數(shù)字電路康華光(第五)ch數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器

3、正確理解D/A、A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)。1、掌握倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器(DAC)、集成D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理及相關(guān)計算。2、掌握并行比較、逐次比較、雙積分A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)的工作原理及其特點。本章要求1當前1頁，總共61頁。9.1D/A轉(zhuǎn)換器9.1.1D/A轉(zhuǎn)換的基本原理9.1.2倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器9.1.5D/A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標9.1.3權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器9.1.4D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式9.1.6D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用2當前2頁，總共61頁。n位數(shù)字量DAC模擬量數(shù)/模轉(zhuǎn)換器:將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為與之成正比模擬量。NBO=±KND

9.1.1D/A轉(zhuǎn)換的基本原理3當前3頁，總共61頁?；舅枷耄簩⑤斎攵M制數(shù)中為“1”每一位代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后，將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字量成正比的模擬量，從而實現(xiàn)數(shù)字量--模擬量的轉(zhuǎn)換。1、實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的基本思想

ND＝b4×24＋b3×23＋b2×22＋b1×21＋b0×20

＝1×24＋1×23＋1×20將二進制數(shù)(11001)B＝ND轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)。4當前4頁，總共61頁。2、實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的原理電路

基準電壓電子開關(guān)數(shù)字量輸入解碼網(wǎng)絡(luò)求和電路模擬量輸出5當前5頁，總共61頁。3、D/A轉(zhuǎn)換器的組成

用存放在數(shù)字寄存器中的數(shù)字量的各位數(shù)碼

由輸入數(shù)字量控制產(chǎn)生權(quán)電流

將權(quán)電流相加產(chǎn)生與輸入成正比的模擬電壓6當前6頁，總共61頁。4、D/A轉(zhuǎn)換器的分類:按解碼網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分類T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC權(quán)電流DAC權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC按模擬電子開關(guān)電路分類CMOS開關(guān)型DAC雙極型開關(guān)型DAC電流開關(guān)型DACECL電流開關(guān)型DACD/A轉(zhuǎn)

換

器7當前7頁，總共61頁。9.1.2倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器Di=0,Si接運算放大器同相端，將電阻2R接地Di=1,Si接運算放大器反相端，電流Ii流入求和電路

電阻網(wǎng)絡(luò)模擬電子開關(guān)求和運算放大器輸出模擬電壓輸入4位二進制數(shù)4位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器基準電壓8當前8頁，總共61頁。D/A轉(zhuǎn)換器的倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)基準電源VREF提供的總電流為：I=？流過各開關(guān)支路的電流：I3=？I2=？I1=？I0=？I/4I/8I/16RRRRI/2I/4I/8I/16I/2I3I2I1I0流入每個2R電阻的電流從高位到低位按2的整數(shù)倍遞減。I3=VREF/2RI2=VREF/4RI1=VREF/8RI0=VREF/16R9當前9頁，總共61頁。i＝I0D0+I1D1+I2D2+I3D310當前10頁，總共61頁。4位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC的輸出模擬電壓：n位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC有：令：則O=–KND

在電路中輸入的每一個二進制數(shù)NB，均能得到與之成正比的模擬電壓輸出。11當前11頁，總共61頁。關(guān)于D/A轉(zhuǎn)換器精度的討論(1)基準電壓精度高、穩(wěn)定性好；(2)倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)中R和2R電阻比值的精度要高；(4)每個模擬開關(guān)的開關(guān)電壓降要相等。為實現(xiàn)電流從高位到低位按2的整數(shù)倍遞減，模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻也相應(yīng)地按2的整數(shù)倍遞增。為進一步提高D/A轉(zhuǎn)換器的精度，可采用權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器。為提高D/A轉(zhuǎn)換器的精度，對電路參數(shù)的要求：(3)運放的零點漂移小；12當前12頁，總共61頁。Di=1時，開關(guān)Si接運放的反相端;Di=0時，開關(guān)Si接地。9.1.3權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器4位權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器13當前13頁，總共61頁。在恒流源電路中，各支路權(quán)電流的大小均不受開關(guān)導(dǎo)通電阻和壓降的影響，這樣降低了對開關(guān)電路的要求，提高了轉(zhuǎn)換精度。14當前14頁，總共61頁。8位D/A轉(zhuǎn)換器在單極性輸出時的輸入/輸出關(guān)系0000000010000000……111111100000000110000001……11111111模擬量

