数字电子技术ch10

1、1河北工程大学 信电学院数字电子技术数字电子技术2022-4-23110. 0 概述概述10. 2 模模 / 数转换器数转换器10. 1 数数 / 模转换器模转换器第十章第十章 数模和模数转换器数模和模数转换器2河北工程大学 信电学院数字电子技术数字电子技术2022-4-232一、数一、数/模和模模和模/数器是模拟、数字系统间的桥梁数器是模拟、数字系统间的桥梁模模 / 数数（A / D）转换转换:Analog to Digital Converter （ADC）数数 / 模（模（）转换）转换:Digital to Analog Converter （DAC）数字计算机数字计算机模拟系统模拟系统

2、A/DD/A二进制二进制线性线性存储存储分析分析控制控制物理物理 生物生物 化学化学概述概述3河北工程大学 信电学院数字电子技术数字电子技术2022-4-233二、二、 常见常见数模、模数转换器应用系统举例数模、模数转换器应用系统举例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DACADC三、三、A / D、D / A 转换器的精度和速度转换器的精度和速度精度精度保证转换的保证

3、转换的准确性准确性速度速度保证保证适时控制适时控制4河北工程大学 信电学院数字电子技术数字电子技术2022-4-234一、一、N位位 D/A转换器方框图转换器方框图数码寄存器数码寄存器N位模拟开关位模拟开关解码网络解码网络求和网络求和网络N位数字位数字量输入量输入模拟量模拟量输出输出基准电压基准电压1) 数字量以串行或者并行的形式输入并存处于数码寄存器中数字量以串行或者并行的形式输入并存处于数码寄存器中2) 寄存器输出的每位数码驱动对应位上的电子开关的数位权值寄存器输出的每位数码驱动对应位上的电子开关的数位权值送入求和网络送入求和网络3) 求和网络将各位权值相加便得到与数字量对应的模拟量求和网

4、络将各位权值相加便得到与数字量对应的模拟量5河北工程大学 信电学院数字电子技术数字电子技术2022-4-2351. D / A转换思路转换思路d0d1dn-1uO或或iO如如 ( (1101) )213148212121023 10210niiidN可利用运算放大器实现运算可利用运算放大器实现运算2. 转换特性转换特性DuO/V7654321001 010 011 100 101 110 111二、输入、输出关系框图二、输入、输出关系框图6河北工程大学 信电学院数字电子技术数字电子技术2022-4-236三、三、D/A转换器的分类转换器的分类1、按照解码网路的结构不同划分、按照解码网路的结构不

5、同划分1）T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器2）倒）倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器3）权电流）权电流D/A转换器转换器4）权电阻）权电阻D/A转换器转换器ECL：射极耦合型逻辑门电路（：射极耦合型逻辑门电路（2章）章）7河北工程大学 信电学院数字电子技术数字电子技术2022-4-2372、按照模拟电子开关电路的不同划分、按照模拟电子开关电路的不同划分1）CMOS开关型开关型D/A转换器转换器2）双极型开关）双极型开关D/A转换器（电流开关型和转换器（电流开关型和ECL电流开关型）电流开关型）在速度要求不高的情况下，可以选用在速度要求不高的情况下，可以选用CMOS开关型开关型D

6、/A转换器。如果要求较高的转换速度，应该选择双极型电转换器。如果要求较高的转换速度，应该选择双极型电流开关流开关D/A转换器或者转换速度更高的转换器或者转换速度更高的ECL电流开关型电流开关型D/A转换器转换器8河北工程大学 信电学院数字电子技术数字电子技术2022-4-23810.1.1 R-2R倒T形电阻网络 DAC( 以4位为例 )一、一、D/A 转换的电路组成转换的电路组成RRR2R2R2R2RUREFS0S1S2d0d0d1d2d1d2电子电子开关开关电阻网络电阻网络求和运放求和运放当当 d2d1d0 = 100,II / 2I / 4I / 8I/2I = UREF / RRIu2

7、O RRU2REF 23REF212 UuO三、工作原理三、工作原理9河北工程大学 信电学院数字电子技术数字电子技术2022-4-239当当 d2d1d0 = 110,IRRR2R2R2R2RUREFuOI / 2I / 4I / 8RIIu)42(O )2121(2123REF URRURU)42(REFREF 10河北工程大学 信电学院数字电子技术数字电子技术2022-4-2310当当 d2d1d0 = 111,IRRR2R2R2R2RUREFuOI / 2I / 4I / 8RIIIu)842(O )212121(20123REF URRURURU)842(REFREFREF 表达的一般

