數(shù)字電路郭建才主講第八章

8.1概述

主要要求：

理解數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的概念和作用。

當(dāng)前1頁，總共39頁。一、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換的概念和作用數(shù)模轉(zhuǎn)換即將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬電量(電壓或電流)，使輸出的模擬電量與輸入的數(shù)字量成正比。實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路稱數(shù)模轉(zhuǎn)換器

Digital-AnalogConverter，簡稱

D/A轉(zhuǎn)換器或DAC。

模數(shù)轉(zhuǎn)換即將模擬電量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，使輸出的數(shù)字量與輸入的模擬電量成正比。

實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路稱模數(shù)轉(zhuǎn)換器

Analog-DigitalConverter，簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC。

當(dāng)前2頁，總共39頁。模擬量數(shù)字量模擬量數(shù)字量傳感器被控對象

自然界物理量為何要進(jìn)行數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換？當(dāng)前3頁，總共39頁。二、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例數(shù)字信號物理量模擬信號壓力傳感器溫度傳感器流量傳感器四路模擬開關(guān)數(shù)字控制計(jì)算機(jī)DAC模擬控制器模擬控制器液位傳感器DACDAC…………模擬控制器模擬控制器生產(chǎn)控制對象

DACADC二、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例當(dāng)前4頁，總共39頁。主要要求：

了解數(shù)模轉(zhuǎn)換的基本原理。

了解常用D/A轉(zhuǎn)換器的類型和主要參數(shù)。了解R

-2R倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的電路與工作原理。8.2D/A轉(zhuǎn)換器當(dāng)前5頁，總共39頁。一、數(shù)模轉(zhuǎn)換的基本原理

輸出模擬電壓

uO=

D△=(Dn-12n-1+Dn-22n-2++D121+D020)△可見，uO∝

D，uO的大小反映了數(shù)字量

D

的大小。DACD0D1Dn-2Dn-1…uOn位二進(jìn)制數(shù)輸入模擬電壓輸出一、數(shù)模轉(zhuǎn)換的基本原理LSB—LeastSignificantBit

輸入數(shù)字量D=(Dn-1

Dn-2

D1

D0)2

=Dn-12n-1+Dn-22n-2++D121+D020

△是DAC能輸出的最小電壓值，稱為DAC的單位量化電壓，它等于D最低位(LSB)為1、其余各位均為0時(shí)的模擬輸出電壓(用ULSB表示)。當(dāng)前6頁，總共39頁。S0++-△∞uOS1S2S3D3D2D1D0iΣRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI301111000RRR(一)

電路組成與轉(zhuǎn)換原理二、R

-2R

倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC

由倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)和一個(gè)電流電壓轉(zhuǎn)換電路(簡稱I/U轉(zhuǎn)換電路)組成。模擬開關(guān)Si

打向“1”側(cè)時(shí)，相應(yīng)2R支路接虛地；打向“0”側(cè)時(shí)，相應(yīng)2R支路接地。故無論開關(guān)打向哪一側(cè)，倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)均可等效為下圖：當(dāng)前7頁，總共39頁。II3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI3RRRABC從A、B、C節(jié)點(diǎn)向左看去，各節(jié)點(diǎn)對地的等效電阻均為2R。因此，I=VREFRI3=I2=23()，I24I2

=I32=22

()，I24=I4I1

=I22=21

()，I24=I8I0

=I12=20

()I24=I16可見，支路電流值Ii正好代表了二進(jìn)制數(shù)位Di

的權(quán)值2i。即I3=23

I0，I2=22

I0，I1=21

I0，I0=20

I0

當(dāng)前8頁，總共39頁。模擬開關(guān)Si

受相應(yīng)數(shù)字位Di

控制。當(dāng)Di=1時(shí)，開關(guān)合向“1”側(cè)，相應(yīng)支路電流Ii輸出；Di=0時(shí)，開關(guān)合向“0”側(cè)，Ii

流入地而不能輸出。S0++-△∞uOS1S2S3D3D2D1D0iΣRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI301111000RRRu0=-

iΣRF=-

D

I0RF=-

D

·

iΣ

=

D3I3+

D2I2+

D1I1+

D0I0

=

(

D323+

D222+

D121+

D020)