MSB數(shù)字量LSB9.1.4D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式1.單極性電壓輸出15當前15頁，總共61頁。1.單極性電壓輸出反相輸出16當前16頁，總共61頁。1.單極性電壓輸出同相輸出17當前17頁，總共61頁。常用雙極性編碼及輸出模擬量-1280000000000000001-128-1271000000010000001-127-11111111011111111-1000000001000000000110000001100000001126011111110111111012612711111111111111101270/VLSBD0D1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7模擬量偏移二進制碼2的補碼十進制數(shù)2.雙極性電壓輸出18當前18頁，總共61頁。

19當前19頁，總共61頁。9.1.5D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標分辨率也可用輸入數(shù)字量的位數(shù)n來表示，位數(shù)越多D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率越高。分辨率還可以用能分辨的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比給出。n位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率可表示為1、轉(zhuǎn)換精度分辨率——定義為D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級數(shù)，n位D/A轉(zhuǎn)換器最多有2n個不同的模擬量輸出，其分辨率為2n。分辨率反映了D/A轉(zhuǎn)換器輸入模擬量微小變化的分辨能力。20當前20頁，總共61頁。產(chǎn)生原因：由于D/A轉(zhuǎn)換器中各元件參數(shù)值存在誤差，如基準電壓不夠穩(wěn)定或運算放大器的零漂等各種因素的影響。幾種轉(zhuǎn)換誤差：有如比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差和非線性誤差等。轉(zhuǎn)換誤差——轉(zhuǎn)換器實際能達到的轉(zhuǎn)換精度。指對給定的數(shù)字量，D/A轉(zhuǎn)換器實際值與理論值之間的最大偏差。21當前21頁，總共61頁。2、轉(zhuǎn)換速度建立時間tset——是在輸入數(shù)字量各位由全0變?yōu)槿?，或由全1變?yōu)槿?，輸出電壓達到規(guī)定誤差范圍所需的時間。轉(zhuǎn)換速率SR——即輸入數(shù)字量的各位由全0變?yōu)槿?，或由全1變?yōu)?時，輸出電壓vo的變化率。3、溫度系數(shù)指輸入信號不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化產(chǎn)生的變化量。22當前22頁，總共61頁。AD7520D/A轉(zhuǎn)換器使用:1)要外接運放2)運放的反饋電阻可使用內(nèi)部電阻，也可采用外接電阻10位CMOS電流開關(guān)型D/A轉(zhuǎn)換器

9.1.6集成D/A轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用23當前23頁，總共61頁。9.1.6集成D/A轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用AD7520的引腳圖24當前24頁，總共61頁。74163和與非門構(gòu)成十進制計數(shù)器：0000~1001應(yīng)用舉例1、鋸齒波產(chǎn)生電路25當前25頁，總共61頁。應(yīng)用舉例2、數(shù)字式可編程增益控制電路

D2

D7

uO

D0

D1

2R

2R

2R

2R

R

R

R

D8

D9

R

R

R

uI

2R

2R

2R

-

+

RF

IOUT1

IOUT2

VREF

26當前26頁，總共61頁。uO

-

+

R

uIOUT2I

IOUT1

倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)

D2

D7

uOD0

D1

2R

2R

2R

2R

R

R

R

D8

D9

R

R

R

uI2R

2R

2R

-

+

RF

IOUT1

IOUT2

VREF

OVIAuu=根據(jù)虛短、虛斷有:27當前27頁，總共61頁。9.2.6集成A/D轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用9.2A/D轉(zhuǎn)換器9.2.1A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程

A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標

并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器

逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器

雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器28當前28頁，總共61頁。保持、量化取樣時間上離散的信號量值上也離散的信號編碼模擬信號時間上和量值上都連續(xù)數(shù)字信號時間上和量值上都離散9.2.1A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程

