数字电路与系统

数字电路与系统1第1页，共38页，2023年，2月20日，星期六第十一章@第五版习题第五版11.3;11.5;11.8;11.911.14;11.16第四版9.1;9.2;9.5;9.69.10;9.13第2页，共38页，2023年，2月20日，星期六概述功能：不言自明（DAC和ADC）芯片成本：明显高于数字电路芯片，同样精度的芯片ADC要高于DAC。性能转换精度和转换速度第3页，共38页，2023年，2月20日，星期六概述应用：例如：计算机控制第4页，共38页，2023年，2月20日，星期六§11.1D/A转换器D/A转换器基本原理几种D/A转换器D/A转换器的精度与速度第5页，共38页，2023年，2月20日，星期六§11.1D/A转换器D/A转换器基本原理将模拟量A与数字量D相对应，需要一个模拟参考量R，使得：A=D×R；如果max(A)=R，则0≤D≤1数字量D是一个二进制数：D/A转换器DA第6页，共38页，2023年，2月20日，星期六§11.1D/A转换器Dn

A二进制整数乘以一个基本单位，称为量化单位,A为量化单位的整数倍量化单位就是输入数字Dn的一个最低有效位LSB所对应的模拟量电路中常用一个参考电压VREF作模拟参考量D/A转换器DnAVREF第7页，共38页，2023年，2月20日，星期六§11.1D/A转换器D/A变换器的分类权电阻网络倒T形（梯子形状）电阻网络权电流权电容开关树型“权”——砝码；Weight；加权第8页，共38页，2023年，2月20日，星期六§11.1D/A转换器运算放大器的若干特点开环放大倍数非常大（105-107）输出Vo受电源电压限制，绝对值一般在15V以下，故：两输入端的差值非常小:输入阻抗ri非常大（几百k以上）输入端的电流非常小：输出阻抗ro非常小(几十几百)输出端驱动能力较大，可以带一定的负载，类似于电压信号源(虚短路,虚地)（虚断路）+-VoI-I+V+V-第9页，共38页，2023年，2月20日，星期六§11.1D/A转换器运算放大器——加法器如：反相输入电压并联负反馈（线性电路）独立作用原理OP-+RFVREFR2R1VOUT虚地i∑第10页，共38页，2023年，2月20日，星期六§11.1.1权电阻网络DAC权电阻网络DAC反相输入端并联权电阻，电阻的阻值等比于2的幂次数字量输入：“1”加入一份(1/2j

)电流到i∑输出的模拟电压正比于输入的数字量OP-+RF(R/2)VREFR2RVOUT4R8R20212223d0d1d2d323i0i1i2i3LSBMSBi∑第11页，共38页，2023年，2月20日，星期六结构简单，所用电阻元件少各阻值相差大，难以保证精度

权电阻网络DAC的变化范围第12页，共38页，2023年，2月20日，星期六§11.1.2倒T形电阻网络DAC注意i∑：（不论是权电阻，还是倒T）找一种方法，使i∑可以被有选择地按2的各次幂的比例关系（联想称量，砝码）一份一份地累加起来要求：这种方法的实现——电阻值尽可能单一倒T形电阻网络DAC第13页，共38页，2023年，2月20日，星期六§11.1.2倒T形电阻网络DAC倒T形电阻分流网络的输入电阻虚地，不论开关合在哪一端，相当于接在“地”电位OP-+RF(R)VREFRVOUTd0d1d2d3虚地RR2R2R2R2R2R(LSB)(MSB)II/16I/16I/8I/8I/4I/4I/2I/2第14页，共38页，2023年，2月20日，星期六§11.1.2倒T形电阻网络DAC倒T形电阻分流网络的输入电阻每个“梯子蹬儿”（除了最顶端）看过去的输入阻抗全是R每过一个梯子节（见图中标出的节点，电流被二分）VREFRRR2R2R2R2R2R第15页，共38页，2023年，2月20日，星期六§11.1.2倒T形电阻网络DACOP-+RF(R)VREFRVOUTd0d1d2d3虚地RR2R2R2R2R2R(LSB)(MSB)II/16I/16I/8I/8I/4I/4I/2I/2有：第16页，共38页，2023年，2月20日，星期六§11.1D/A转换器其它类型的DAC权电流型开关树型权电容型（自学）第17页，共38页，2023年，2月20日，星期六§11.1.3DAC的量程与分辨力量程与VREF成比例一般使量程0~|VREF|

（约等于|VREF|

）基准源：不能带载，准，温飘小、精密昂贵如果极性、量程不能满足：输出加运放如果输出有功率要求：功率放大器如果不考虑集成电路（IC）制造的精度，分辨力与位数有关8位、10位、12位1/256、1/1024（千分之一）、0.025%第18页，共38页，2023年，2月20日，星期六§11.1DAC芯片的使用DAC芯片的结构D/2ndn-1~d0数字地电阻网络模拟地VREF隔离电平转换数字地I-I+-+RF第19页，共38页，2023年，2月20日，星期六§11.1DAC芯片的使用DAC芯片的使用想象芯片内部的结构例：输出0~8V，代表物理量-10~10，精度0.1%；如何编码，如何连接DAC，编码的LSB代表物理量多少？精度12位（假设找不到10位DAC）编码，用补码0的位置（4V）数码加偏移量800h数码最低位代表物理量第20页，共38页，2023年，2月20日，星期六§11.1DAC芯片的使用例：输出的模拟电平偏移习题p549[题11.7]@第五版

p495

[题9.4]@第四版第21页，共38页，2023年，2月20日，星期六§11.2A/D转换器A/D转换器基本原理直接A/D转换器间接A/D转换器A/D转换器的精度与速度第22页，共38页，2023年，2月20日，星期六§11.2A/D转换器A/D转换器的原理两步走：对模拟信号采样（连续离散）将取样的信号转换成物理量

