电子技术基础第13章数模与模数转换器

第13章

数/模与模/数转换器成都理工大学工程技术学院自动化工程系雷永锋20211/10/2024第13章数/模与模/数转换器

13.1数/模〔D/A〕转换器

13.2模/数〔A/D〕转换器

1/10/2024引言模拟信号数字信号：A/D转换器(ADC－AnalogToDigitalConverter)数字信号模拟信号：D/A转换器(DAC－DigitalToAnalogConverter)图13-1A/D和D/A转换器运用表示图1/10/2024A/D转换器、D/A转换器的运用放大器传感器(温度、压力、流量、应力等〕采样/坚持器A/D计算机显示器D/A示波器打印机计算机进展各种数字处置〔如滤波、计算〕、数据保管、打印等显示器显示字符、曲线、图形、图象等1/10/202413.1数/模〔D/A〕转换器常用在电阻网络D/A转换器和T形电阻网络D/A转换器13.1.1权电阻网络D/A转换器权电阻网络、电子开关、基准电压源和运算放大器等部分组成。图13-2权电阻网络D/A转换器1/10/20241.电子开关的作用及其组成双向电子开关分别受输入二进制数码的控制图13-35位二进制数11010D/A转换表示图1/10/2024电子开关由晶体管或场效应晶体管构成图13-4晶体管双向电子开关2.权电阻网络权电阻网络的电阻取值也符合二进制规律。由于电阻阻值和每一位的“权〞相对应，所以称为权电阻网络1/10/2024运算放大器输入端的权电阻网络构成反相加法运算电路。这样，就可以将权电阻网络所转换得的各位模拟量相加，最后获得D/A转换。3.运算放大器1/10/2024D/A的组成输入4位二进制数输出模拟电压S0~S3:模拟电子开关D=0,S倒向地D=1,S倒向VREF电阻网络求和运算放大器VREF2R2R2R2R2RRRR2RS0S1S2S3精细参考电压D0D1D2D3++-3R3R/2UO1/10/2024VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R++-3R3R/2UO当D3D2D1D0=0000时,S3S2S1S0都倒向地UO=0VD/A转换原理当D3D2D1D0=0000时UO3R2R++-3R/2R等效电路3R0000AV=-11/10/2024VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R++-3R3R/2UOD/A转换原理(续)当D3D2D1D0=1000时,S2S1S0都倒向地，S3倒向VREFUO3R++-3R/2等效电路2R2RVREF2RRVREF/2UO=-VREF/2当D3D2D1D0=1000时0001AV=-13R1/10/2024VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R++-3R3R/2UOD/A转换原理(续)当D3D2D1D0=0100时,S3S1S0都倒向地S2倒向VREF当D3D2D1D0=0100时UO=-VREF/4UO3R++-3R/2等效电路2RRVREF2R2R2R3RVREF/40010AV=-11/10/2024D/A转换原理(续)VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R++-3R3R/2UO同理可推导，当D3D2D1D0=0010时，UO=–VREF/8当D3D2D1D0=0001时，UO=–VREF/161/10/2024D/A转换原理(续)D3D2D1D0=1000时，UO=–VREF/2=–D3VREF/21D3D2D1D0=0100时，UO=–VREF/4=–D2VREF/22D3D2D1D0=0010时，UO=–VREF/8=–D1VREF/23D3D2D1D0=0001时，UO=–VREF/16=–D0VREF/24根据叠加原理:UO=–(D3VREF/21+D2VREF/22+D1VREF/23+D0VREF/24)=–(D3/21+D2/22+D1/23+D0/24)VREF=–(VREF/24)(23D3+22D2+21D1+20D0)1/10/2024UO=–(VREF/24)(23D3+22D2+21D1+20D0)D/A转换原理(续)此式阐明:D/A电路输出模拟电压UO与输入的数字量D3D2D1D0成正比1/10/2024例13-1设，试分别求出二进制数1010和1111相对应的模拟输出量。