A/D轉(zhuǎn)換器一般要包括取樣，保持，量化及編碼4個過程。29當前29頁，總共61頁。1.取樣與保持

取樣是將隨時間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為在時間離散的模擬量。

取樣信號S(t)的頻率愈高，所采得信號經(jīng)低通濾波器后愈能真實地復(fù)現(xiàn)輸入信號。合理的采樣頻率由取樣定理確定。

取樣定理：設(shè)采樣信號S(t)的頻率為fs，輸入模擬信號I(t)的最高頻率分量的頻率為fimax，則fs≥2fimaxS(t)=1:開關(guān)閉合S(t)=0:開關(guān)斷開30當前30頁，總共61頁。將取樣電路取得的信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號需要一定時間，為了給后續(xù)的量化編碼過程提供一個穩(wěn)定的值，在取樣電路后要求將所采樣的模擬信號保持一段時間。取樣保持31當前31頁，總共61頁。2.量化與編碼量化：數(shù)字信號在數(shù)值上是離散的。采樣–保持電路的輸出電壓還需按某種近似方式歸化到與之相應(yīng)的離散電平上，任何數(shù)字量只能是某個最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。量化誤差：量化前的電壓與量化后的電壓差。兩種近似量化方式：只舍不入量化方式；四舍五入的量化方式。量化單位Δ：最小數(shù)量單位。32當前32頁，總共61頁。（1）只舍不入量化方式把不足一個量化單位的部分舍棄；對于等于或大于一個量化單位部分按一個量化單位處理。編碼：量化后的數(shù)值最后還需通過編碼過程用一個代碼表示出來。經(jīng)編碼后得到的代碼就是A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量。33當前33頁，總共61頁。（2）四舍五入量化方式將不足半個量化單位部分舍棄，對于等于或大于半個量化單位部分按一個量化單位處理。34當前34頁，總共61頁。1.轉(zhuǎn)換精度

9.2.2A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標分辨率:說明A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號的分辨能力。通常以輸出二進制(或十進制)數(shù)的位數(shù)表示。轉(zhuǎn)換誤差：表示A/D轉(zhuǎn)換器實際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別。2.轉(zhuǎn)換時間

指A/D轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控制信號到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號所經(jīng)過的時間。35當前35頁，總共61頁。并行比較型逐次逼近型電壓-時間(VT)型——雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器直接型間接型A/D轉(zhuǎn)換器的分類反饋比較型計數(shù)型電壓-頻率(VF)型36當前36頁，總共61頁。9.2.3并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器電壓比較器輸入模擬電壓電阻分壓器基準電壓VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15輸出數(shù)字量寄存器優(yōu)先編碼器37當前37頁，總共61頁。1111000001vI=8.2VVREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15VREF=15V1V3V7V9V11V5V13V111100038當前38頁，總共61頁。I=8.2VVREF=15V量化方式：四舍五入法最大量化誤差為：輸出數(shù)字量：量化單位：Δ=2VREF/15

=2V對應(yīng)模擬電壓：量化誤差：-0.2V39當前39頁，總共61頁。

vICO1CO2CO3CO4CO5CO6CO7D2D1D0

7VREF/15

vI<9VREF/15

0001111100

9VREF/15

vI<11VREF/15

0011111101

5VREF/15

vI<7VREF/15

0000111011

3VREF/15

vI

<5VREF/15000001101011VREF/15

vI<13VR/15

011111111013VREF/15

vI<VREF

1111111111

VREF/15

vI<3VREF/15

0000001001

0vI<VREF/15

0000000000

三位并行A/D轉(zhuǎn)換器輸入與輸出關(guān)系對照表40當前40頁，總共61頁。電路特點：在并行A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入電壓I同時加到所有比較器的輸入端。如不考慮各器件的延遲，可認為三位數(shù)字量是與I輸入時刻同時獲得的。所以它的轉(zhuǎn)換時間最短。缺點是電路復(fù)雜，如三位ADC需7個比較器、7個觸發(fā)器、8個電阻。位數(shù)越多，電路越復(fù)雜。為了解決提高分辨率和增加元件數(shù)的矛盾，可以采取分級并行轉(zhuǎn)換的方法。41當前41頁，總共61頁。9.2.4逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器與用天平稱物重非常相似。第一次8g8g<mx，8g第二次第三次第四次轉(zhuǎn)換原理所用砝碼重量：8克、4克、2克和1克設(shè)待秤物體重量mx

