第11章数模、模数转换器2011.7

11.1概述数字信号模拟信号：D/A转换器(DAC－Digital

AnalogConverter)有三种形式，详细介绍两种模拟信号数字信号：A/D转换器(ADC－AnalogDigital

Converter)有六种形式，详细介绍三种主要指标：精度、速度第十一章数模和模数转换11.2.1权电阻DAC求和运放S0~S3电子开关d=0,S接地无电流d=1,S接VREF(基准电压源)有电流权电阻网络输出模拟电压vO=－RFI∑输入4位二进制数(n=4)vO=－RFI∑=－RFI0(23d3＋22d2＋21d1＋20d0)=－RF

(23d3＋22d2＋21d1＋20d0)vO=－(2n-1dn-1＋2n-2dn-2～21d1＋20d0)I023d3=23d3

IFRFvovi－＋通式中位数n=4通常RF=R(11.2.3)R1I(D)4

VREF(R1=8R//4R//2R//1R)第十一章数模和模数转换图11.2.111.2D/A转换器=RF基准★总电流I024=

VREF/

R

vO=－RFI∑=－RFI0(23d3＋22d2＋21d1＋20d0)=－RF

(23d3＋22d2＋21d1＋20d0)vO=－(2n-1dn-1＋2n-2dn-2～21d1＋20d0)11.2.2倒T形DAC1、基本原理结电阻R支电流I020结电阻R支电流I021结电阻R支电流I022结电阻R支电流I023①di=0,S接实地(左边)I∑分量无。②di=1,S接虚地(右边)I∑分量有。③流进节点电流≡流出节点电流⑤vO=－RFI∑IFRFvovi－＋④输入电阻1RR1I(D)4

VREF通式(R1=R=RF)11.2D/A转换器精度高(VREF=5V时δV≈5mV)2、集成DAC(CB7520/1、4n=10/12、8)RF=R=10K实践中vO＜|δV·D10|原因运放,开关不理想解决外接RF优点:缺点:价格太贵极性可以切换IFRFvovi－＋R1I(D)10

VREFR1=R=RFvO=－

(29dn-1＋28dn-2～20d0)=－δV·D10vO=－(2n-1dn-1＋2n-2dn-2～21d1＋20d0)11.2.2倒T形DAC图11.2.53、电子模拟开关（P512图11.2.6）

didi开关原理:NMOS管G=1，DS导通(RON)，G=0，DS阻断(ROFF)。T1T2①脚脚②di∵RON＞0，ROFF<∞，∴v0＜理论当di=1时T1导通S接虚地，同时di=0T2阻断；同理di=0时di=1，T2导通T1阻断S接实地。11.2.2倒T形DACVREF

DAC7520

(20个电阻)

D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0数

字

量

ViVo741－

＋

I456789101112131(I1)

2(I2)

16(RF)

15

4、其它应用（补充）数控衰减器若VREF端接Vi若VREF端接Vo,RF端接VI,构成R1I(D)10

VREFIFRFvovi－

＋

R1=R=RF数控放大器＋

2(I2)

－

VREF

DAC7520

(20个电阻)

D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0数

字

量

ViVo741I456789101112131(I1)

16(RF)

15

作业11.11作业11.12⑤vO=RFiO=RFIEO(23d3＋22d2＋21d1＋20d0)

4=n通式：1、原理②若2管VBE1=VBE2则IE1≡IE2(板书)20IE021IE022IE023IE024IE0③24IE0=IREF=④IEO=vO=(2n-1dn-1＋2n-2dn-2～21d1＋20d0)

优：快；缺：双电源、正极性输出倒T型电阻11.2D/A转换器11.2.3权电流DAC①vO=RFiO2、DAC典型应用图11.2.10/11若计数器用8位（Q7～Q0），形成锯齿波发生器若用可逆计数器（8位），形成三角波发生器（板书)通式中n=8Q0Q1Q2Q3计数器十六进制vO=(2n-1dn-1＋2n-2dn-2～21d1＋20d0)

△V=vomax/2思考:如何实现双极性DAC?（11.2.6讲)11.2.3权电流DAC11.2.4*11.2.5*略作业11.53位双极性DAC偏移量ΔV产生方法△V=vomax/211.2.6双极性DAC(4个措施)原码d2d1d0无偏移vO有偏移vO补码反+1备注111+7V+3V011n=3VREF=-8V1

10+6V+2V010101+5V+1V001负数原码100+4V0V000011+3V-1V111-001010+2V-2V110-010001+1V-3V1

01-0110

000V-4V1

00-100RI(D)max/2

VREFIFRvo－

＋

DA7520/4RB

20K=10VVB=−10V1补码输入RB=2RVB=-VREF补码最高位取反2R−VREFI←=0=0=8V+2-21、转换精度①模拟量最大值/数字量最大值=单位电压(V)2、转换误差1.VREF误差2.运放飘移3.开关不理想4.电阻R误差△vO=|△vO1|+|△vO2|+|△vO3|+|△vO4|要求（指标）：△vOmax≤单位电压/2②1/数字量最大值(%)11.2.7DAC的主要参数vO=－(2n-1dn-1＋2n-2dn-2～21d1＋20d0)例：Am=5V，Dm=11111111分辨力=5V/255≈0.02V例：Dm=11111111=28-1分辨率=1/2550.4%原因11.2D/A转换器|△VREF|/

|VREF|==[例]

CB7520(n=10、RF/R=1)VREF=－10V，△VREF产生的△vOmax≤单位电压/2，求VREF的相对稳定度(相对误差)。

3、转换时间（速度）DAC转换时间Tset：Dn建立至vO±0.5单位电压出现绝对误差|△VREF|=0.049%|VREF|=0.049%10=4.9mV产生Tset原因：1、开关速度≈0.1微秒(次要的)解：△vomax=|－△

