数字电子技术第九章

数字电子技术第九章第1页，课件共35页，创作于2023年2月

9-1概述

1.应用框图如下图2.

性能指标：转换精度、转换速度3.分类：DAC：权电阻、倒T型、权电流…ADC：直接：并联型、计数型、逐次-渐近型；间接：双积分型……

第2页，课件共35页，创作于2023年2月

9-2D/A转换器（DAC）

一权电阻网络DAC1.工作原理；如图，VO=-RF（I3+I2+I1+I0），当d3,d2,d1,d0分别等于1时

I3=VREF/RI2=VREF/2RI1=VREF/4RI0=VREF/8R当d3,d2,d1,d0分别等于0时，对应的电流为0第3页，课件共35页，创作于2023年2月得VO=

可扩展为：

2．优点：结构简单；缺点：电阻值相差大，不易集成；

第4页，课件共35页，创作于2023年2月3.改进电路：①分段如下图；图9-1为仅DO=1其它各位为0时，计算iS0的等效电路，可得VS0≈VREF/，iS0≈VREF/R；以此类推可得iS1≈VREF/R，iS2≈VREF/R……得：②采用倒T型电阻网络。VO=

第5页，课件共35页，创作于2023年2月二倒T型电阻网络DAC：

1．

只用R和2R两种电阻；4.2．

无论开关接0或1各支路电流恒定；3．

各节点看进去的等效电阻均为R。

第6页，课件共35页，创作于2023年2月三权电流型DAC①VREF=RF×I；②MSI见P463用按比例放大发射结面积控制电流。第7页，课件共35页，创作于2023年2月四具有双极性输出的DAC

1．把以补码形式输入的正、负数分别转换成正、负极性的模拟电压，最高位为符号位：0为正，1为负。2.比较P468两表可知方法为①加偏置电流,抵消最高位为1其他各位为0时的电流，使此时VO=0；②符号位（最高位）求反注意：下列公式只适用单极性电路，可用于计算输出幅度。

第8页，课件共35页，创作于2023年2月输入为3位二进制补码时要求D/A转换器的输出补码输入对应的要求的

d2d1d0

十进制数输出电压

011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V具有偏移的D/A转换器的输出原码输入无偏移时偏移-4V后

d2d1d0的输出的输出

111+7V+3V110+6V+2V101+5V+1V100+4V0011+3V-1V010+2V-2V001+1V-3V0000-4V第9页，课件共35页，创作于2023年2月①加偏置电流-VB/RB=-IB，抵消最高位为1其他各位为0时的电流，使此时VO=0；

②符号位（最高位）求反；

③例见P469，|VB|/RB=I/2=|VREF|/2R第10页，课件共35页，创作于2023年2月五DAC的转换精度和转换速度

1．转换精度：（1）

分辨率：①用输入二进制码的位数表示；②用能分辨出的最小模拟电压(LSB)与最大输出电压FSR)之比来表示为1/（-1）。（2）

转换误差：P470图①比例误差：VREF的变化引起，例见P472；②漂移误差：运放的零漂引起；③非线形误差：模拟开关的压降不等和电阻阻值的偏差。总的误差为三项之和,加采样-保持电路可消除动态误差。

2．转换速度：外加运放的DAC转换速度等于建立时间（数字部分的延迟时间）+运放的上升时间第11页，课件共35页，创作于2023年2月例：P4959.2第12页，课件共35页，创作于2023年2月74161为16进制计数器CPQ3Q2Q1Q0VO（V）

000000100010.625200101.25300111.875401002.5501013.125…………11108.7511119.37500000第13页，课件共35页，创作于2023年2月

9-3A/D转换器（ADC）

一A/D转换的基本原理：步骤：取样-保持-量化-编码，1.取样定理：fs≥2fi(max)，fs为取样频率，fi(max)为输入模拟信号VI的最高频率分量。满足此式可以用①低通滤波器将VO还原为VI，②为提高转换速度，取fs=（3-5）fi(max)即可（但要保证转换完成）。第14页，课件共35页，创作于2023年2月2.量化和编码：①量化：任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位Δ的整数倍，仅LSB=1时等效模拟电压即Δ，称为量化单位。模拟电压是连续的，一般不能被Δ整除，将引入量化误差；②由下表可知，等分时最大误差为Δ=1/8V，不等分时Δ=2/15V最大误差为±1/2Δ=±1/15V。③输入模拟电压在正、负范围变化时，输出补码，如P478图所示，纵坐标为输入模拟电压、右边为输出补码有量化误差。