=13克砝碼總重量暫時結(jié)果比較判斷保留8g+4g=12g12g<mx，12g保留8g+4g+2g=14g14g>mx，12g撤去8g+4g+1g=13g13g＝mx，13g保留42當前42頁，總共61頁。10001000I

>4V1I=5.52VVREF=8V第一個CP：4位逐次比較型模-數(shù)轉(zhuǎn)換器的原理電路vo,

=4V43當前43頁，總共61頁。0I=5.52V01001100I

<6V1VREF=8Vvo,

=6V10004位逐次比較型模-數(shù)轉(zhuǎn)換器的原理電路第二個CP：44當前44頁，總共61頁。0I=5.52V00101010I

>5V1VREF=8Vvo,

=5V14位逐次比較型模-數(shù)轉(zhuǎn)換器的原理電路第三個CP：45當前45頁，總共61頁。0I=5.52V00011011I

>5.5V1VREF=8Vvo,

=5.5V114位逐次比較型模-數(shù)轉(zhuǎn)換器的原理電路第四個CP：46當前46頁，總共61頁。1000I=5.52VVREF=8V10111100101010110.005.505.006.00

4.00CP

啟動脈沖

D3

D2D1D0vo,

8

7

654

3

2

10

轉(zhuǎn)換時間=4TCP

t/ms

(轉(zhuǎn)換誤差:–0.02V)只舍不入量化方式最大量化誤差為：最小量化單位：Δ=

VREF/1647當前47頁，總共61頁。電路特點：1、逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)越多轉(zhuǎn)換精度越高；2、逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需時間與其位數(shù)n和時鐘脈沖頻率有關(guān)，位數(shù)愈少，時鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換所需時間越短。48當前48頁，總共61頁。9.2.5雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的基本思想：在某一固定的時間內(nèi)，對輸入模擬電壓求積分，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時間間隔；然后利用時鐘脈沖和計數(shù)器測出此時間間隔，進而得到相應(yīng)的數(shù)字量輸出。又稱為電壓－時間變換型(簡稱VT型)。49當前49頁，總共61頁。1、電路組成積分器過零比較器時鐘脈沖控制門計數(shù)器定時器50當前50頁，總共61頁。0CR信號將計數(shù)器清零；開關(guān)S2閉合，待電容放電完畢后，斷開S2使電容的初始電壓為0。2、工作原理（1）準備階段：0000051當前51頁，總共61頁。經(jīng)過2n個CP(2)第一次積分：01152當前52頁，總共61頁。積分器輸出電壓O=0時，比較器輸出C=0，時鐘脈沖控制門G被關(guān)閉，計數(shù)停止。(3)第二次積分：053當前53頁，總共61頁。T1=2nTC

T2=Tc

T2=t2t1

在計數(shù)器所計的數(shù)=Qn-1…Q1Q0，就是A/D轉(zhuǎn)換器得到的數(shù)字量。vG54當前54頁，總共61頁。電路特點：1.由于轉(zhuǎn)換結(jié)果與時間常數(shù)無關(guān)，因此R、C元器件參數(shù)的變化對轉(zhuǎn)換精度的影響基本可以忽略。2.由于雙積分A/D轉(zhuǎn)換器在T1時間內(nèi)采的是輸入電壓的平均值，因此具有很強的抗工頻干擾的能力。3.只要求時鐘源在一個轉(zhuǎn)換周期時間內(nèi)保持穩(wěn)定即可。4.轉(zhuǎn)換速度慢,轉(zhuǎn)換時間幾百s~幾ms。55當前55頁，總共61頁。9.2.6集成A/D轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，ADC0809的主要特性：