解：〔1〕当数字量为1010时〔2〕当数字量为1111时显然，输出模拟量与输入数字量成正比权电阻网络D/A转换器的优点：电路构造简单，可适用于各种有权码；缺陷：阻值有一定的误差，且易受温度变化的影响，位数较多时，阻值分散性也很大1/10/202413.1.2T形电阻网络D/A转换T形电阻网络D/A转换器只采用了R、2R两种阻值的电阻，抑制了权电阻网络D/A转换器的缺乏在集成D/A转换芯片中得到更广泛的运用图13-5T形电阻网络D/A转换器1/10/2024基准电压源UR输出的总电流是固定的，其大小为：输出电流和各支路电流的关系为：由于输出模拟电压Uo：T形电阻网络D/A转换器的输出模拟电压Uo与输入的数字量成正比〔13-4〕1/10/2024普通取RF=R，那么式〔13-4〕可写成如下方式〔13－5〕T形电阻网络D/A转换器的特点：电子开关Sk不论是接地还是接虚地，流过各支路2R电阻中的电流总是近似恒定值，在集成芯片中运用得最广泛1/10/202413.1.3D/A转换器主要技术目的1.分辨率DAC电路所能分辨的最小输出电压增量ULSB与最大输出电压Um之比称为分辨率，它是转换器的一个重要参数，其表示式为：2.线性度通常用非线性误差的大小来表示D/A转换器的线性度，并且把偏离理想的输入—输出特性的偏向与满刻度输出之比的百分数定义为非线性误差。1/10/20243.绝对精度在D/A转换器中，任何输入数码所对应的实践模拟电压值与其理想电压值之差的最大值定义为绝对精度，它描画了在整个任务区内实践的输出电压与理想的输出电压之间的最大偏向4.建立时间实践上D/A转换器内的电容、电感和开关电路均存在时间延迟，即经过一段时间才干使新的模拟量稳定下来，这段时间就是D/A转换器的建立时间，它反映了D/A转换器的转换速度。1/10/202413.1.4集成D/A转换器举例集成D/A转换器芯片的型号繁多，按照输入二进制数的位数分类有8位、10位、12位和16位等多种。8位的如DAC0832、DAC0808，10位的如DA7533、DA7520，12位的如DA7543等。CC7520集成D/A转换器〔相应的国产型号为5G7520〕图13-6CC7520集成D/A转换器1/10/2024在其根本运用电路图13-6中，运算放大器的输出电压为图13-7CC7520的CMOS电子开关1/10/202413.2模/数〔A/D〕转换器13.2.1A/D转换器概述A／D转换器的作用是将输入的模拟电压数字化，并转换成在数值上与之成正比的二进制数。一类是直接A／D转换器一类是间接A／D转换器A/D转换采样和坚持量化和编码两大步骤采样—坚持电路来完成A/D转换器内实现1/10/2024将一个时间上和幅值上延续的模拟量vI转换成时间上离散的模拟量vS的过程称为采样:图13-8模拟信号的采样采样后，vI被转换成延续的相等时间间隔的脉冲信号，其幅值等于采样时输入模拟量的值采样后的电压需求坚持一段时间1/10/2024把采样后的电压幅值化为最小数量单位的整数倍的过程叫做量化。只舍不入有舍有入图13-9划分量化电平的两种方法表示图用数字代码表示量化结果的过程叫做编码1/10/202413.2.2并联比较型A/D转换器整个电路由电阻分压器〔量化标尺〕、电压比较器、存放器和编码电路4部分组成。图13-10电路为2位二进制数输出的并联比较型A/D转换器1/10/2024表13-1图13-10中输入模拟电压和输出数码之间的关系输入模拟电压UI寄存器状态C2C1C0数字输出D2D100000001010111011111最大量化误差为。1/10/2024并联比较型A/D转换器〔三位〕原理(补充)DQDQDQDQDQDQDQ7VR/86VR/85VR/84VR/83VR/82VR/8VR/8VRRRRRRRRRUIUI6VR/8时，输出=1UI7VR/8时，输出=1UI7VR/8时，输出=0UI6VR/8时，输出=0电压比较器D锁存器编码器QBQAQGQFQEQCQDD2D1D0输入模拟电压精细参考电压精细电阻网络〔23个电阻〕输出数字量CPUIVR/8时，输出=1UIVR/8时，输出=01/10/2024并联比较型A/D转换器中的编码器真值表UIQAQBQCQDQEQFQGD2D1D06VR/8>UI>5VR/800111111015VR/8>UI>4VR/800011111007VR/8>UI>6VR/80111111110VR>UI>7VR/811111111114VR/8>UI>3VR/800001110113VR/8>UI>2VR/800000110102VR/8>UI>VR/80000001001VR/8>UI>00000000000特点：输入电压UI每添加VR/8，输出数字量添加1根据以上真值表设计编码器的组合逻辑电路〔设计略〕1/10/202413.2.3逐次逼近型A/D转换器逐次逼近型A/D转换的过程与天平称物分量的过程类似逐次逼近型A/D转换器被转换的电压相当于天平所称的物体分量，而所转换的数字量相当于在天平上逐次添加砝