(D10)max|2、运放速度≈1.5微秒(主要的)

11.2D/A转换器作业11.1311.3.1A/D转换基本原理取样/保持器量化/编码器u1u2模拟输入A1数字输出Dn组成DAC模拟还原A2量化(取整)①四舍五入②过0取整；编码：将取整后的模拟量转成二进制数上沿时取样下沿后保持一、取样定理周期性(Ti=1/fi)非正弦波都可以用傅立叶级数展开，其频率成分为：fi、2fi…fi(max)Ti输入信号取样保持信号取样脉冲TS取样脉冲周期TS=1/fS

，A2接近A1条件:fS≧2fi(max)(8.3.1)否则A2劣于A1。11.3A/D转换器第十一章数模和模数转换t二、量化和编码（以n=3为例）数字信号010110101011100111100取样脉冲TS(TS)1234567

输入模拟信号u1为周期性非正弦波,图示周期Ti=7TSf…fi2fifi(max)fS频谱分析U2取样/保持器输出信号15/1513/1511/159/157/155/153/151/150/15基准电压(V)量化级7△=14/156△=12/155△=10/154△=8/153△=6/152△=4/151△=2/150△=0/15代码111110101100011010001000P526图11.3.3（b）量化级△=2/15V量化误差△/2=1/15V（a）量化误差=量化级△=1/8V11.3.1A/D转换基本原理+－11.3.2取样—保持电路跟随器跟随器限幅器比较器CH取样期：vL=1＞VREF

L输出1S合vO

=v0′=vCH=vI保持期vL=0

＜VREF

L输出0S离CH无放电vO

=vCHCH较大时，保持状态平稳，取样值偏低；CH小时，则反t送量化编码器包括：直接ADC(并联型、反馈比较型…)；间接ADC(双积分型…)11.3A/D转换器11.3.3并联ADC13△11△9△7△5△3△1△精密电阻23个精密电压

vIQ7Q6Q5Q4Q3Q2Q1d2d1d00≤vI＜1△0000000000

1△≤vI＜3△0000001001

3△≤vI＜5△0000011010

5△≤vI＜7△000011101

1

7△≤vI＜9△000

1111100

9△≤vI＜11△0011111101

11△≤vI＜13△01111111

10

13△≤vI＜15△11111111

1

1

条件vIm＜VREF,否则外设倍率衰减器满足条件原理①量化级△=VREF

/15②V+＞V－D=1,V+＜V－D=0③Qn+1=D|CP↑，Qn+1=Qn|CP↑+Q6Q5d2=Q4d0=Q2Q1+Q6d1=Q4Q2+Q4Q3+Q7优点:快;缺点:器件多2n-1套,编码困难-④代码表关键在01交界处(红色码字)其余部分可作任意项处理P530图11.3.7R11.3.4反馈比较型ADC1、逐个渐近ADC

Q7…Q4Q3…Q0

Q7…Q4Q3…Q0Q3Q0Q7Q4D7=Q7…D0=Q0①计数器清0、vL=0、不计数、Q全0、vO=0、vB=1、

②vL=1、加计数、vO上升、当vO≥vI时、vB=0、停计数

③此时数字量Q7…Q4与vI

成正比，实现模数转换

④逐个渐近法转换时间太长，可用于无速度要求的场合比较器CP控制门启动信号来自取样保持电路特别提示vomax>vI否则vI外接衰减器11.3A/D转换器图11.3.8作业11.15暂时结果4个砝码总重1111比较判断顺序CP

18g

10008g<X，8g28g+4g

10012g<X，保留12g38g+4g+2g

1014g>X，撤去12g48g+4g+1g

113g＝X，保留X=13g①按顺序施加码字的一半②当vO≥vI时撤去,施加同时

③转换周期=CP×n(位数)④组成：比较器，DAC，渐近寄存器，移位寄存器保留2、逐次渐近ADC(难点)图11.3.9图11.3.10VB电路P534②Qn+1=S+RQn

|

CP↑设vI=6△d2d1d0110③n+2个CP转换一次，常用CP初1↑2↑3↑4↑5↑D2=Q1=SA100001D3=Q2=SB010000D4=Q3=SC001000D5=Q4000100D1=Q5000010RA=VB

Q2RB=VB

Q3+Q1RC=VB

Q4+Q1QAQBQCVO（△）VBQA·Q5=d2QB·Q5=d1QC·Q5=d0011000-.500000000013.500000001105.500001116.510000011105.500001105.50000110011Q1→Q2→Q3→Q4→Q5

①

0001111000101110QnQn+1RS作业11.163、集成A/D转换器CAD571CAD751为10位逐次渐近ADC当BOF=0（1）时，ui为单（双）极性输入。当B/C有下降沿时模数转换开始；上升沿时转换结束，并准备下次转换。DR有下降沿时10位数字量输出。特点：便于与计算机接口。13

14

CAD571

D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0数

字量输出

uiGRDAGRDD16

1234

5

6

78910

V+V-12BOF15

DR171811B/C11.3.4反馈比较型ADCQnQ001＆CP①条件+vI＜∣−VREF∣②初态Qn～0=00～0,vC=0,初态后vI经R向C充电并计数vo1

－+④n+1位加计数Qn=0R0③积分器vo＜0，vo1=1，计数至10～0时,S1换向,C经R向-VREF快放,vo↑≥0时vo1=0,计数停,输出启动⑤结论∣-VREF∣＜+vI时放电慢的情况+⑥当不满足条件①时，vo始终