数字电子技术第十一章数模转换

数字电子技术第十一章数模转换第一页，共四十一页，2022年，8月28日D/A转换器权电阻网络D/A转换器倒T型电阻网络D/A转换器权电容网络D/A转换器权电流型D/A转换器开关树型D/A转换器A/D转换器直接转换型并联比较型反馈比较型间接转换型双积分型(V－T变换型)V－F变换型计数型逐次渐进型衡量性能的参数为转换精度和转换速度!本章重点：数模和模数转换的原理，以及数模转换器的应用第二页，共四十一页，2022年，8月28日11.2.1权电阻网络D/A转换器1.原理11.2D/A转换器深度负反馈虚短和虚断第三页，共四十一页，2022年，8月28日大多数D/A转换的转换公式！y=kxD/A转换的本质就是建立了数字量与模拟量之间一一对应的正比例关系！第四页，共四十一页，2022年，8月28日权电阻网络D/AC缺点：1.阻值范围大，不便于集成2.电阻支路，状态差异大，工作速度低第五页，共四十一页，2022年，8月28日11.2.2倒T型电阻网络D/A转换器1.原理电阻网络特点：任意节点向左看的等效电阻皆为R。第六页，共四十一页，2022年，8月28日倒T形DAC特点：1.电阻种类少，便于集成；2.开关切换时，各点电位不变；因此，速度快。第七页，共四十一页，2022年，8月28日集成D/A转换器分类:片内集成放大器的和不集成的。

CB7520是片内没有集成放大器的10位D/AC。需外接运放需外接基准电压源第八页，共四十一页，2022年，8月28日11.2.7D/A转换器的转换精度与转换速度一、转换精度通常用分辨率和转换误差来描述。1.分辨率:理论上可以区分的模拟输出的最小非零电压值表示方法：(1)用输入二进制数字量的位数表示；如8位D/AC。(2)用模拟输出电压的最小值与最大值的比值表示。该比值显然等于：第九页，共四十一页，2022年，8月28日转换误差可分为线性和非线性误差。指实际的D/A转换特性和理想转换特性之间的最大偏差。转换误差的表示形式：(1)最低有效位的倍数。如:1LSB。(2)输出电压满刻度(FSR,FullScaleRange)的百分数。如:0.1％FSR。2.转换误差第十页，共四十一页，2022年，8月28日3.转换误差分析D/A转换器四个组成部分,均可引起转换误差,但有不同的特点.(1)参考电源引起的误差称为比例系数误差。第十一页，共四十一页，2022年，8月28日(2)运放零点漂移引起的误差称为漂移误差或平移误差。第十二页，共四十一页，2022年，8月28日(3)模拟开关的导通内阻和导通压降以及电阻网络中电阻的偏差引起的误差称为非线性误差。非线性误差有时导致转换特性局部非单调性，从而引起系统不稳定。注意:D/AC分为两种一种为运放和参考电源为外接,另一种都集成在集成D/AC内部。前者,在选择外接参考电源和运放时要注意，选择稳定性高的，否则会因为误差而降低精度！总误差为几种误差的叠加第十三页，共四十一页，2022年，8月28日例11.2.110位倒T型电阻网络D/AC中,VREF=-10V。为保证VREF偏离标准值所引起的误差小于1/2LSB,试计算VREF的相对稳定度应取多少？1.计算1/2LSB:当输入数字量Dn=1时，输出电压为LSB。故：2.计算当VREF变化量为ΔVREF时所引起的输出变化量的最大值ΔVOM:输入数字量的最大值如|VREF|=10V,允许的参考电源变化量小于5mV第十四页，共四十一页，2022年，8月28日二、转换速度用完成一次转换所需的时间－－建立时间tset－－来衡量。建立时间:从输入信号变化开始到输出电压进入与稳态值相差正负1/2LSB范围以内的时间。输入信号由全0变为全1所需时间最长不包含运放的D/AC建立时间可达0.1μs当外接运放时，转换时间还应加上运放的上升（下降）时间。转换时间建立时间输出模拟电压最大值运放输出转换速率第十五页，共四十一页，2022年，8月28日11.3A/D转换器11.3.1A/D转换的基本原理A/D转换的基本步骤：采样(取样)保持量化编码取样-保持电路A/D转换电路第十六页，共四十一页，2022年，8月28日一、采样－保持(Sampleandhold)1.取样定理:为保证从采样信号恢复被采样信号，必须满足实际的采样保持电路中有一个采样控制信号,它的频率称采样频率采样定理又称为香农定理(Shannon).实际应用中，fs取3-5倍的fimaxTsamplingperiodorsamplingintervalNyquist–Shannonsamplingtheorem