第15页，课件共35页，创作于2023年2月第16页，课件共35页，创作于2023年2月二取样-保持电路

1．基本形式：如下图

①工作原理：T导通时-取样，T截止时-保持；②取样速度慢，因R1不可太小。第17页，课件共35页，创作于2023年2月2.实用电路采用LF198见下图：①工作原理：A1、A2构成电压跟随器，电容外接，VL=1时-取样，VL=0时-保持；②D1和D2保护作用：当S断开时，A1的V-=VO、V+=VI，若VI变化大VO’变化大，可能使A1饱和并使S承受过压。加D1、D2使VO’≤VI±VD。

第18页，课件共35页，创作于2023年2月三直接ADC（前面已加取样-保持电路）量化-编码电路1．并联比较型ADC：如下页图①

工作原理：电压比较、寄存、代码转换；②

优点：转换速度快，几十纳秒；缺点：位数高、所用元件呈几何级数增加。③

例P481图中，VREF=15V、VI=7.3V求Δ=？Qi=？di=?解：Δ=2V、Qi=000111、di=100（100精确值为4Δ=8V误差为0.7V）

第19页，课件共35页，创作于2023年2月第20页，课件共35页，创作于2023年2月1．计数型ADC

（反馈比较型一）

①

工作原理：见下图②

转换时间：最长可达（-1）TCP，③

缺点：转换速度慢，几十毫秒；优点：位数高、所用元件呈算术级数增加。第21页，课件共35页，创作于2023年2月2.逐次-渐近型ADC

（反馈比较型二）

工作原理：见下表，框图、原理图（5个CP完成一次转换）×表示可能为1可能为0

CPQ1Q2Q3Q4Q5QAQBQC

功能

010000000准备

101000100比较

200100×10比较

300010××1比较

400001×××输出

510000000恢复第22页，课件共35页，创作于2023年2月第23页，课件共35页，创作于2023年2月①转换时间：(n+2)TCP，n为计数器的位数；②转换速度几十微秒（适中），位数高时所用元件呈算术级数增加。使用的较多第24页，课件共35页，创作于2023年2月四间接ADC

1.

双积分型：电压-时间-数字量

第25页，课件共35页，创作于2023年2月工作原理：如右图，①第一次定时积分，计数器满量程T1=TCP，VO1=-1/RC=(T1/RC)VI②第二次积分，-VREF定压积分，VO2=1/RC=(T2/RC)VREF③VO1+VO2=0得T2=T1VI/VREF

，即T2与VI成正比，④在T2时刻后计数器的数据输出为D=T2/TCP

=(T1VI/VREF)/TCP=VI/VREF。

第26页，课件共35页，创作于2023年2月第27页，课件共35页，创作于2023年2月

(2)优点：转换精度高、抗干扰能力强、结构简单

。

(3)缺点：转换时间长，最长转换时间近似为

TCP，需几十到上百毫秒。

2．V-F变换型ADC：见P490图。第28页，课件共35页，创作于2023年2月五ADC的转换精度和转换速度

1．

转换精度：（1）分辨率：①输出数字量的位数；②1/FSR，单位V。（2）转换误差：要求≤1/2LSB，P492三位半即13位BCD码输出。2．

转换速度：不同类型的ADC有很大区别，并联比较型ADC：几十纳秒，逐次-渐近型ADC：几十微秒，计数型、双积分型ADC：几十毫秒。第29页，课件共35页，创作于2023年2月几种常用的ADC性能比较类型并联计数型逐次-双积分型比较型渐进型结构位数多有DAC有DAC简单元件多适中适中转换几十纳秒几十毫秒几十微秒几十毫秒速度快较慢适中最慢转换与D位数受DAC受DAC最高精度有关等影响等影响第30页，课件共35页，创作于2023年2月*综合型例题：9.16

由图可知VO=I∑×4R，

I∑=VOH(Q2/R+Q1/2R+Q0/4R)+VIi/8R,VO=VOH(4Q2+2Q1+Q0)+VIi/2，振荡器的频率为1MHZ，即VIi

的T=8微秒，在i=07期间，每80微秒中有10个1微秒的时间有VIi/2的电压迭加在VOH(4Q2+2Q1+Q0)的电压上。(i=07)