8、形式表达的一般形式)222(20011223REFO dddUu11河北工程大学 信电学院数字电子技术数字电子技术2022-4-2311二、输入为二、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 D = dn-1 dn-2 d1 d0 )22.2(2001111REFO dddUunnnDKDUun uREFO2Ku 转换比例系数转换比例系数nUK2REFu 12河北工程大学 信电学院数字电子技术数字电子技术2022-4-231210.1.3 D/A的输出方式的输出方式单极性输出方式：单极性输出方式：05V，50V双极性输出方式：双极性输出方式：2.52.5V UR+-Auo2R2

9、R2R2RRFD3D2D1D000112RRRRI3I2I1I0IABCD电阻网络电阻网络同同P394图图10.1.5(a)，反相输出，反相输出1、反相输出、反相输出vo = iR13河北工程大学 信电学院数字电子技术数字电子技术2022-4-2313V = iRV = voR2R1 R1= iR得到vo = iR（1 R2 / R1 ） 2、同相输出电路、同相输出电路电电阻阻网网络络D0D1Dn1R1RR2voivR14河北工程大学 信电学院数字电子技术数字电子技术2022-4-231410.1.4 DAC 的转换精度、速度和主要参数的转换精度、速度和主要参数一、转换精度一、转换精度(分辨率

10、和转换误差分辨率和转换误差)指指 D/A 转换器模拟输出产生的最小电压变化转换器模拟输出产生的最小电压变化量与满刻度输出电压之比，也可用输入的位数表示。量与满刻度输出电压之比，也可用输入的位数表示。( (一一) )分辨率分辨率（Resolution）ULSBUFSR=12n1分辨率分辨率=LSB Least Significant BitFSR Full Scale Range15河北工程大学 信电学院数字电子技术数字电子技术2022-4-2315为实际输出模拟电压与理想输出模拟电压为实际输出模拟电压与理想输出模拟电压间的最大误差。间的最大误差。 ( (二二) )转换误差转换误差可用占输出电压

11、满刻度值的百分数表示或可用最可用占输出电压满刻度值的百分数表示或可用最低有效位（低有效位（LSB）的倍数表示。）的倍数表示。如如: （LSB）= 输入为输入为 0001 时输出模拟电压时输出模拟电压的一半。的一半。1）比例系数误差：指实际转换特性曲线的斜率与理想特性曲线斜率的偏差。2）失调误差：由运算放大器的零点漂移引起，其大小与输入数字量无关。3）非线性误差：是一种没有一定变化规律的误差，一般用在满刻度范围内，偏离理想的转移特性的最大值表示。16河北工程大学 信电学院数字电子技术数字电子技术2022-4-2316二、转换速度二、转换速度( (一一) )建立时间建立时间 ts ts 为在大信号

12、工作下（输入由为在大信号工作下（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）, 输出输出 电压达到某一规定值所需时间电压达到某一规定值所需时间 。不包含不包含 UREF 和运放的单片和运放的单片 DAC 最短最短 ts 0.1 s；包含包含UREF 和运放的单片和运放的单片 DAC 最短最短 t s 0，uO 0 20河北工程大学 信电学院数字电子技术数字电子技术2022-4-23203. 分辨率分辨率单极性输出单极性输出： 分辨率分辨率121 n分辨率分辨率 = =1211 n5G7520 为为 10 位位 D / A 转换器，转换器，分辨率分辨率 = =00097

13、8. 01023112110 当当 UREF = 10 V时，时，最小输出电压最小输出电压 uO = 9.76 mV双极性输出双极性输出：对于对于 5G7520分辨率分辨率=00196. 051111219 当当 UREF = 10 V 时，时，最小输出电压最小输出电压 uO = 19.6 mV21河北工程大学 信电学院数字电子技术数字电子技术2022-4-2321一、一、A / D 转换器的作用：转换器的作用：将时间连续、幅度也连续的模拟量转换为时间离散、幅将时间连续、幅度也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号。值也离散的数字信号。二、二、A/DA/D转换器的分类转换器的分类1

14、1、按照其工作原理的不同，可以划分为：、按照其工作原理的不同，可以划分为：1 1）直接）直接A/DA/D转换器：可以将模拟信号直接转换为数字信号，因转换器：可以将模拟信号直接转换为数字信号，因此这类转换器具有较快的转换速率。此这类转换器具有较快的转换速率。典型电路典型电路: :并行比较型并行比较型A/DA/D转换器和逐次比较型转换器和逐次比较型A/DA/D转换器转换器2 2）间接）间接A/DA/D转换器：先将模拟信号转换成某一中间量（时间或转换器：先将模拟信号转换成某一中间量（时间或者频率），然后再将中间量转换为数字量输出。因此此类转换者频率），然后再将中间量转换为数字量输出。因此此类转换器的