I0=

D

I0對n

位

DAC，uO=

-

D

·

若取RF=R，則uO=

-

D

·

n位DAC將參考電壓VREF分成2n份，uO是每份的D倍。調(diào)節(jié)VREF可調(diào)節(jié)DAC的輸出電壓。uO=

-

D

·

當(dāng)前9頁，總共39頁。三、常用DAC的類型和主要參數(shù)

(一)常用DAC的類型

常用DAC主要有權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC、R-2RT形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC、R-2R倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC和權(quán)電流網(wǎng)絡(luò)DAC。其中，后兩者轉(zhuǎn)換速度快，性能好，因而被廣泛采用，權(quán)電流網(wǎng)絡(luò)DAC轉(zhuǎn)換精度高，性能最佳。

當(dāng)前10頁，總共39頁。(二)主要參數(shù)1.分辨率DAC的最小輸出電壓變化量，也即DAC的最小輸出電壓值表示滿度輸出電壓值，F(xiàn)SR即FullScaleRange指D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出所能產(chǎn)生的最小電壓變化量與滿刻度輸出電壓之比。

UFSR=uO|D=111=(2n–1)ULSBn位均為1例如，一個(gè)10位的DAC，分辨率為0.000978。DAC的位數(shù)越多，分辨率值就越小，能分辨的最小輸出電壓值也越小。當(dāng)前11頁，總共39頁。要獲得較高精度的D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果，除了正確選用DAC的位數(shù)外，還要選用低漂移高精度的求和運(yùn)算放大器。

3.

轉(zhuǎn)換時(shí)間指DAC在輸入數(shù)字信號開始轉(zhuǎn)換，到輸出的模擬信號達(dá)到穩(wěn)定值所需的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間越小，轉(zhuǎn)換速度就越高。2.

轉(zhuǎn)換精度

指DAC實(shí)際輸出模擬電壓與理想輸出模擬電壓間的最大誤差。它是一個(gè)綜合指標(biāo)，不僅與DAC中元件參數(shù)的精度有關(guān)，而且與環(huán)境溫度、求和運(yùn)算放大器的溫度漂移以及轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有關(guān)。

通常要求DAC的誤差小于ULSB/2。當(dāng)前12頁，總共39頁。四、集成DAC應(yīng)用舉例四、集成DAC應(yīng)用舉例1.集成DAC簡介常用集成DAC有兩類：一類內(nèi)部僅含有電阻網(wǎng)絡(luò)和電子模擬開關(guān)兩部分，常用于一般的電子電路。另一類內(nèi)部除含有電阻網(wǎng)絡(luò)和電子模擬開關(guān)外，還帶有數(shù)據(jù)鎖存器，并具有片選控制和數(shù)據(jù)輸入控制端，便于和微處理器進(jìn)行連接，多用于微機(jī)控制系統(tǒng)中。當(dāng)前13頁，總共39頁。2.8位CMOS集成D/A轉(zhuǎn)換器CDA7524簡介數(shù)據(jù)鎖存器20k20k20k20k20kΩ……10k10k10k10k…VDDVREF151213CSWR45611D7

(MSB)D6D5D0

(LSB)S0S1S2S7OUT112316iΣRFBOUT2GND基準(zhǔn)電壓輸入端

VREF可正可負(fù)

片選控制端

電源電壓范圍+5V~+15V

8位數(shù)據(jù)輸入端，其電平與TTL電平兼容。MSB表示最高位，LSB表示最低位。接地端

內(nèi)部反饋電阻RF的引出端

兩個(gè)輸出端，一般將OUT2接地，OUT1接運(yùn)放反向端。

寫信號控制端

當(dāng)前14頁，總共39頁。

[例]右圖為CDA7524的單極性輸出應(yīng)用電路。圖中電位器R1用于調(diào)整運(yùn)放增益，電容

C用以消除運(yùn)放的自激。已知ULSB=VREF/256，試求滿度輸出電壓及滿度輸出時(shí)所需的輸入信號。CDA752445789106111213D7D6D4D3D2D1D5D0CS314VDD151612VREF=

