清华大学数电数模

第十一章数模和模数转换第一节概述数模转换：将数字量(Digital)转换为模拟量(Analog)。简称D/A转换。模数转换：将模拟量(Analog)转换为数字量(Digital)。简称A/D转换。被控对象传感器A/D转换器计算机D/A转换器驱动电路1主要指标：转换精度；转换速度。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分类：【题11.3】（2）【题11.5】，【题11.8】【11.16】【11.17】2一、权电阻网络D/A转换器第二节D/A转换器1.原理由四部分组成：权电阻网络；求和放大器；模拟开关；参考电源；权电阻网络求和放大器模拟开关任务：求出输出模拟电压与输入数字量d3d2d1d0间的关系。2.特点：1.电阻数量少，结构简单；2.电阻种类多，差别大，不易集成。LeastSignificantBitMostSignificantBit输入数字量输入数字量3R2R1.原理：电阻网络特点：模拟开关Si不论接何位置，都相当于接地。任意节点向左看的等效电阻皆为2R。二、倒T型电阻网络D/A转换器45集成D/A转换器CB7520简介：（十位）电路特点：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。可外接反馈电阻R需外接运放模拟开关电路：R2RR6在权电阻网络D/A转换器和倒T型电阻网络D/A转换器中，若模拟开关不是理想开关，其导通电阻和导通压降将影响转换精度。权电流型D/A转换器可解决这一问题。三、权电流型D/A转换器恒流源如图。但电阻REi的种类多。因此，经常用倒T型电阻网络的分流作用来实现。78双极型电路；8位数字量输入；外接求和放大器；外接电阻。若取VREF=10V、RR=RF=5KΩ则：此时，输出模拟电压范围为：0~9.96V。权电流型集成数模转换器DAC0808简介参考四位时的公式：有：输入数字量9带符号数以补码形式给出。输出为正、负极性的模拟电压。四、具有双极性输出的D/A转换器当输入数字量是带符号数时，就需要双极性输出的D/A转换器。当d2=1时，对应输出电压为4V。IB应等于I/2因此：三位DAC的输出取反10五、D/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：输出模拟电压应能区分0~2n-1共2n个输入数字量。是理论上能达到的转换精度。表示方法：(1)用输入二进制数的位数表示；如8位。(2)用输出模拟电压的最小值与最大值的比值表示。该比值显然等于：11由于电路各部分都有误差，还要给出误差来表示实际能达到的转换精度。转换误差有时也称为线性误差。它表示实际的D/A转换特性和理想转换特性之间的最大偏差。是实际的转换精度。转换误差的表示形式：（1）最低有效位的倍数。如：1/2LSB。（2）输出电压满刻度FSR(FullScaleRange)的百分数。如：0.1％FSR。2.转换误差：123.转换误差分析D/A转换器的四个组成部分，均可引起转换误差。但具有不同的特点。(1)参考电源引起的误差称为比例系数误差。(2)运放零点漂移引起的误差称为漂移误差或平移误差。13(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：运放和参考电源多为外接，电阻网络和模拟开关在集成DAC内部。14例：在10位倒T型电阻网络DAC中，VREF=-10V。为保证VREF偏离标准值所引起的误差小于1/2LSB，计算VREF相对稳定度应取多少？解：1.计算1/2LSB:当输入数字量D=1时，输出电压为LSB。故：2.计算当VREF变化量为时所引起的输出变化量的最大值:而：即：=0.05%这里VREF=10V,允许的参考电源变化量小于5mV1/2LSB=输入数字量的最大值15（二滩）转战换速朱度用完小成一乞次转昂换所榨需的揪时间剪－－建立情时间tse两t－－削来衡意量。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1/2LSB范围以内的时间。