数字电路基础模数与数模转换器详解演示文稿

1、数字电路基础模数与数模转换器详解演示文稿第一页，共三十九页。（优选）数字电路基础模数与数模转换器第二页，共三十九页。A/D 转换器 D/A 转换器 模拟 控制器 工业生产过程控制对象 模 拟 传感器 ADC和DAC已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。将温度、压力、流量、应力等物理量转换为模拟电量 计算机进行数字处理（如计算、滤波）、保存等用模拟量作为控制信号数字控制 计算机概述第三页，共三十九页。第四页，共三十九页。9.1 D/A转换器9.1.1 D/A转换的基本原理9.1.2 倒T形电阻网络D/A转换器9.1.4 D/A转换器的输出方式9.1.3 权电流D/A转换器9.1.5 D/A转换器

2、的技术指标9.1.6 D/A转换器的应用第五页，共三十九页。将数字量转换为与之成正比模拟量 。n位数字量1. 概述DAC9.1 D/A转换器模拟量1、数 / 模转换器:A = K DO = K NB 第六页，共三十九页。 数字量是用代码按数位组合而成的， 对于有权码，每位代码都有一定的权值，如能将每一位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模拟量， 从而实现数字量-模拟量的转换。 实现D/A转换的基本思想 NDb424b323b222b121b020 124123022021120将二进制数ND(11001)B转换为十进制数。9.1.1 D/A转

3、换的基本原理第七页，共三十九页。 D/A转换器的组成:DAC的数字数据可以并行输入也可串行输入用存放在数字寄存器中的数字量的各位数码由输入数字量控制产生权电流将权电流相加产生与输入成正比的模拟电压第八页，共三十九页。 实现D/A转换的原理电路，, 第九页，共三十九页。 D/A转换器的分类:按解码网络结构分类 T型电阻网络DAC倒T形电阻网络DAC权电流DAC 权电阻网络DAC 按模拟电子开关电路分类 CMOS开关型DAC双极型开关型DAC 电流开关型DAC ECL电流开关型DAC D/A 转换器第十页，共三十九页。9.1.2 倒T形电阻网络D/A转换器Di=0, Si则将电阻2R接地Di=1,

4、 Si接运算放大器反相端，电流Ii流入求和电路 电阻网络模拟电子开关求和运算放大器输出模拟电压输入4位二进制数根据运放线性运用时虚地的概念可知，无论模拟开关Si处于何种位置，与Si相连的2R电阻将接“地” 或虚地。 1、4位倒T形电阻网络D/A转换器基准电压第十一页，共三十九页。D/A转换器的倒T形电阻网络基准电源VREF提供的总电流为：I =？流过各开关支路的电流：I3 =？I2 =？ I1 =？ I0 =？I/4I/8I/16RRRRI/2I/4I/8I/16I/2I3I2I1I0流入每个2R电阻的电流从高位到低位按2的整数倍递减。I3= VREF / 2RI2= VREF / 4RI1=

5、 VREF / 8RI0= VREF /16 R第十二页，共三十九页。流入运放的总电流： i I0 + I1 + I2 + I3输出模拟电压： 第十三页，共三十九页。4 位倒T形电阻网络DAC的输出模拟电压： n 位倒T形电阻网络DAC有： 令：则O = K NB 在电路中输入的每一个二进制数NB，均能得到与之成正比的模拟电压输出。 第十四页，共三十九页。AD7533D/A转换器使用:1)要外接运放， 2)运放的反馈电阻可使用内部电阻 ， 也可采用外接电阻）2.集成D/A转换器10位CMOS电流开关型D/A转换器 第十五页，共三十九页。关于D/A转换器精度的讨论(1)基准电压稳定性好；(2)

6、倒T形电阻网络中R和2R电阻比值的精度要高；(4)为实现电流从高位到低位按2的整数倍递减，模拟开关 的导通电阻也相应地按2的整数倍递增。为进一步提高D/A转换器的精度，可采用权电流型D/A转换器。 为提高D/A转换器的精度，对电路参数的要求： (3) 每个模拟开关的开关电压降要相等第十六页，共三十九页。Di =1时，开关Si接运放的反相端; Di= 0时，开关Si接地。 9.1.3 权电流D/A转换器1. 4位权电流D/A转换器第十七页，共三十九页。在恒流源电路中，各支路权电流的大小均不受开关导通电阻和压降的影响，这样降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。第十八页，共三十九页。实际的权电流D

7、/A转换器电路电压恒定各BJT的 发射结电压相等基准电流产生电路+-第十九页，共三十九页。9.1.4 D/A转换器的输出方式8位D/A转换器在双极性输出时的输入/输出关系000000001000000011111110000000011000000111111111模拟量 数字量MSB LSB第二十页，共三十九页。 第二十一页，共三十九页。9.1.5 D/A转换器的主要技术指标分辨率：其定义为D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。n位DAC最多有2n个模拟输出电压。位数越多D/A转换器的分辨率越高。 分辨率也可以用能分辨的最小输出电压与最大输出电压之比给出。n位D/A转换器的分辨率可表示

