《數(shù)字邏輯》數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器

1、第7章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器 7.1 概述7.2 D/A轉(zhuǎn)換器7.3 A/D轉(zhuǎn)換器 哪些器件可以作為模擬電路和數(shù)字電路的橋梁？7.1 概 論D/A轉(zhuǎn)換器（Digital Analog Convertor，DAC）A/D轉(zhuǎn)換器（ Analog Digital Convertor，ADC）電壓比較器施密特觸發(fā)器典型電子系統(tǒng)語(yǔ)音的存儲(chǔ)與回放系統(tǒng) 7.1 概 論一、D/A轉(zhuǎn)換器的基本概念 DACDvO7.2.1 D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理數(shù)字量模擬量將數(shù)字量轉(zhuǎn)化成與其成正比的模擬量。以三位DAC為例，設(shè)K=1，可得出vO和D的關(guān)系D2D1D0vO0 0 00 V0 0 11 V0 1 0 2 V0 1 13

2、V1 0 04 V1 0 15 V1 1 06 V1 1 17 V7.2.1 D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理7.2.3 R-2R網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器1.電路結(jié)構(gòu)R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)參考電壓 由于R-2R網(wǎng)絡(luò)只有兩種阻值的電阻，容易制造，集成D/A轉(zhuǎn)換器普遍采用這種電路結(jié)構(gòu)。2.工作原理7.2.3 R-2R網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器7.2.3 R-2R網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器思考：DAC的精度與電路中的哪些參數(shù)有關(guān)？雙向CMOS模擬開(kāi)關(guān)3. 乘法型DAC（Multiplying DAC，MDAC）實(shí)現(xiàn)了模擬量和數(shù)字量的乘法運(yùn)算乘法型DAC如果參考電壓用模擬信號(hào)來(lái)代替7.2.3 R-2R網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器集成乘法型D/A轉(zhuǎn)換

3、器TLC75247.2.3 R-2R網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器7.2.4 權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器1. 基本電路2. 實(shí)際電路7.2.4 權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器3. 8位高速權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器AD9708 7.2.4 權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器4. 電流轉(zhuǎn)換為電壓的兩種方法 7.2.4 權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器2.滿(mǎn)量程輸出電壓VFSV1.最小輸出電壓增量VLSB 7.2.5 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù) 分辨率常用輸入二進(jìn)制數(shù)的有效位數(shù)表示。 3.分辨率：最小輸出電壓增量與最大輸出電壓的比值來(lái)表示。數(shù)字量為111時(shí)的輸出電壓值。數(shù)字量變化一個(gè)單位時(shí)，輸出電壓的變化量。 4.輸出建立時(shí)間 輸入數(shù)據(jù)改變到輸出進(jìn)入規(guī)定的

4、誤差范圍內(nèi)所需要的最大時(shí)間。 1. 波形發(fā)生器7.2.6 D/A轉(zhuǎn)換器的典型應(yīng)用2.數(shù)控穩(wěn)壓電源7.2.6 D/A轉(zhuǎn)換器的典型應(yīng)用3.數(shù)字式可編程增益衰減器增益小于17.2.6 D/A轉(zhuǎn)換器的典型應(yīng)用1.A/D轉(zhuǎn)換的過(guò)程 要把模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量一般要經(jīng)過(guò)四個(gè)步驟，分別稱(chēng)為采樣、保持、量化、編碼。7.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理1.采樣7.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理7.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理思考：如何保證采樣后信息不丟失（即信號(hào)能完全恢復(fù)）？要滿(mǎn)足香農(nóng)采樣定理：fs 2fm頻譜重疊，無(wú)法完全恢復(fù)，信息丟失（舉例說(shuō)明）7.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理思考：如何確定fm?2. 保持在

5、t0t1階段，電路處于采樣階段。在t1t2階段，電路處于保持階段。7.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理2.量化和編碼量化：將采樣保持后的信號(hào)幅值轉(zhuǎn)化成某個(gè)最小數(shù)量單位（量化間隔）的整數(shù)倍。（1）確定量化間隔例：如有一模擬信號(hào)，幅值范圍為01V，要轉(zhuǎn)化為3位二進(jìn)制代碼，則其量化間隔為1LSB=1/8V 。得到8個(gè)量化電平分別為0V、1/8V7/8V。 7.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理最大量化誤差1/8V。方式一：只舍不入量化方式（截?cái)嗔炕绞剑?）將連續(xù)的模擬電壓近似成分散的量化電平7.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理取兩個(gè)離散電平中的相近值作為量化電平。方式二：四舍五入量化方式（舍入量化方式）

