数字电路康华光(第五)ch数模与模数转换器

3、正确理解D/A、A/D转换器的主要参数。1、掌握倒T形电阻网络D/A转换器(DAC)、集成D/A转换器的工作原理及相关计算。2、掌握并行比较、逐次比较、双积分A/D转换器(ADC)的工作原理及其特点。本章要求1当前1页，总共61页。9.1D/A转换器9.1.1D/A转换的基本原理9.1.2倒T形电阻网络D/A转换器9.1.5D/A转换器的技术指标9.1.3权电流D/A转换器9.1.4D/A转换器的输出方式9.1.6D/A转换器的应用2当前2页，总共61页。n位数字量DAC模拟量数/模转换器:将数字量转换为与之成正比模拟量。NBO=±KND

9.1.1D/A转换的基本原理3当前3页，总共61页。基本思想：将输入二进制数中为“1”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。1、实现D/A转换的基本思想

ND＝b4×24＋b3×23＋b2×22＋b1×21＋b0×20

＝1×24＋1×23＋1×20将二进制数(11001)B＝ND转换为十进制数。4当前4页，总共61页。2、实现D/A转换的原理电路

基准电压电子开关数字量输入解码网络求和电路模拟量输出5当前5页，总共61页。3、D/A转换器的组成

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6当前6页，总共61页。4、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DACECL电流开关型DACD/A转

换

器7当前7页，总共61页。9.1.2倒T形电阻网络D/A转换器Di=0,Si接运算放大器同相端，将电阻2R接地Di=1,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4位倒T形电阻网络D/A转换器基准电压8当前8页，总共61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=VREF/8RI0=VREF/16R9当前9页，总共61页。i＝I0D0+I1D1+I2D2+I3D310当前10页，总共61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=–KND

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。11当前11页，总共61页。关于D/A转换器精度的讨论(1)基准电压精度高、稳定性好；(2)倒T形电阻网络中R和2R电阻比值的精度要高；(4)每个模拟开关的开关电压降要相等。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)运放的零点漂移小；12当前12页，总共61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4位权电流D/A转换器13当前13页，总共61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。14当前14页，总共61页。8位D/A转换器在单极性输出时的输入/输出关系0000000010000000……111111100000000110000001……11111111模拟量

MSB数字量LSB9.1.4D/A转换器的输出方式1.单极性电压输出15当前15页，总共61页。1.单极性电压输出反相输出16当前16页，总共61页。1.单极性电压输出同相输出17当前17页，总共61页。常用双极性编码及输出模拟量-1280000000000000001-128-1271000000010000001-127-11111111011111111-1000000001000000000110000001100000001126011111110111111012612711111111111111101270/VLSBD0D1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7模拟量偏移二进制码2的补码十进制数2.双极性电压输出18当前18页，总共61页。

19当前19页，总共61页。9.1.5D/A转换器的主要技术指标分辨率也可用输入数字量的位数n来表示，位数越多D/A转换器的分辨率越高。分辨率还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为1、转换精度分辨率——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D/A转换器最多有2n个不同的模拟量输出，其分辨率为2n。分辨率反映了D/A转换器输入模拟量微小变化的分辨能力。20当前20页，总共61页。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。转换误差——转换器实际能达到的转换精度。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。21当前21页，总共61页。2、转换速度建立时间tset——是在输入数字量各位由全0变为全1，或由全1变为全0，输出电压达到规定误差范围所需的时间。转换速率SR——即输入数字量的各位由全0变为全1，或由全1变为0时，输出电压vo的变化率。3、温度系数指输入信号不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。22当前22页，总共61页。AD7520D/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10位CMOS电流开关型D/A转换器

9.1.6集成D/A转换器及其应用23当前23页，总共61页。9.1.6集成D/A转换器及其应用AD7520的引脚图24当前24页，总共61页。74163和与非门构成十进制计数器：0000~1001应用举例1、锯齿波产生电路25当前25页，总共61页。应用举例2、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

26当前26页，总共61页。uO

-

+

R

uIOUT2I

IOUT1

倒T形电阻网络

D2

D7

uOD0

D1

2R

2R

2R

2R

R

R

R

D8

D9

R

R

R

uI2R

2R

2R

-

+

RF

IOUT1

IOUT2

VREF

OVIAuu=根据虚短、虚断有:27当前27页，总共61页。9.2.6集成A/D转换器及其应用9.2A/D转换器9.2.1A/D转换的一般工作过程

A/D转换器的主要技术指标

并行比较型A/D转换器

逐次比较型A/D转换器

双积分式A/D转换器28当前28页，总共61页。保持、量化取样时间上离散的信号量值上也离散的信号编码模拟信号时间上和量值上都连续数字信号时间上和量值上都离散9.2.1A/D转换的一般工作过程

A/D转换器一般要包括取样，保持，量化及编码4个过程。29当前29页，总共61页。1.取样与保持

取样是将随时间连续变化的模拟量转换为在时间离散的模拟量。

取样信号S(t)的频率愈高，所采得信号经低通滤波器后愈能真实地复现输入信号。合理的采样频率由取样定理确定。

取样定理：设采样信号S(t)的频率为fs，输入模拟信号I(t)的最高频率分量的频率为fimax，则fs≥2fimaxS(t)=1:开关闭合S(t)=0:开关断开30当前30页，总共61页。将取样电路取得的信号转换为数字信号需要一定时间，为了给后续的量化编码过程提供一个稳定的值，在取样电路后要求将所采样的模拟信号保持一段时间。取样保持31当前31页，总共61页。2.量化与编码量化：数字信号在数值上是离散的。采样–保持电路的输出电压还需按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上，任何数字量只能是某个最小数量单位的整数倍。量化误差：量化前的电压与量化后的电压差。两种近似量化方式：只舍不入量化方式；四舍五入的量化方式。量化单位Δ：最小数量单位。32当前32页，总共61页。（1）只舍不入量化方式把不足一个量化单位的部分舍弃；对于等于或大于一个量化单位部分按一个量化单位处理。编码：量化后的数值最后还需通过编码过程用一个代码表示出来。经编码后得到的代码就是A/D转换器输出的数字量。33当前33页，总共61页。（2）四舍五入量化方式将不足半个量化单位部分舍弃，对于等于或大于半个量化单位部分按一个量化单位处理。34当前34页，总共61页。1.转换精度