输入脏信号寨由全0变为萝全1所需侧时间今最长饭。不包含运放的DAC建立时间可达0.1。当外酒接运申放时帅，转翻换时秀间还雹应加舍上运济放的涉上升落（下耗降）告时间昨。转换歪时间建立基时间输出鸦模拟哭电压胁最大纽奉值运放遮输出齐转换麦速率16第三跃节A/绒D转换俘器一、A/理D转换胁的基吩本原祥理在A/供D转换膨器中加，由禽于输陶入模武拟信弱号在掉时间御上是旗连续休的，巷而输酱出数目字信奔号是腿离散蹲的，饺所以蒙转换朱只能爽在一愁系列险选定傅的瞬至间对烂输入秧模拟葵信号辱采样猛，然毙后再围把这赔些采洞样值帐转换援成输俯出数青字量午。A/堆D转换腾的基极本步万骤：采样反（取葬样）离；保持偷；量化肾；编码闷。由取钻样－您保持电路灶完成由A/鸭D转换仇电路阅完成取样保持取样－保持电路171.取样尚、保备持取样战定理：为嘴保证绍从取任样信狡号恢负复被祖取样盾信号罢，必剪须满它足取样且信号垄频率取样降定理欠又称厚为香表农定助理(S特ha绿nn扯on华)。下面驶通过第取样刃信号茎的幅喉频特乓性与铃滤波漫器的叼幅频蓄特性仪的关版系说健明取巷样定特理。输入胞信号肉最高谁频率在实际的取样保持电路中有一个取样控制信号，它的频率就是取样信号频率。18fs取样缎电路予输出苹信号容的幅鸟频特母性滤波剖器的谱幅频爹特性显然碌要满蜜足(max)isff-此时打无法惊用滤在波器我恢复颈输入薄波形192.量化握和编载码量化狱：把输出数字量为1时对应的输入模拟电压称为量化单元，记做。当输出数字量为D时，对应的输入模拟电压应为D，即量化单元的整数倍。因此，对于任意输入模拟电压，首先应把它量化为的整数倍。这就是量化。编码赚：用二他进制架代码俩表示勤量化败后的桌输入窗模拟哭电压休。量化技和编菠码是法在同位一个召电路出中完勉成的剪。下祖图说篮明了递两种控量化茶方法走：量化杨是一叶种近沈似处枝理方龄法20当输入电压不为的整数倍时，必然产生误差，称为量化误差。量化误差＝量化误差＝－1/鸟15膨V若用傅此范盗围表如示00首1会更酿准确21输入量为双蜻极性骗时：输出奸一般妇采用纤二进波制补可码表洋示。坝可用旬下图见表示胳：=1V二进史制补设码符号位量化筒后输蜂出的较二进此制补蜘码22为低电平时，T截止。取样电容CH上的电荷无泄放回路，将保持。二.取样摔－保况持电嘉路

为高电平时，场效应管T导通,进行取样电路父缺点偿：输蒸入电挡阻RI过大浮会降晒低取饺样速该度；隆过小塘又加冷重信店号源惨负载沟。改进距方法齐：在眠输入该端加耗隔离形放大窗器。下面洗通过猛集成盼取样恳保持茄电路LF稼19昼8介绍隶改进激的取湖样－授保持焦电路联。为取样控制信号23集成女取样异保持恐电路LF求19萄8调零输入仪模拟爆电压取样鲁控制申信号外接顷保持客电容在取样阶段，开关S接通，运放AI,A2构成两级电压跟随器在保持阶段，S断开，电容CH上电荷保持不变，使输出电压保持不变。二极象管D1,D2和电懂阻R1构成迫保护蹦电路惠。在取饰样阶破段，S接通小，D1,D2截止酸，保去护电摸路不伞起作获用。在保持阶段，S断开，保持不变；但在变，使达到正（负）最大值，使开关S承受过高的电压。接上保护电路后可使基本等于输入电压。24三、政直接A/销D转换箱器1.并联娃比较温型A/喜D转换楚器将输厦入模论拟电怎压直纤接转迎换为渡数字乎量，蛋不经盘过中仁间变胶量。介绍麻并联产比较孝型和宏反馈陪比较殖型两匪大类坡。采用产第二对类量脆化方胞法，编码怪情况疲可用警下表境说明蠢。特点漆：电路除复杂腥。不需手取样门－保诊持电铅路；转换锄过程舍：将滚输入杠模拟跨电压却加在赖输入责端，弯然后捷加一屯个CP脉冲宁，输鸡出端似就出像现转宿换结壁果。速度覆快，易转换橡时间不小于50枯ns；25d2=Q4d1=Q6+Q’4Q2d0=Q7+Q’6Q5+Q’4Q3+Q’2Q1公式砍化简兄过程掀请同勉学自馒己解摸决。262.反馈旅比较堡型A/猪D转换侵器思路亩：将牢一数字盘量加到D/尤A转换添器上勿，再钳把D/铁A转换边器输敞出的轧模拟角电压桃与输轮入模港拟电沙压相独比较听。若鹿不相默等，洋则修驰改数彼字量尼，直请到两慎模拟矛电压斑相等惯，此浅时对捎应的幼数字微量就杠是转遵换结秧果。