2012年电气工程数电辅导第九章

1、第九章 数/模与模/数转换电路9.1 D/A转换器 D/A转换器的基本原理 倒T型电阻网络D/A转换器 D/A转换器的主要技术指标9.2 A/D转换器 A/D转换器的基本原理 并行比较型A/D转换器 逐次比较型A/D转换器 双积分型A/D转换器 概 述 随着数字电子技术的迅猛发展，特别是计算机在自动控制、自动检测、电子信息处理及许多其他领域的广泛应用，用数字电路来处理模拟信号的方式更加普遍。 完成A/D转换的电路称为A/D转换器（简称ADC）。 完成D/A转换的电路称为D/A转换器（简称DAC）。9.1 D/A转换器一、D/A转换器的基本概念 数字信号模拟信号将数字信号转化成与其成正比的模拟信

2、号。以三位DAC为例，设K=1，可得出vO和Dn的关系D2D1D0vO0 0 00 V0 0 11 V0 1 0 2 V0 1 13 V1 0 04 V1 0 15 V1 1 06 V1 1 17 V组成： D/A转换器由数码寄存器、模拟电子开关电路、解码网络、求和电路、基准电压几部分构成。 原理：对数字量的每位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现D/A转换。数码寄存器模拟 开关译码 网络求和放大器Du基准电压UREFDAC方框图二、权电阻型D/A转换器 三 倒T形电阻网络D/A转换器 由求和运算放大器、基准电VREF、R2

3、R倒T形电阻网络和模拟开关S0S3等四部分组成。电路组成 （以4位倒T形电阻网络为例）图中S0S3为模拟开关，由输入数码Di控制，当Di=1时，Si接运算放大器反相输入端（虚地），电流Ii流入求和电路；当Di=0时，Si将电阻2R接地。 所以，无论Si处于何种位置，与Si相连的2R电阻均接“地”（地或虚地），因此流经2R电阻的电流与开关位置无关，为确定值。工作原理等效电路：可算出，基准电流 I=VREF/R输出电压：则流过各开关支路（从右到左）的电流分别为 I/2、I/4、I/8、I/16。于是得总电流：将输入数字量扩展到n位，则有：可简写为：vO=KNB 其中：五. D/A转换器应用举例 D

4、AC0808是8位权电流型D/A转换器，其中D0D7是数字量输入端。 使用时，需要外接运算放大器和产生基准电流用的电阻R1。当VREF=10V、 R1=5k、 Rf=5k时，输出电压为：双列直插式封装 1空 2地 3负电源 4模拟量（电流）输出512数字量输入 13正电源 14正参考电压 15负参考电压 16补偿电容DAC0808 D/A转换器输出与输入的关系（ 设VREF=10V）1.转换精度 七 D/A转换器的主要技术指标（2）转换误差比例系数误差、失调误差、非线性误差。 此外，也可用D/A转换器的最小输出电压(数字量：00000001)与最大输出电压(数字量：全1）之比来表示分辨率，N位

5、D/A转换器的分辨率可表示为 1/（2n-1）。2.转换速度3. 温度系数在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高1，输出电压变化的百分数作为温度系数。（2）转换速率（SR）在大信号工作状态下模拟电压的变化率。（1）分辨率D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。输入数字量位数越多，分辨率越高。所以，在实际应用中，常用数字量的位数表示D/A转换器的分辨率。（1）建立时间（tset）当输入的数字量发生变化时，输出电压变化到相应稳定电压值所需时间。最短可达0.1S。vO= - KNB最小 vO= - KNB = - K1 最大 vO= - KNB

6、= - K(2n-1) 若最小输出电压增量为0.02V,试问当输入代码为01001101时，输出电压VO为多少伏？ 若其分辨率用百分数表示，则应是多少？ 若某一系统中要求D/A转换的精度小于0.25%,试问这一D/A转换器能否应用？题意分析： 本例题涉及转换器几个参数，一是最小输出电压增量；二是分辨率；三是转换精度。最小电压增量：对应于输入最小数字量的输出模拟电压。即指数字量每增加一个单位输出模拟电压的增加量。分辨率：定义为对最小数字量的分辩能力。一般用输入数字量的位数表示，也可以用最小输出电压与最大输出电压之比的百分数表示。例题1：对于一个8位D/A 转换器：转换精度： 用最低有效位的倍数表