第十七页，共四十一页，2022年，8月28日采样定理(补充)频率混叠第十八页，共四十一页，2022年，8月28日然后：vL为低电平时，T截止，集成运放的输入电阻很大，所以取样电容CH上的电荷无泄放回路，就可以认为在一定时间内VO将保持不变。11.3.2取样－保持电路首先：vL为高电平时，场效应管T导通,进行取样,就是vI通过电阻RI对电容CH充电，充电结束后为：电路缺点：输入电阻RI过大会降低取样速度;过小又加重信号源负载。第十九页，共四十一页，2022年，8月28日集成A/D转换器LF398在取样阶段，开关S接通，运放AI,A2构成两级电压跟随器,既VO’＝VI,对电容CH充电，充电结束后为：二极管D1,D2和电阻R1构成保护电路。在取样阶段，S接通，D1,D2截止，保护电路不起作用。第二十页，共四十一页，2022年，8月28日二、量化和编码量化:完成模拟量在数值上的离散化,转化为最小数量单位Δ的整数倍。编码:用二进制代码表示量化后的输入模拟电压。两种不同的量化方案，比较其量化误差特性的变化。相当于取整量化相当于4舍5入量化量化误差第二十一页，共四十一页，2022年，8月28日将输入模拟电压直接转换为数字量，不经过中间变量。采用第二种量化方案，即Δ

=2VREF/15转换过程：根据量化方案比较输入模拟信号的大小，然后对比较的结果进行编码。特点：速度快，转换时间小于50ns；需要大量的比较器和触发器；不需要采样保持电路！11.3.3并联比较型A/D转换器第二十二页，共四十一页，2022年，8月28日量化转换表第二十三页，共四十一页，2022年，8月28日11.3.4反馈比较型A/D转换器原理：将一数字量加到D/A转换器上，再把D/A转换器输出的模拟电压与输入模拟电压相比较。若不相等，则修改数字量，直到两模拟电压相等，此时对应的数字量就是转换结果。数字量第二十四页，共四十一页，2022年，8月28日1.计数型A/D转换器特点：(1)电路简单；(2)速度慢。最长转换时间可达2n-1个时钟信号周期。第二十五页，共四十一页，2022年，8月28日2.逐次渐近型A/DC:转换原理类似于用天平称未知重量物体的过程第二十六页，共四十一页，2022年，8月28日第一次积分:对输入模拟电压定时积分,时间为T1,由控制逻辑电路决定第二次积分:对参考电源VREF定速积分,VO的变化速度由VREF,R和C决定1.双积分型A/D转换器11.3.5间接A/D转换器第二十七页，共四十一页，2022年，8月28日第一次积分结束时电容电压，即T1时刻电容电压Vc，即Vo值为：第二次(反向)积分结束时积分器输出电压为0，设积分时间T2，即即说明T2和VI成正比！第二十八页，共四十一页，2022年，8月28日设时钟周期为TC,计数的脉冲个数DC,则第二十九页，共四十一页，2022年，8月28日特点:性能稳定,转换结果与R,C无关;也与时钟周期TC无关。这是两次积分的结果,抗干扰能力强。速度慢,完成一次转换时间最大达到了2T1，即2n+1TC第三十页，共四十一页，2022年，8月28日11.3.6V-F变换型A/D转换器速度慢。这是由于计数型原理决定的。第三十一页，共四十一页，2022年，8月28日11.3.7A/D转换器的转换精度和转换速度一、A/D转换器的转换精度采用分辨率和转换误差来描述。1.分辨率：能区分的最小输入模拟电压。用输出数字量位数表示。当位数为n位时,能区分的最小电压为FSR/2n2.转换误差：通常以输出误差最大值的形式给出.表示实际输出数字量与理论上应有的输出数字量之间的差别。多以最低有效位的倍数表示。如转换误差≤1/2LSB有时也以满量程的百分数给出。如转换误差为0.5％FSR使用时要注意环境温度、电源电压等条件。第三十二页，共四十一页，2022年，8月28日二、A/D转换器的转换速度不同类型间速度相差悬殊。并联比较型最快。转换时间小于<1微秒。逐次渐近型次之。转换时间多在10～100微秒/次之间。双积分型速度最低。转换时间多在数十毫秒到数百毫秒之间。在速度要求高的场合,还要考虑取样－保持电路的获取时间(微秒数量级)本章完全书玩啦！第三十三页，共四十一页，2022年，8月28日[题11.3]（2）十位D/A转换器，VREF=5V,求输出电压。输入全1时D=210-1,故输入全0时D=0,故输入为1000000000时D=29,故第11章习题第三十四页，共四十一页，2022年，8月28日[题11.5]10位D/A转换器，VREF=-10V,画输出波形。解：计数器状态为0000时，模拟输出为0；当状态为0001时，D/A输入数字量为0001000000，输出为：编码＋1递增，所以模拟电平输出也按0.625V递增。第三十五页，共四十一页，2022年，8月28日0.625VCPtt0(V)1160[题11.5]答案第三十六页，共四十一页，2022年，8月28日[题11.8]画输出波形。第三十七页，共四十一页，2022年，8月28日解：易求出D/A转换器输出最小电压为0.5V，存储器中的数依次为0，1，3，7，15，15，7，3，1，0，1，3，5，7，9，11。0.5CPt0t0(V)116[题11.8]答案第三十八页，共四十一页，2022年，8月28日[题11.9]如11.8电路产生如下波形，应如何修改RAM数据，CLK信号频率为多少？第三十九页，共四十一页，2022年，8月28日[题11.16]10位逐次渐进型A/D转换器，时钟频率为1MHz，求完成一次转换操作所需时间。