数字电子技术数模与模数转换

数字电子技术数模与模数转换2023/12/26数字电子技术数模与模数转换第8章数/模与模/数转换

8.1DAC

8.2ADC数字电子技术数模与模数转换图8-1A/D、D/A转换器在数字系统中的应用数字电子技术数模与模数转换8.1DAC8.1.1DAC的基本概念1.转换特性DAC电路输入的是n位二进制数字信息B(Bn-1,Bn-2,…,B1、B0)，其最低位(LSB)的B0和最高位(MSB)的Bn-1的权分别为20和2n-1，故B按权展开式为数字电子技术数模与模数转换DAC电路输出的是与输入数字量成正比例的电压uO或电流iO，即式中K为转换比例常数。图8-2所示为DAC框图。当n=3时，DAC转换电路的输出与输入转换特性如图8-3所示，输出为阶梯波。数字电子技术数模与模数转换图8-2DAC框图数字电子技术数模与模数转换图8–3转换特性数字电子技术数模与模数转换2.分辨率分辨率即说明n越大，DAC的分辨能力越高(分辨率越小)。例如,当n=10时，DAC分辨率=;当n=11时，DAC分辨率。数字电子技术数模与模数转换3.精度(1)非线性误差：它是由电子开关导通的电压降和电阻网络电阻值偏差产生的，常用满刻度的百分数表示。(2)比例系数误差：它是参考电压UR偏离引起的误差，也用满刻度的百分数表示。(3)漂移误差：它是由集成运放漂移产生的误差。增益的改变也会引起增益误差。(4)转换时间：也称输出建立时间。它是从输入数字信号时开始，到输出电压或电流达到稳态值时所需要的时间。数字电子技术数模与模数转换8.1.2DAC的电路形式及工作原理1.权电阻图8–4权电阻DAC电路数字电子技术数模与模数转换当输入二进制数码中某一位Bi=1时，开关Si接至基准电压UR，这时在相应的电阻Ri支路上产生电流当Bi=0时，开关Si接地，电流ii=0,因此电流表达式应为根据叠加原理，总的输出电流为数字电子技术数模与模数转换通过集成运算放大器，输出电压为将代入则得例如，UR=8V,输入八位二进制数码为11001011，则输出电压为数字电子技术数模与模数转换2.倒T型网络DAC图8–5R-2R倒T型网络DAC电路数字电子技术数模与模数转换运算放大器的输出电压为若Rf=R,并将I=UR/R代入上式，则有数字电子技术数模与模数转换图8–6权电流DAC原理图数字电子技术数模与模数转换当图8-6中的Bi=1时，开关接运算放大器的反相输入端，相应权电流流入求和电路；当Bi=0时，开关接地。故扩大至n位，则数字电子技术数模与模数转换8.1.3集成DAC图8-7AD7520引脚图数字电子技术数模与模数转换图8-7为AD7520的引脚图。D0~D9为10个数码控制位，控制着内部CMOS的电流开关。IO1和IO2为电流输出端。Rf端为反馈电阻Rf的一个引出端，另一个引出端和IO1端连接在一起。UREF端为基准电压输入端。+UDD端接电源的正端。GND端为接地端。数字电子技术数模与模数转换8.2ADC8.2.1ADC的组成1.ADC的两个组成部分及其作用图8-8ADC的组成部分数字电子技术数模与模数转换(1)采样保持电路。采样开关S的控制信号CPs的频率fs必须满足公式fs≥2fimax(fimax为输入电压频谱中的最高频率)，即其周期Ts很小，而且采样时间τ比Ts更要小许多倍，这样就能将采样保持后的不失真地恢复成输入电压uI(t)。该公式称为采样定理。数字电子技术数模与模数转换图8–9采样保持前后的波形举例数字电子技术数模与模数转换图8–10采样保持电路原理图数字电子技术数模与模数转换(2)量化编码电路。采样保持电路的输出信号虽已成为阶梯状，但其阶梯幅值仍是连续可变的，有无限多个数值，无法与n位有限的2n个数字量输出X相对应。因此，必须将采样后的值只限于在某些规定个数的离散的电平上，凡介于两个离散电平之间的采样值，就要用某种方式整理归并到这两个离散电平之一上。这种将幅值取整归并的方式及过程称为“量化”。将量化后的有限个整量值用n位一组的某种数字代码(如二进制码、BCD码或Gray码等)对应描述以形成数字量，这种用数字代码表示量化幅值的过程称作“编码”。数字电子技术数模与模数转换2.量化方式和量化误差(1)只舍不入法。当输入uI在某两个相邻的量化值之间，即中国最大的资料库下载(k为整数)(2)四舍五入法。当uI的尾数不足时，用舍尾取整法得其量化值；当uI的尾数等于或大于时，则入整。例如，已知s=1V,则uI=2.1V时，uI=2V;uI=2.7V时。数字电子技术数模与模数转换图8–11两种量化方法的比较数字电子技术数模与模数转换8.2.2ADC电路1.双积分ADC双积分ADC又称双斜率ADC，是间接法的一种，它先将模拟电压uI转换成与之大小对应的时间T，再在时间间隔T内用计数器对固定频率计数，计数器所计的数字量就正比于输入模拟电压。