7、示。转换误差为1/2LSB,表示输出模拟电压的绝对误差等于最低有效位输出模拟电压的一半。解： 当最小输出电压增量为0.02V时，输入代码为01001101时，所对应的输出电压VO为：VO=0.02X(26+23+22+20)=1.54V 8位D/A转换器的分辨率百分数为：（1 / 28-1）X100%=0.3922% 若要求精度小于0.25%,其分辨率应小于0.5%。例题8位D/A的分辨率为0.3922%满足系统对精度的要求。9.2 A/D转换器一A/D转换的一般步骤 由于输入的模拟信号在时间上是连续量，所以一般的A/D转换过程为： 取样、保持、量化和编码。采用定理 为了能正确用采样输出信号表

8、示输入模拟量，采样脉冲必须有足够高的频率。为了保证能从采样信号恢复成原信号，必须满足：在工程设计中通常取： 采样保持电路 模拟信号经采样后，得到一系列样值脉冲，采样脉冲的宽度tw一般是很短暂的，在下一个采样脉冲到来之前，应暂时保持所取得的样值脉冲幅度不变，以便进行转换。因此，在采样电路之后须加保持电路。 取样保持电路电路组成及工作原理VO+-+VICS(t) 场效应管为采样开关。 运放为跟随器，起缓冲隔离作用。 电容C为保持电容。量化与编码编码量化后的数值需要用一个代码来表示，这一过程称为编码。量化将采样保持后的信号幅值转化成某个最小数量单位（量化间隔）的整数倍。（1）确定量化间隔： 例：如有

9、一模拟信号，幅值范围为01V，要转化为3位二进制代码，则其量化间隔为1LSB=1/8V 。得到8个量化电平分别为0V、1/8V7/8V。 经量化后的信号幅值均为的整数倍，在量化过程中会产生误差，称为量化误差。最大量化误差为1/8V。方式一：只舍不入量化方式 （舍尾取整） 如果0VvI1/8V 则量化为0=0V； 1/8VvI2/8V 则量化为1=1/8V； 7/8VvI1V 则量化为7=7/8V。（2）将连续的模拟电压近似成分散的量化电平1/82/83/84/85/86/87/80Vo/ Vt1如果 0VvI1/16V 则量化为0=0V； 1/16VvI3/16V 则量化为1=1/8V； 13

10、/16VvI15/16V 则量化为7=7/8V。取两个离散电平中的相近值作为量化电平。方式二：四舍五入量化方式（舍入量化方式） 量化误差为1/2=1/16V1/82/83/84/85/86/87/80ui/Vt11/163/165/167/169/1611/1613/1615/16A/D转换器的分类工作原理：直接ADC：模拟信号数字信号 特点：速度快 典型电路：并行比较型ADC、逐次比较型ADC间接ADC：模拟信号中间信号数字信号 特点：速度慢 典型电路：双积分型ADC、电压频率转换型ADC01tvI00110110vIt基本原理：三 并行比较型A/D转换器3位并行比较型A/D转换器 并行比较

11、型A/D转换器真值表输入模拟电压寄存器状态数字量输出D2 D1 D0Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1（01/15）VREF（ 1/15 3/15）VREF（ 3/15 5/15）VREF（ 5/15 7/15）VREF（ 7/15 9/15）VREF（ 9/15 11/15）VREF（ 11/15 13/15）VREF（ 13/15 1）VREF0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 1 10 0 0 0 1 1 10 0 0 1 1 1 10 0 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 10 0 00 0 10 1 00 1

12、 11 0 01 0 11 1 01 1 1输 入输 出 EI I0 I1I2I3I4I5I6I7A2A1A0GSEO11111101111111111110000000100100101001101001001110110100111110001001111110101001111111100100111111111101P96集成优先编码器74148（8线-3线）需要几个比较器？2n-1个比较器。转换一次需要多少时间？1个时钟周期（TCP） 并行ADC是一种极高速的ADC，转换时间小于50ns，因此一般不需要保持电路。 并行ADC由于转换速度高，常用于视频信号和雷达信号的处理系统。所用的高