15、速度较慢。器的速度较慢。典型电路：双积分型典型电路：双积分型A/DA/D转换器和电压频率型转换器和电压频率型A/DA/D转换器转换器22河北工程大学 信电学院数字电子技术数字电子技术2022-4-2322取样取样保持保持量化量化编码编码三、三、A/DA/D转换过程转换过程1 1、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。2 2、保持：保持取样信号、保持：保持取样信号, ,使有充分时间将其变为数字信号。使有充分时间将其变为数字信号。3 3、量化：将取样保持电路的输出电压，按某种近似方式归化、量化：将取样保持电路的输出电压，按某种近似方式归化

16、到与之相应的离散电平上。这一转化过程称为数值量化，简称到与之相应的离散电平上。这一转化过程称为数值量化，简称量化。量化。4 4、编码：用二进制代码表示量化后的数值。、编码：用二进制代码表示量化后的数值。23河北工程大学 信电学院数字电子技术数字电子技术2022-4-2323uI(t)CADC的的量化编码量化编码电路电路dn-1d1d0u I(t)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（S / H Sample / Hold）24河北工程大学 信电学院数字电子技术数字电子技术2022-4-23241 1、取样定理、取样定理当满足当满足 fs 2 fimax 时时, 取样信号可

17、恢复原信号。取样信号可恢复原信号。fs 取样频率。取样频率。 fimax 信号的最高频率分量。信号的最高频率分量。 tOuIfO)( fAfs fimax fimaxuI tO25河北工程大学 信电学院数字电子技术数字电子技术2022-4-23252 2、取样、取样 - - 保持电路保持电路1 1）电路组成及工作原理）电路组成及工作原理当当 u uL L 为为高高电平：电平：RfChRiuIuOuLTRf = RiT T 导通，导通，C Ch h 充电至：充电至：u uO O = = u uI I = = u uC C当当 u uL L 为为低低电平：电平：T T 截止，截止，C Ch h 基

18、本不放电。基本不放电。u uO O 保持保持：为使为使 C Ch h 充电快，充电快，R Ri i 越越小小越越好；好；为使电路输入电阻高，为使电路输入电阻高，R Ri i 越越大大越越好。好。26河北工程大学 信电学院数字电子技术数字电子技术2022-4-23262 2）改进电路）改进电路 (LF198(LF198：采样保持放大器：采样保持放大器) ) 及工作原理及工作原理R2ChR1uIuOuLu O300 30 k D1D2S当当 uL = 1， S 闭合闭合 uO = u O = uI ，uC = uI 当当 uL = 0， S 断开断开 uO 保持保持D1 、D2的作用的作用：限制：

19、限制 u O 在在 uI + uD以内，起保护作用。以内，起保护作用。6 2145387uOuIuLChLF19827河北工程大学 信电学院数字电子技术数字电子技术2022-4-2327二、量化和编码二、量化和编码1、量化单位、量化单位数字信号最低位数字信号最低位LSB（为（为1时）所对应的模拟信时）所对应的模拟信号大小，用号大小，用 表示（即表示（即 1 ）。）。2、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。量化误差属于原理误差，它是无法消除的。量化误差属于原理误差，它是无法消除的。A/D转转换器的位数越多，各离散电平之间的差值越小，换器

20、的位数越多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。量化误差越小。3、划分量化电平的两种方法、划分量化电平的两种方法28河北工程大学 信电学院数字电子技术数字电子技术2022-4-2328划分量化电平的两种方法划分量化电平的两种方法01V1/82/83/84/85/86/87/8000001010011100101110111模拟模拟电平电平二进制二进制代码代码代表的代表的模拟电平模拟电平0 = 01 = 1/82 = 2/83 = 3/84 = 4/85 = 5/86 = 6/87 = 7/ 81V1/153/155/157/159/15 11/15 13/15000001010011100