数字电子技术数模与模数转换图8–12双积分A/D电路原理图数字电子技术数模与模数转换图8–13双积分ADC工作波形数字电子技术数模与模数转换(1)采样阶段：在启动脉冲作用下，将全部触发器置0。由于Qn=0，使开关S与输入信号uI连接,A/D转换开始。uI加至积分器的输入端后，积分器对uI进行积分，输出为式中，τ=RC，为积分时间常数。由于uA＜0，过零比较器输出UC=1，G门打开，n位二进制计数器从0开始计数，一直到时，触发器F0~Fn-1又全部回到0，而触发器Fn由0翻至1，Qn=1，开关S转接至基准电源-UR，采样阶段结束。此时数字电子技术数模与模数转换(2)比较阶段：开关S转接至基准电源-UR后，积分器对-UR进行积分，积分器输出当uA≥0时，过零比较器输出UC=0，G门被封锁，计数器停止计数。假设此时计数器已记录了N个脉冲，则代入上式得求得数字电子技术数模与模数转换2.逐次逼近式ADC图8–14四位逐次逼近型A/D转换器原理框图数字电子技术数模与模数转换表8–1输出与输入数码的关系数字电子技术数模与模数转换假设：D/A转换器的基准电压UR=8V，采样保持信号电压uI=6.25V。首先，在节拍脉冲CP0作用下，使JK触发器的状态置为QDQCQBQA=1000，则D/A转换器输出参考电压(见表8-1)，所以。由于，比较器输出F=1，G=0。这样，各级触发器的J=1，K=0。接着，节拍脉冲CP1到来，其下跳沿触发JK触发器D，使QD=1，同时CP1使触发器C置1。这样，在CP1作用后，JK触发器的状态为QDQCQBQA=1100。D/A转换器输出参考电压 。由于，比较器输出F=1，G=0。这样，各级触发器的J=1,K=0。数字电子技术数模与模数转换CP1作用结束后，CP2节拍脉冲到来，其下跳沿触发JK触发器C，使QC=1。同时CP2使触发器B置1。这样，在CP2作用后，JK触发器的状态为QDQCQBQA=1110。D/A转换器输出参考电压。由于，比较器输出F=0，G=1。这样，各级触发器的J=0，K=1。CP2作用结束后，CP3节拍脉冲到来，其下跳沿触发JK触发器B，使QB=0。同时CP3使触发器A置1。这样，在CP3作用下，JK触发器的状态为QDQCQBQA=1101。D/A转换器输出参考电压。由于，比较器输出F=0，G=1。这样，各级触发器的J=0，K=1。数字电子技术数模与模数转换CP3作用结束后，CP4节拍脉冲到来，其下跳沿触发JK触发器A，使QA=0，JK触发器的状态为QDQCQBQA=1100。CP4节拍脉冲的上升沿触发暂存器各D触发器，将JK触发器状态1100存入到暂存器中。暂存器的输出D3D2D1D0=1100，即为输入模拟电压uI=6.25V的二进制代码。暂存器输出的是并行二进制代码。同时从上面分析中可见，比较器F端顺序输出的恰好是1100串行输出的二进制代码。数字电子技术数模与模数转换3.并行比较型电路图8-16三位二进制数的并行比较型ADC电路数字电子技术数模与模数转换输入模拟电压的范围uI=0~8V,uIm=8V；输出三位二进制代码(n=3)。采用四舍五入的量化方式，量化间隔。量化标尺是用电阻分压器形成各分度值的，并作为各比较器C1~C7的比较参考电平。因采用四舍五入法量化，第一个比较器的参考电平应取。采样保持后的输入电压uI与这些分度值相比较，当uI大于比较参考电平时，比较器输出1电平，反之输出0电平，从而各比较器输出电平的状态就与输入电压量化后的值相对应。各比较器输出并行送至由D触发器构成的寄存器内，再经过编码电路将比较器的输出转换成三位二进制代码x2x1x0。输入电压与代码的对应关系如表8-2所示。数字电子技术数模与模数转换表8–2输入电压与代码的对应关系数字电子技术数模与模数转换8.2.3ADC的主要技术指标1.分辨率

分辨率指ADC对输入模拟信号的分辨能力。从理论上讲，一个n位二进制数输出ADC应能区分输入模拟电压的2n个不同量级，能区分输入模拟电压的最小值为满量程输入的1/2n。在最大输入电压一定时，输出位数愈多，量化单位愈小，分辨率愈高。例如，ADC输出为八位二进制数，输入信号最大值为5V，其分辨率为分辨率数字电子技术数模与模数转换2.转换误差

转换误差通常是以输出误差的最大值形式给出。它表示ADC实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别，常用最低有效位的倍数表示。如给出相对误差小于等于±LSB/2，这就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。数字电子技术数模与模数转换3.转换速度

转换时间是指ADC从转换信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。此时间与转换电路的类型有关。不同类型的转换器，其转换速