数字逻辑复习课件第8章

1、概述第 8 章数模和模数转换器 本章小结A/D 转换器D/A 转换器 8.1 概述 主要要求： 理解数模和模数转换器的概念和作用。 一、数模和模数转换的概念和作用 数模转换即将数字量转换为模拟电量(电压或电流)，使输出的模拟电量与输入的数字量成正比。 实现数模转换的电路称数模转换器 Digital - Analog Converter，简称 D/A 转换器或 DAC。 模数转换即将模拟电量转换为数字量，使输出的数字量与输入的模拟电量成正比。 实现模数转换的电路称模数转换器 Analog - Digital Converter，简称 A/D 转换器或 ADC。 模拟量数字量 模拟量数字量传感器

2、被控对象 自然界物理量为何要进行数模和模数转换？ 二、数模和模数转换器应用举例数字信号物理量模拟信号压力传感器温度传感器流量传感器四路模拟开关数字控制计算机DAC模拟控制器模拟控制器液位传感器DACDAC模拟控制器模拟控制器生 产 控 制 对 象 DACADC二、数模和模数转换器应用举例 主要要求： 了解数模转换的基本原理。 了解常用 D/A 转换器的类型和主要参数。 了解 R - 2R 倒 T 形电阻网络 D/A 转换器的电路与工作原理。 8.2 D/A 转换器 一、数模转换的基本原理 输出模拟电压 uO = D = (Dn-1 2n-1 + Dn-2 2n-2 + + D1 21 + D0

3、 20 ) 可见，uO D，uO 的大小反映了数字量 D 的大小。DACD0D1Dn-2Dn-1uOn 位二进制数输入模拟电压输出一、数模转换的基本原理 LSB Least Significant Bit 输入数字量 D = (Dn-1 Dn-2 D1 D0 ) 2 = Dn-1 2n-1 + Dn-2 2n-2 + + D1 21 + D0 20 是 DAC 能输出的最小电压值，称为 DAC 的单位量化电压，它等于 D 最低位(LSB)为 1、其余各位均为 0 时的模拟输出电压(用 ULSB 表示)。S0+-uOS1S2S3D3D2D1D0iRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI1

4、2RI22RI301111000RRR (一) 电路组成与转换原理 二、R - 2R 倒 T 形电阻网络 DAC 由倒 T 型电阻网络、模拟开关和一个电流电压转换电路(简称 I/U 转换电路)组成。模拟开关 Si 打向“1”侧时，相应 2R 支路接反相端；打向“0”侧时，相应 2R 支路接地。故无论开关打向哪一侧，倒 T 型电阻网络均可等效为下图：II3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI3RRRABC从 A、B、C 节点向左看去，各节点对地的等效电阻均为 2R。因此，I =VREFRI3 =I2= 23 ( )，I24I2 =I32= 22 ( )，I24=I4I1 =I2

5、2= 21 ( )，I24=I8I0 =I12= 20 ( )I24=I16可见，支路电流值 Ii 正好代表了二进制数位 Di 的权值 2i 。即 I3 = 23 I0， I2 = 22 I0， I1 = 21 I0， I0 = 20 I0 模拟开关 Si 受相应数字位 Di 控制。当 Di = 1 时，开关合向“1”侧，相应支路电流 Ii 输出；Di = 0 时，开关合向“0”侧， Ii 流入地而不能输出。S0+-uOS1S2S3D3D2D1D0iRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI301111000RRRu0 = - i RF = - D I0 RF = - D

6、 i = D3 I3 + D2 I2 + D1 I1 + D0 I0 = ( D3 23 + D2 22 + D1 21 + D0 20 ) I0 = D I0对 n 位 DAC， uO= - D 若取 RF = R， 则uO= - D n 位 DAC 将参考电压 VREF 分成 2n 份，uO 是每份的 D 倍。调节 VREF 可调节 DAC 的输出电压。uO= - D 三、常用 DAC 的类型和主要参数 (一) 常用 DAC 的类型 常用 DAC 主要有权电阻网络 DAC、 R - 2R T 形电阻网络 DAC、R - 2R 倒 T 形电阻网络 DAC和权电流网络 DAC。其中，后两者转换