数字枕量由计城数器搞提供红。10=由于蜻量化像引起尚的误浩差为1L沟SB厉.（第利一类窃量化惩方法湾）特点帖：1.电路仅简单渣；2.速度撇慢。树最长揭转换仁时间学可达2n-1倍时窄钟信磨号周膝期。启动屈转换(1违)计数饲型A/愁D转换近器27(2起)逐次胜渐近告型A/志D转换素器数字混量由矿逐次薯渐近幼寄存啊器提斜供。思路波：从输直出数午字量起的最蚊高位邻起，穴逐位茅判断致该位阀的值地（0,杰1）。以输肌出四硬位数喘字量a3a2a1a0为例:1.输入10溉00到逐耻次渐植近寄庄存器扭，以披确定a3的值坊；2.输入a310挑0到逐过次渐微近寄查存器机，以删确定a2的值宁；3.输入a3a210到逐轮次渐叔近寄诱存器室，以饼确定a1的值副；4.输入a3a2a11到逐鸣次渐什近寄滩存器绝，以义确定a0的值奏；可见闯，主朱要转底换步葡骤只与需4个时闷钟周采期就还可完恭成。宿（实共际转嘱换器杠还要刊增加榴两个咽时钟干周期找时间询。）下面傅结合支具体蜂电路筒说明柔工作切过程袋。29页28>时，制该位竖为0,否则蚂该位容为1.28页29移位盗寄存量器初讽始状河态：Q1Q2Q3Q4Q5=1谎00听00>时，＝1CL筒K1后,移位济寄存聚器为01劣00犬0，QAQBQC=1载00捕;CL应K2后,移位朴寄存秒器为00休10仗0，QAQBQC=d210洽;确定d2值。CL岗K3后,移位懒寄存奥器为00搞01裕0，QAQBQC=d2d11;确定d1值。CL逼K4后,移位阻寄存滑器为00梦00盆1，QAQBQC=d2d1d0;确定d0值。同时引输出d2d1d0。CL扛K5后,移位素寄存详器为10蹈00米0，QAQBQC＝d2d1d0，准影备下铸一次合转换桶。一般逗，当异输出届为n位时恼，需n+笔2个时郊钟周金期可识完成由转换敲。特点胜：速度时较快宏；电点路也隔不太也复杂管。因此被，逐瞎次渐发近型A/脏D转换偿器是为集成A/凯D转换都器用杯的最味多的傅一种状。第二撇种量尾化方穷法30四、恋间接A/浪D转换历器1.双积佣分型A/旱D转换袜器中间李变量梨为时鹊间T的，前称为V-子T变换并型（盆电压膀－时独间变首换型当）；中间需变量螺为频验率F的，再称为V-铸F变换匙型（许电压恳－频数率变住换型疯）；属于V-功T变换那型。第二次积分:对参考电源VREF定速积分，的变化速度由VREF,R和C决定。电容C上电输压第一夹次积葡分:对输认入模痰拟电乐压定时积分因，时跃间为T1,由控兵制逻摸辑电联路决倍定；CLK33公式31CLKt1时刻电容电压即值为：第二迹次积凉分结盟束时蜂积分腰器输炎出电迎压为0，即故：进行眉公式荐推导局：32T1，T2由计监数器衔产生纸：设宴时钟跌周期肥为TC，输族出数卡字量滩为D，则代入挡上式缝得：可使T1=2nTC，T2=D女TC的电毁路如魄下图约：至于T1，若域满足CLK31电路33影响虏精度顾因素糊：计数感器位束数；比较变器灵赠敏度叹；比较果器零柱点漂假移；运放坦零点秩漂移退；积分假电容蚕漏电砖；TC瞬间瘦波动隙。波形坛图34特点焦：性能闪稳定狠。转宰换结围果与R,帆C无关皮；也过与时容钟周样期无胸关。容这是猪两次修积分纠的结粒果。抗干修扰能朋力强榴。积瞧分器你对平酱均值融为0的干哗扰有虏很强截的抑杰制能闹力。盛如电哗网干明扰，姨若取滩第一倘次积昆分时黑间为旧交流摆电网洲电压移周期毛的整帅数倍腥，理衣论上评可完脊全抑鸦制电骄网干萌扰。缺点益是速屯度慢愤。完豪成一争次转伙换时域间不捎小于2n+傻1TC。在要令求速棉度不栏高的条场合岁有广碰泛的诵应用悬。如迎数字旨电压财表等悼。波形政图352.羽V-堆F变换狠型A/意D转换洪器压控掏振荡屠器输唐出脉千冲频葛率于喘输入妨电压屠有很础好的衔线性胞关系朵。寄存灾器可齐防止艇输出傲数字催跳动躁。影响哗精度割的因吼素：压控战振荡爷器的帖稳定秋度和毅线性剃度、帅计数叶器的六位数特点撕：VC防O输出惊是调壤频信舰号易慌于传夕输，肤且抗粮干扰闹能力研强。摆适用买于遥阅测、在遥控辫系统望中。军一般抓将VC白O放在角发射煮端，树其他没部分胞放在栏接收够端。由于隶高精珍度的VC耐O不易押得到诸，因换