9.2.2A/D转换器的主要技术指标分辨率:说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。通常以输出二进制(或十进制)数的位数表示。转换误差：表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。2.转换时间

指A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。35当前35页，总共61页。并行比较型逐次逼近型电压-时间(VT)型——双积分型A/D转换器直接型间接型A/D转换器的分类反馈比较型计数型电压-频率(VF)型36当前36页，总共61页。9.2.3并行比较型A/D转换器电压比较器输入模拟电压电阻分压器基准电压VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15输出数字量寄存器优先编码器37当前37页，总共61页。1111000001vI=8.2VVREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15VREF=15V1V3V7V9V11V5V13V111100038当前38页，总共61页。I=8.2VVREF=15V量化方式：四舍五入法最大量化误差为：输出数字量：量化单位：Δ=2VREF/15

=2V对应模拟电压：量化误差：-0.2V39当前39页，总共61页。

vICO1CO2CO3CO4CO5CO6CO7D2D1D0

7VREF/15

vI<9VREF/15

0001111100

9VREF/15

vI<11VREF/15

0011111101

5VREF/15

vI<7VREF/15

0000111011

3VREF/15

vI

<5VREF/15000001101011VREF/15

vI<13VR/15

011111111013VREF/15

vI<VREF

1111111111

VREF/15

vI<3VREF/15

0000001001

0vI<VREF/15

0000000000

三位并行A/D转换器输入与输出关系对照表40当前40页，总共61页。电路特点：在并行A/D转换器中，输入电压I同时加到所有比较器的输入端。如不考虑各器件的延迟，可认为三位数字量是与I输入时刻同时获得的。所以它的转换时间最短。缺点是电路复杂，如三位ADC需7个比较器、7个触发器、8个电阻。位数越多，电路越复杂。为了解决提高分辨率和增加元件数的矛盾，可以采取分级并行转换的方法。41当前41页，总共61页。9.2.4逐次比较型A/D转换器与用天平称物重非常相似。第一次8g8g<mx，8g第二次第三次第四次转换原理所用砝码重量：8克、4克、2克和1克设待秤物体重量mx

=13克砝码总重量暂时结果比较判断保留8g+4g=12g12g<mx，12g保留8g+4g+2g=14g14g>mx，12g撤去8g+4g+1g=13g13g＝mx，13g保留42当前42页，总共61页。10001000I

>4V1I=5.52VVREF=8V第一个CP：4位逐次比较型模-数转换器的原理电路vo,

=4V43当前43页，总共61页。0I=5.52V01001100I

<6V1VREF=8Vvo,

=6V10004位逐次比较型模-数转换器的原理电路第二个CP：44当前44页，总共61页。0I=5.52V00101010I

>5V1VREF=8Vvo,

=5V14位逐次比较型模-数转换器的原理电路第三个CP：45当前45页，总共61页。0I=5.52V00011011I

>5.5V1VREF=8Vvo,

=5.5V114位逐次比较型模-数转换器的原理电路第四个CP：46当前46页，总共61页。1000I=5.52VVREF=8V10111100101010110.005.505.006.00

4.00CP

启动脉冲

D3

D2D1D0vo,

8

7

654

3

2

10

转换时间=4TCP

t/ms

(转换误差:–0.02V)只舍不入量化方式最大量化误差为：最小量化单位：Δ=

VREF/1647当前47页，总共61页。电路特点：1、逐次比较型A/D转换器输出数字量的位数越多转换精度越高；2、逐次比较型A/D转换器完成一次转换所需时间与其位数n和时钟脉冲频率有关，位数愈少，时钟频率越高，转换所需时间越短。48当前48页，总共61页。9.2.5双积分式A/D转换器转换的基本思想：在某一固定的时间内，对输入模拟电压求积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔；然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到相应的数字量输出。又称为电压－时间变换型(简称VT型)。49当前49页，总共61页。1、电路组成积分器过零比较器时钟脉冲控制门计数器定时器50当前50页，总共61页。0CR信号将计数器清零；开关S2闭合，待电容放电完毕后，断开S2使电容的初始电压为0。2、工作原理（1）准备阶段：0000051当前51页，总共61页。经过2n个CP(2)第一次积分：01152当前52页，总共61页。积分器输出电压O=0时，比较器输出C=0，时钟脉冲控制门G被关闭，计数停止。(3)第二次积分：053当前53页，总共61页。T1=2nTC

T2=Tc

T2=t2t1

在计数器所计的数=Qn-1…Q1Q0，就是A/D转换器得到的数字量。vG54当前54页，总共61页。电路特点：1.由于转换结果与时间常数无关，因此R、C元器件参数的变化对转换精度的影响基本可以忽略。2.由于双积分A/D转换器在T1时间内采的是输入电压的平均值，因此具有很强的抗工频干扰的能力。3.只要求时钟源在一个转换周期时间内保持稳定即可。4.转换速度慢,转换时间几百s~几ms。55当前55页，总共61页。9.2.6集成A/D转换器及其应用ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，ADC0809的主要特性：