7、速度快，性能好，因而被广泛采用，权电流网络 DAC 转换精度高，性能最佳。 (二) 主要参数 1. 分辨率 DAC 的最小输出电压变化量，也即 DAC 的最小输出电压值 表示满度输出电压值，FSR 即 Full Scale Range指 D/A 转换器模拟输出所能产生的最小电压变化量与满刻度输出电压之比。 UFSR = uO|D = 11 1 = ( 2n 1 ) ULSBn 位均为 1例如，一个 10 位的 DAC，分辨率为 0.000 978。DAC 的位数越多，分辨率值就越小，能分辨的最小输出电压值也越小。要获得较高精度的 D/A 转换结果，除了正确选用 DAC 的位数外，还要选用低漂移

8、高精度的求和运算放大器。 3. 转换时间指 DAC 在输入数字信号开始转换，到输出的模拟信号达到稳定值所需的时间。转换时间越小，转换速度就越高。2. 转换精度 指 DAC 实际输出模拟电压与理想输出模拟电压间的最大误差。它是一个综合指标，不仅与 DAC 中元件参数的精度有关，而且与环境温度、求和运算放大器的温度漂移以及转换器的位数有关。 通常要求 DAC的误差小于 ULSB / 2。四、集成 DAC应用举例四、集成 DAC 应用举例1. 集成 DAC 简介 常用集成 DAC 有两类：一类内部仅含有电阻网络和电子模拟开关两部分，常用于一般的电子电路。另一类内部除含有电阻网络和电子模拟开关外，还带

9、有数据锁存器，并具有片选控制和数据输入控制端，便于和微处理器进行连接，多用于微机控制系统中。 2. 8 位 CMOS 集成 D/A 转换器 CDA7524 简介数据锁存器20 k20 k20 k20 k20 k10 k10 k10 k10 kVDDVREF151213CSWR45611D7(MSB)D6D5D0(LSB)S0S1S2S7OUT112316iRFBOUT2GND基准电压输入端 VREF 可正可负 片选控制端 电源电压范围 + 5 V + 15 V 8 位数据输入端，其电平与 TTL 电平兼容。MSB 表示最高位，LSB 表示最低位。接地端 内部反馈电阻 RF 的引出端 两个输出端

10、，一般将 OUT2 接地，OUT1 接运放反向端。 写信号控制端 例右图为 CDA7524 的单极性输出应用电路。图中电位器 R1 用于调整运放增益，电容 C 用以消除运放的自激。已知 ULSB = VREF / 256，试求满度输出电压及满度输出时所需的输入信号。 CDA752445789106111213D7D6D4D3D2D1D5D0CS314VDD151612VREF = 10V+-OUT1OUT2uOC2 kR2R11 k15 pFWR解： 当 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 = 11111111 时，输出为满度值。uO = - UFSR - 9.961 V。主要要求

11、：了解模数转换的基本原理。了解 A/D 转换器的主要参数。 了解常用 A/D 转换器。8.3 A/D 转换器 一、A /D 转换的基本原理和一般步骤 “ ”表示取整。 基本原理ADCD0D1Dn-2Dn-1uI模拟输入信号n 位二进制数输出D = Dn-1 Dn-2 D1 D0 可见，输出数字量 D 正比于输入模拟量 uI 。 称为 ADC 的单位量化电压或量化单位，它是 ADC 的最小分辨电压。采样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。保持：保持采样信号，使有充分时间转换为数字信号。量化：把采样保持电路的输出信号用单位量化电压的 整数倍表示。编码：把量化的结果用二进制代码表示。A /D