6、 7.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理量化誤差為1/16V。在實(shí)際的ADC中，大多采用舍入量化方式。幾種典型A/D轉(zhuǎn)換器 并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器（閃爍ADC） 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器型A/D轉(zhuǎn)換器雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器7.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理7.3.2 并行比較型A / D轉(zhuǎn)換器5L 6量化為5尺子物體同時(shí)與各個(gè)刻度比較電壓比較器被量物體？模擬輸入電壓vI如何比較？7.3.2 并行比較型A / D轉(zhuǎn)換器如何同時(shí)比較？每個(gè)電壓刻度使用一個(gè)比較器。用電阻分壓的辦法刻度是什么？如何實(shí)現(xiàn)？是一系列的標(biāo)準(zhǔn)電壓。7/16VvI 9/16V5/16VvI 7/16V輸入模擬電壓比較器輸出編碼（溫度碼）

7、數(shù)字量輸出vI / VC6C5C4C3C2C1C0D2D1D00vI1/1600000000001/16vI3/1600000010013/16vI5/1600000110105/16vI7/1600001110117/16vI9/1600011111009/16vI11/16001111110111/16vI13/16011111111013/16vI15/1611111111117.3.2 并行比較型A / D轉(zhuǎn)換器D2=C37.3.2 并行比較型A / D轉(zhuǎn)換器需要幾個(gè)比較器？2n-1個(gè)比較器轉(zhuǎn)換一次需要多少時(shí)間？1個(gè)時(shí)鐘周期（TCP） 并行ADC是目前速度最快的A/D轉(zhuǎn)換器。 7.3.

8、2 并行比較型A / D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器的傳輸特性輸入模擬電壓數(shù)字量輸出vI / VD2D1D00vI1/160001/16vI3/160013/16vI5/160105/16vI7/160117/16vI9/161009/16vI11/1610111/16vI13/1611013/16vI15/16111半閃爍A/D轉(zhuǎn)換器-價(jià)廉物美的ADC第一步是粗化量化。 第二步是細(xì)化量化。 7.3.2 并行比較型A / D轉(zhuǎn)換器TL08207.3.2 并行比較型A / D轉(zhuǎn)換器1.工作原理逐次逼近型ADC的工作原理很像用天平稱(chēng)重的過(guò)程 7.3.3 逐次逼近型A / D轉(zhuǎn)換器1.電路結(jié)構(gòu)由R-2R網(wǎng)絡(luò)型

9、DAC、比較器、SAR三部分組成。7.3.3 逐次逼近型A / D轉(zhuǎn)換器2.工作原理3.5V CPd3d2d1d0vO比較結(jié)果處 理123410001100101010112.5V3.75V3.125V3.4375VvIvOvIvOvIvOvI vO（d3）1保留（d2）1不保留（d1）1保留（d0）1保留10117.3.3 逐次逼近型A / D轉(zhuǎn)換器4位的逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器的原理圖 7.3.3 逐次逼近型A / D轉(zhuǎn)換器例： 逐次逼近型AD 轉(zhuǎn)換器如圖所示。當(dāng)vI1.5V時(shí)，問(wèn)： （1）輸出的二進(jìn)制數(shù)D3D2D1D0？（2）轉(zhuǎn)換誤差為多少？（3）如何提高轉(zhuǎn)換精度？ 7.3.3 逐次逼近型A

10、 / D轉(zhuǎn)換器解：1.量化單位為：轉(zhuǎn)換結(jié)果D=（0100）22.轉(zhuǎn)換誤差為：1.540.3125=1.51.25=0.253.減少誤差的方法：（2）在D/A輸出加一個(gè)負(fù)向偏移電壓1/2 。7.3.3 逐次逼近型A / D轉(zhuǎn)換器（1）增加位數(shù)；7.3.3 逐次逼近型A / D轉(zhuǎn)換器量化誤差為1LSB量化誤差為1/2LSB轉(zhuǎn)換結(jié)果：(0100)2轉(zhuǎn)換結(jié)果：(0101)2CPSARvO / VvO/V比較結(jié)果處 理110002.52.34375vIvOD3不保留201001.251.09375vIvOD2保留301101.8751.71875vIvOD1不保留401011.56251.40625vIvOD0保留CPSARvO /V比較結(jié)果處 理110002.5vIvOD3不保留201001. 25vIvOD2保留301101.875vIvOD1不保留401011.5625vIvOD0不保留7.3.3 逐次逼近型A / D轉(zhuǎn)換器7.3.6 A / D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)3.相對(duì)精度1.分辨率2.轉(zhuǎn)換速度 A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率用輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示，位數(shù)越多，誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高。轉(zhuǎn)