出为n位时，需位时，需n+2个时钟周期可完成转换。个时钟周期可完成转换。 特点：速度较快；电路也不太复杂。特点：速度较快；电路也不太复杂。CP 12345Q1 Q2Q3 Q4 Q5QA QB QC

25、vI/Vv O/V vO/VvBd2 d1 d00 0 0 0 1 0 0 05.90 0.500 0 01 0 0 0 01 0 043.500 0 00 1 0 0 0 1 1 065.500 0 00 0 1 0 0 1 1 176.510 0 00 0 0 1 01 1 065.500 0 00 0 0 0 1 1 1 065.501 1 0举例举例9.3.4 间接间接 A/D 转换器转换器1.电路组成电路组成一、双积分型一、双积分型 A/D 转换器转换器S0CS1vI控制逻辑控制逻辑C时钟时钟脉冲源脉冲源v-VREF计计数数器器MSBLSB数数字字量量输输出出S0S1vLvGRA比较

26、器比较器积分器积分器基本原理基本原理：对输入模拟电压：对输入模拟电压vI和基准电压和基准电压- -VREF进行两次进行两次积分，先对输入模拟电压进积分，先对输入模拟电压进行积分，将其变换成与输入行积分，将其变换成与输入模拟电压成正比的时间间隔模拟电压成正比的时间间隔T1 1，再利用计数器测出此时，再利用计数器测出此时间间隔，则计数器所计的数间间隔，则计数器所计的数字量就正比于输入的模拟电字量就正比于输入的模拟电压；接着对基准电压进行同压；接着对基准电压进行同样的处理。样的处理。2.工作原理工作原理vI积分器输入积分器输入v(t)积分器输出积分器输出固定时间固定时间T1T2N1CN2C-VREF电压波形图电压波形图相关计算相关计算11o1II01( )TTv tv dtvRCRC 若若T1 = N1TC = 2nTC 2REF1o010TIVTvdtvCRRC12IREFTTvV2IREF2nCTDvTVvI积分器输入积分器输入v(t)积分器输出积分器输出固定时间固定时间T1T2N1CN2C-VREF电路实现电路实现(1)性能稳定，转换精度高；性能稳定，转换精度高； 转换结果与转换结果与R、C、时钟周期无关、时钟周期无关(2)抗干扰能力强；抗干扰能力强；(3)工作速度低。工作速度低。 完成一次转换时间不小于完成一次转换时间不小于2n+1TC3.特点特点二、二、V-F变