8、为1、分辨率第二十二页，共三十九页。2、转换精度：转换精度是指对给定的数字量，D/A转换器实际值与理论值之间的最大偏差。产生原因：由于D/A转换器中各元件参数值存在误差，如基准电压不够稳定或运算放大器的零漂等各种因素的影响。几种转换误差：有如比例系数误差、失调误差和非线性误差等3、转换速度：4、温度系数：第二十三页，共三十九页。9.1.6 集成D/A转换器的应用(1) 数字式可编程增益控制电路 D2 D7 uO D0 D1 2R 2R 2R 2R R R R D8 D9 R R R uI 2R 2R 2R - + RF IOUT1 IOUT2 VREF 第二十四页，共三十九页。 D2 D7 u

9、OD0 D1 2R 2R 2R 2R R R R D8 D9 R R R uI2R 2R 2R - + RF IOUT1 IOUT2 VREF uO - + R uIOUT2I IOUT1 倒T形电阻网络OVIAuu=Iout1 I0 + I1 + I2 + I9根据虚断有:第二十五页，共三十九页。(2) 脉冲波产生电路74163具同步清零功能74163和与非门构成十进制计数器：00001001第二十六页，共三十九页。9.3 A/D转换器9.3.1 A/D转换器的基本原理9.3.2 A/D转换器的构成9.3.3 集成A/D转换器及其应用第二十七页，共三十九页。9.3.1 A/D转换器的基本原理

10、模拟电子开关S在采样脉冲CPS的控制下重复接通、断开的过程。S接通时，ui(t)对C充电，为采样过程；S断开时，C上的电压保持不变，为保持过程。在保持过程中，采样的模拟电压经数字化编码电路转换成一组n位的二进制数输出。第二十八页，共三十九页。t0时刻S闭合，CH被迅速充电，电路处于采样阶段。由于两个放大器的增益都为1，因此这一阶段uo跟随ui变化，即uoui。t1时刻采样阶段结束，S断开，电路处于保持阶段。若A2的输入阻抗为无穷大，S为理想开关，则CH没有放电回路，两端保持充电时的最终电压值不变，从而保证电路输出端的电压uo维持不变。第二十九页，共三十九页。3. 量化与编码 要实现A/D转换,

11、还必须将取样-保持电路的输出表示为最小数单位的整数倍。将数字连续的模拟量转换为数字量的过程称为量化。 量化的方法，一般有舍尾取整法和四舍五入法。 A/D转换一般要经过取样、保持和量化、编码几个过程。第三十页，共三十九页。（1）分辨率A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示，位数越多，误差越小，转换精度越高。例如，输入模拟电压的变化范围为05V，输出8位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V2820mV；而输出12位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V2121.22mV。（2）相对精度在理想情况下，所有的转换点应当在一条直线上。相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。（3）转换速度转换

12、速度是指完成一次转换所需的时间。转换时间是指从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间。第三十一页，共三十九页。0uiVREF/15时，7个比较器输出全为0，CP到来后，7个触发器都置0。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0000。VREF/15ui3VREF/15时，7个比较器中只有C1输出为1，CP到来后，只有触发器FF1置1，其余触发器仍为0。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0=001。9.3.2 A/D转换器的构成第三十二页，共三十九页。3VREF/15 ui5VREF/15时，比较器C1、C2输出为1，CP到来后，触发器FF1、FF2置1

13、。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0010。5VREF/15ui7VREF/15时，比较器C1、 C2、 C3输出为1，CP到来后，触发器FF1、 FF2、 FF3置1。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0=011。依此类推，可以列出ui为不同等级时寄存器的状态及相应的输出二进制数。第三十三页，共三十九页。第三十四页，共三十九页。转换开始前先将所有寄存器清零。开始转换以后，时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为1000。这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压uo，送到比较器中与ui进行比较。若uiuo，说明数字过大了，故将最高位的1清除；若uiuo，说明数字还不够

14、大，应将这一位保留。然后，再按同样的方式将次高位置成1，并且经过比较以后确定这个1是否应该保留。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。原理框图基本原理第三十五页，共三十九页。3位逐次逼近型A/D转换器第三十六页，共三十九页。转换开始前，先使Q1=Q2=Q3=Q4=0，Q5=1，第一个CP到来后，Q1=1，Q2=Q3=Q4=Q5=0，于是FFA被置1，FFB和FFC被置0。这时加到D/A转换器输入端的代码为100，并在D/A转换器的输出端得到相应的模拟电压输出uo。uo和ui在比较器中比较，当若uiuo时，比较器输出uc=1；当uiuo时，uc=0。第二个CP到来后，环形计数器右移一位，变成Q2=1，Q1=Q3=Q4=Q5=0，这时门G1打开，若原来uc=1，则FFA被置0，若原来uc=0，则FFA的1状态保留。与此同时，Q2的高电平将FFB置1。第三个CP到来后，环形计数器又右移一位，一方面将FFC置1，同时将门G2打开，并根据比较器的输出决定FFB的1状态是否应该保留。第四个CP到来后，环形计数器Q4=1，Q1=Q2=Q3=Q5=0，门G3打开，根据比较器的输出决定FFC的1状态是否应该保留。第五