21、1011101110模拟模拟电平电平二进制二进制代码代码代表的代表的模拟电平模拟电平0 = 01 = 2/152 = 4/153 = 6/154 =8/155 = 10/156 = 12/157 =14/15最大量化误差最大量化误差 = = (1 / 8) V = / 2 = (1/15)V29河北工程大学 信电学院数字电子技术数字电子技术2022-4-2329&10.2.2 并联比较型并联比较型A/D转换器转换器R /2RRRRRRR /2UREFuI比较器比较器1D1D1D1D1D1D1DCP寄存器寄存器d2d1d0编码器编码器REF151UREF153UREF155UREF151

22、3UREF157UREF159UREF1511UuIuIuIuIuIuIuIuI30河北工程大学 信电学院数字电子技术数字电子技术2022-4-2330 工作原工作原 理：理： 用天平秤重过程作比喻来说明，用天平秤重过程作比喻来说明， 若有四个砝码共重若有四个砝码共重15克，每个重量分别为克，每个重量分别为8、4、2、1克。克。 设待秤重量设待秤重量Wx = 13克，可以用下表步骤来秤量：克，可以用下表步骤来秤量：砝码重砝码重第一次第一次第二次第二次第三次第三次第四次第四次加加4克克加加2克克加加1克克加加8 克克 砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx ，故保留，故保留砝码总重仍砝码总重仍

23、待测重量待测重量Wx ，故撤除，故撤除砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx ，故保留，故保留暂时结果暂时结果8 克克12 克克12 克克13 克克 结结 论论10.2.3 逐次渐近型逐次渐近型 A/D 转换器转换器31河北工程大学 信电学院数字电子技术数字电子技术2022-4-2331一一 、基本工作原理电路、基本工作原理电路D/AuI逐次渐近逐次渐近寄存器寄存器比较器比较器参考参考电源电源时钟时钟信号信号MSBLSBMSBLSB并行数字输出并行数字输出转换控制信号转换控制信号10003.2V8V101117V01106V01015V01004V00113V0001132河北工程大学 信电学

24、院数字电子技术数字电子技术2022-4-2332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 二、转换过程举例二、转换过程举例3 位位 D/AQ1S1Rd0 +CPd1d2 1Q1S1RFFBFFC1 d0d1d2uIuOuCC5位环行移位寄存器位环行移位寄存器Q1Q2 Q3Q4Q5QFFA1S1R /2输出偏移输出偏移33河北工程大学 信电学院数字电子技术数字电子技术2022-4-2333Q 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CP 12345Q1 Q2Q3 Q4 Q5QA QB QCuI/Vu

25、O/V u O/VuCd2 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 1 034河北工程大学 信电学院数字电子技术数字电子技术2022-4-233410.2.4 双积分型双积分型 A/D 转换器转换器转换思路：转换思路：模拟输入模拟输入 uI t t 控制计数控制计数 CP 个数个数输出二进制数输出二进制数 一、电路组成一、电路组成

26、CO 00 000 101 001 110 010 111 1100 000 101 101每进行完一次每进行完一次 2n 进制计数，定时器置进制计数，定时器置 1， S1 合向合向基准电压基准电压电容电容 C 放电放电S2CS1uI逻辑逻辑控制门控制门C定时器定时器n 位二进制位二进制计数器计数器&dn1d0uCP基准电压基准电压 逐次比较型逐次比较型 双积分型双积分型37河北工程大学 信电学院数字电子技术数字电子技术2022-4-233710.3.7 几种几种A/D转换器的性能比较转换器的性能比较一、一、A/D类型：类型：直接直接 A/D反馈比较型：反馈比较型：逐次比较型逐次比较型

27、，计数型。，计数型。间接间接 A/D电压电压-时间变换型（时间变换型（V -T）：）：双积分型双积分型电压电压-频率变换型（频率变换型（V- F）并联比较型并联比较型二、性能比较：二、性能比较：优点优点缺点缺点并联比较型并联比较型转换速度高转换速度高转换精度差转换精度差逐次比较型逐次比较型分辨率高、误差低分辨率高、误差低转换速度较快转换速度较快双积分型双积分型性能稳定性能稳定转换精度高转换精度高抗干扰能力强抗干扰能力强转换速度低转换速度低38河北工程大学 信电学院数字电子技术数字电子技术2022-4-2338一、一、D/A 转换器转换器1. 功能：功能：将输入的二进制数转换成与之成正比将输入的二进制数转换成与之成正比的模拟电量。的模拟电量。2. 种类：种类：权电阻网络、权电阻网络、R - 2R T 形电阻网络和形电阻网络和 R - 2R 倒倒 T 形电阻网络形电阻网络 D/A 转换器。转换器。实现数模转换有多种方式，常用的是实现数模转换