取样保持电路各种类型的AD的方法（电路）第23页，共38页，2023年，2月20日，星期六§11.2A/D转换器采样定理信号系统的结论采样频率与信号最高（所关心的最高）频率分量的关系ADC芯片有将“取保”电路集成在一起的，也有需要外加“取保”的一般是一套ADC电路（比较昂贵）支持多路的模拟信号采样（多路“取保”）与ADC的转换速度有关第24页，共38页，2023年，2月20日，星期六§11.2A/D转换器“取样--保持”电路（书中的例子）当vL为高，vI通过RI向CH充电，若RI=RF，充电结束后，

vO=vC=-vI当vL为低，vO在CH电荷作用下，保持不变缺点：充电回路，R1电阻较大，限制了取样速度。第25页，共38页，2023年，2月20日，星期六§11.2A/D转换器“取样--保持”电路原理（模拟电路教材）+--+电子开关vIN存储模拟电压值的电容器vIN隔离射随器隔离射随器第26页，共38页，2023年，2月20日，星期六§11.2A/D转换器“取样--保持”电路（书中的例子）输入端加入隔离放大器LF198第27页，共38页，2023年，2月20日，星期六§11.2A/D转换器量化单位数字信号最低有效位(LSB)的1所代表的数量大小Δ分辨力受Δ的限制，称为量化误差例：两种量化方法一、Δ=1/2n

，量化误差等于Δ；二、Δ=2/(2n+1-1)

，但量化误差等于0.5Δ

，即1/(2n+1-1)

例：p526@第五版p477@第四版图，下面举2位二进制码简单例子ΔΔ“三块半”1/41/72/70000011011011011第28页，共38页，2023年，2月20日，星期六§11.2A/D转换器对双极性模拟电压的量化和编码第29页，共38页，2023年，2月20日，星期六§11.2A/D转换器直接A/D转换器并联比较型A/D转换器电路构成：电压比较器寄存器比较器输出状态由D触发器保持代码转换器经优先编码器，得到数字量输出量化单位Δ第30页，共38页，2023年，2月20日，星期六§11.2A/D转换器反馈比较型ADC一般地说，ADC中还集成DAC电路；按照一定规律改变DAC的输入数字量，将采样得到的模拟电压值与DAC的输出比较；当两者相等时，就完成了对采样模拟电压量的量化；量化的值就是这时的DAC的输入的数字量。第31页，共38页，2023年，2月20日，星期六§11.2A/D转换器逐次渐进型A/D变换器的原理使寄存器的值为100..00，寄存器的值作为DAC的输入；比较模拟量与DAC的输出：如果前者小于后者，将寄存器最低的一个是“1”的码元复位成“0”；否则，保留这个1。将次低于当前的位置置1，如rr…rr100…00，重复步骤2，直到比较到最低一位。最终寄存器中的值就是“取--保”的模拟电平值的编码反馈比较型ADC：第32页，共38页，2023年，2月20日，星期六逐次渐进型A/D变换器原理图：p532@第五版图11.3.8，

p484@第四版图9.3.9“上述比较过程正如用天平去称量一个未知重量的物体时所进行的操作一样，而所使用的砝码一个比一个重量少一半。”C+-vL转换控制信号来自采样保持电路vINvout(DAC)DAC逐次逼近寄存器控制逻辑脉冲源CPMSBLSB并行数字输出优点：电路简单；缺点：转换速度慢，最长转换时间可达2n-1倍时钟信号周期由比较器、D/A转换器、寄存器、时钟脉冲源、控制逻辑组成

第33页，共38页，2023年，2月20日，星期六间接A/D转换器V-T变换型ADC：把输入模拟电压信号转换为与之成正比的时间宽度信号，然后在这个时间宽度里对固定频率的时钟脉冲计数，计数结果就是正比于输入模拟电压的数字信号V-F变换型ADC：把输入模拟电压信号转换为与之成正比的频率信号，然后在这个固定时间间隔内对得到的频率信号计数，计数结果就是正比于输入模拟电压的数字信号§11.2A/D转换器自学后续课程（选修《电子测量》）第34页，共38页，2023年，2月20日，星期六§9.2A/D转换器ADC的采样速度与其精度有一定的互易的关系Flash型ADC理论基础：信号处理+信息论后续课程：软件无线电第35页，共38页，2023年，2月20日，星期六应用集成A/D转换器的应用举例-数据采集系统第36页，共38页，2023年，2月20日，星期六本章小结A/D转换器和D/A转换器是数字系统与各种模拟信号源和被控对象之间的桥梁常用的D/A转换器主要有权电阻型和倒T型电阻网络型两种电路；由于倒T型电阻网络型电阻取值较少，易于集成，便于提高精度，因此多为集成D/A转换器