13、速ADC的转换速率已达到数百至上千MSPS 比较原理： 将要转换的模拟电压VI与一系列的基准电压VR比较。比较原则： 比较是从高位到低位逐位进行，同时依次确定各位数码是1还是0。工作过程： 转换开始前，先将逐位寄存器清零，开始转换后，控制逻辑将寄存器最高位置1，使其输出为100000，这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压VR,送至比较器与输入VI进行比较。比较结果： 说明寄存器输出的数码大了，应将最高位1改为0（去码），同时设次高位为1。 说明寄存器输出的数码还不够大，需将最高位设置的1保留（加码），同时再设次高位为1。然后按同样的方法进行比较，确定次高位的1是去掉还是保留。这样逐位比较

14、下去，一直到最低位为止，比较完毕后，寄存器中的状态就是转换后的数字输出。反相输入大于基准输出为0D/A转换器逐位逼近寄存器控制逻辑数码输出模拟输入VI电压比较器二 逐次比较型A/D转换器例：一个待转换的模拟电压VI=163mV,逐位逼近寄存器的数字量为八位，整个比较过程如下：步骤寄存器设定码十进制数比较判别结果1286432168421110000000128留211000000192去310100000160留410110000176去510101000168去610100100164去710100010162留810100011163留结果逐次比较A/D的数码位数越多，转换结果越精确。节拍

15、脉冲 4位逐次逼近电路 逻辑电路101111110100001111001010011111101101010100例： 逐次逼近型AD 转换器。当vI1.5V时，问： （1）输出的二进制数D3D2D1D0？（2）转换误差为多少？（3）如何提高转换精度？ 解：1.量化单位为：转换结果D=（0100）22.转换误差为：1.540.3125=1.51.25=0.253.减少误差的方法（1）增加位数；（2）在D/A输出加一个负向偏移电压1/2 。五双积分型A/D转换器 它由积分器、过零比较器（C）、时钟脉冲控制门（G）和定时器、计数器（FF0FFn）等几部分组成。（2）第一次积分阶段工作原理：（1）

16、准备阶段计数器清零，积分电容放电， vO=0V。t=0时，开关S1与A端接通，输入电压vI加到积分器的输入端。积分器从0开始积分：由于vO0V，比较器输出vC=0，控制门G被关闭，计数停止。同时，N级计数器又从0开始计数。在此阶段结束时vO的表达式可写为：设T2=t2t1，于是有：设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为，则：可见，T2与VI成正比，T2就是双积分A/D转换过程的中间变量。 上式表明，计数器中所计得的数（=Qn-1Q1Q0），与在取样时间T1内输入电压的平均值VI成正比。只要VIVREF，转换器就能将输入电压转换为数字量。T2=TC 某双积分A/D转换器中计数器由四片十进制集成计

17、数器组成，它的最大计数容量D=(5000)10。计数脉冲的频率fcp=25KHz，积分器R=100K,C=1F,输入电压范围VI=05V。试求：1、第一次积分时间T1；2、积分器的最大输出|VOMAX|；3、当VREF=|10|V，若计数器的计数值 M=(1740)10时，表示输入电压VI为多大？例 11、第一次积分时间T1；其中2n表示计数器计满值的情况，即最大计数容量D=(5000)10表示1个脉冲周期第一次积分共计了2n=5000个计数脉冲所以：2、积分器的最大输出|VOMAX|； 积分器最大输出电压VBO值时当计数为5000时，输入为5V时，积分器的输出值。|3、当VREF=|10|V，若计数器的计数值 M=(1740)10时，表示输入电压VI为多大？例2、双积分ADC的VREF=-10V，计数器为12位二进制加法计数器。已知时钟频率fcp=1MHz。(1)该ADC允许输入的最大模拟电压是多少？完成一次转换所需要的时间是多少？(2)当vI=6V时，求输出的数字量。(3)已知输出的数字量为 (4FF)H，求对应的输入电压vI。解：(1) 允许输入的最大模拟电压完成一次转换所需要的时间(2)思路：输入模拟电压与数字量成正比，是最小量化单位的N倍，N所对应的数字量即为转换结果。当vI=6V时(3) 输出的数字量为 (4FF)H时，对应的输入电压vI：六 A/D转换器的主要