12、 转换的一般步骤 uI(t)C量化编码电路Dn-1D1D0uI(t)S采样保持电路输入模拟量输出数字量采样信号是否会丢失原信号的信息呢？对信号进行量化会引起误差吗？量化误差大小与 ADC 的位数、基准电压 VREF 和量化方法有关。 采样定理：当采样频率不小于输入模拟信号频谱 中最高频率的两倍时，采样信号可以 不失真地恢复为原模拟信号。 量化误差：因模拟电压不一定能被 ULSB 整除， 量化时舍去余数而引起的误差。 划分量化电平的两种方法最大量化误差 = = (1/8)V最大量化误差 = /2 = (1/15)V1 = 1/8V4 = 4/8V0(6/8)V(7/8)V000001010011

13、100101110111模拟电平二进制代码代表的模拟电平0 = 0V2 = 2/8V3 = 3/8V5 = 5/8V6 = 6/8V7 = 7/8V(5/8)V(4/8)V(3/8)V(2/8)V(1/8)V(8/8)V模拟电平二进制代码代表的模拟电平0 = 0V1 = 2/15V2 = 4/15V3 = 6/15V4 = 8/15V5 = 10/15V6 = 12/15V7 =14/15V(13/15)V0000001010011100101110111(11/15)V(15/15)V(9/15)V(3/15)V(7/15)V(1/15)V(5/15)VVREF二、并联比较型 ADC uI

14、RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比较器寄存器编码器编码器0000000000uI电阻构成分压器 VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比较器寄存器编码器编码器二、并联比较型 ADC 0000001001uIVREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比较器寄存器编码器编码器二、并联比较型 ADC 0000011010uIVREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比较器

15、寄存器编码器编码器二、并联比较型 ADC 0000111011uIVREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比较器寄存器编码器编码器二、并联比较型 ADC 0001111100uIVREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比较器寄存器编码器编码器二、并联比较型 ADC 0011111101uIVREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比较器寄存器编码器编码器二、并联比较型 ADC 0111111110uIVREFuI RR

16、/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比较器寄存器编码器编码器二、并联比较型 ADC 1111111111uI vI CO1 CO2 CO3 CO4 CO5 CO6 CO7 D2 D1 D0 7VREF/15 vI 9VREF/15 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 9VREF/15 vI 11VREF/15 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 5VREF/15 vI 7VREF/15 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 3VREF /15 vI 5VREF/15 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 11VREF/15 vI 13V

17、R/15 0 1 1 1 1 1 1 1 1 013VREF/15 vI VREF 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 VREF/15 vI 3VREF/15 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 vI VREF/15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与各比较器输出状态的关系。比较器的输出状态由D触发器存储，经优先编码器编码，得到数字量输出。 三、常用 ADC 的类型和主要参数 (一)常用 ADC 的类型 常用 ADC 主要有并联比较型、双积分型和逐次逼近型。其中，并联比较型 ADC 转换速度最快，但价格贵；双积分型 ADC 精

18、度高、抗干扰能力强，但速度慢；逐次逼近型速度较快、精度较高、价格适中，因而被广泛采用。 指 ADC 实际输出数字量与理想输出数字量之间的最大差值。通常用最低有效位 LSB 的倍数来表示。 (二) 主要参数 (转换精度、转换速度）2. 相对精度(又称转换误差) 指 ADC 输出数字量的最低位变化一个数码时，对应输入模拟量的变化量。 1. 分辨率 例如 最大输出电压为 5V 的 8 位 ADC 的分辨率为： 5V / 28 = 19.53 mV分辨率也可用 ADC 的位数表示。位数越多，能分辨的最小模拟电压值就越小。 例如 转换误差不大于 1/2 LSB，即说明 实际输出数字量与理想输出数字量 之间的最大误差不超过 1/2 LSB。 3. 转换时间 转换速度比较：并联比较型 逐次逼近型 双积分型 数十 ns 数十 s 数十 ms 指 ADC 完成一次转换所需要的时间，即从转换开始到输出端出现稳定的数字信号所需要的时间。转换时间越小，转换速度越高。 并行比较A/D转换器(8位） 逐次比较型A/D转换器 间接A/D转换器1050s50ns10ms1000msD/