10V++-△∞OUT1OUT2uOC2kR2R11k15pFWR解：當(dāng)

D7D6D5D4D3D2D1D0=

11111111

時(shí)，輸出為滿度值。uO=-

UFSR

-9.961V。當(dāng)前15頁，總共39頁。主要要求：了解模數(shù)轉(zhuǎn)換的基本原理。了解A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)。了解常用A/D轉(zhuǎn)換器。8.3A/D轉(zhuǎn)換器

當(dāng)前16頁，總共39頁。一、A/D轉(zhuǎn)換的基本原理和一般步驟

“[]”表示取整?；驹鞟DCD0D1Dn-2Dn-1…uI模擬輸入信號n位二進(jìn)制數(shù)輸出

D=Dn-1

Dn-2

D1

D0可見，輸出數(shù)字量D正比于輸入模擬量uI?！鞣Q為ADC的單位量化電壓或量化單位，它是ADC的最小分辨電壓。當(dāng)前17頁，總共39頁。采樣：把時(shí)間連續(xù)變化的信號變換為時(shí)間離散的信號。

保持：保持采樣信號，使有充分時(shí)間轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

量化：把采樣保持電路的輸出信號用單位量化電壓的

整數(shù)倍表示。

編碼：把量化的結(jié)果用二進(jìn)制代碼表示。A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟uI(t)C量化編碼電路Dn-1D1D0…uI(t)S采樣保持電路輸入模擬量輸出數(shù)字量當(dāng)前18頁，總共39頁。當(dāng)前19頁，總共39頁。采樣信號是否會丟失原信號的信息呢？對信號進(jìn)行量化會引起誤差嗎？量化誤差大小與ADC的位數(shù)、基準(zhǔn)電壓VREF和量化方法有關(guān)。

采樣定理：當(dāng)采樣頻率不小于輸入模擬信號頻譜中最高頻率的兩倍時(shí)，采樣信號可以不失真地恢復(fù)為原模擬信號。

量化誤差：因模擬電壓不一定能被ULSB整除，量化時(shí)舍去余數(shù)而引起的誤差。

當(dāng)前20頁，總共39頁。劃分量化電平的兩種方法最大量化誤差==(1/8)V最大量化誤差

=/2=(1/15)V1=1/8V4=4/8V0(6/8)V(7/8)V000001010011100101110111模擬電平二進(jìn)制代碼代表的模擬電平0=0V2=2/8V3=3/8V5=5/8V6=6/8V7=7/8V(5/8)V(4/8)V(3/8)V(2/8)V(1/8)V(8/8)V模擬電平二進(jìn)制代碼代表的模擬電平0=0V1=2/15V2=4/15V3=6/15V4=8/15V5=10/15V6=12/15V7=14/15V(13/15)V0000001010011100101110111(11/15)V(15/15)V(9/15)V(3/15)V(7/15)V(1/15)V(5/15)V當(dāng)前21頁，總共39頁。VREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型ADC

0000000000uI電阻構(gòu)成分壓器當(dāng)前22頁，總共39頁。VREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型ADC

0000001001uI當(dāng)前23頁，總共39頁。VREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型ADC0000011010uI當(dāng)前24頁，總共39頁。VREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型ADC0000111011uI當(dāng)前25頁，總共39頁。VREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型ADC0001111100uI當(dāng)前26頁，總共39頁。VREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型ADC0011111101uI當(dāng)前27頁，總共39頁。VREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型ADC0111111110uI當(dāng)前28頁，總共39頁。VREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型ADC1111111111uI當(dāng)前29頁，總共39頁。三、常用ADC的類型和主要參數(shù)

(一)常用ADC的類型常用ADC主要有并聯(lián)比較型、雙積分型和逐次逼近型。其中，并聯(lián)比較型ADC轉(zhuǎn)換速度最快，但價(jià)格貴；雙積分型ADC精度高、抗干擾能力強(qiáng)，但速度慢；逐次逼近型速度較快、精度較高、價(jià)格適中，因而被廣泛采用。當(dāng)前30頁，總共39頁。指ADC實(shí)際輸出數(shù)字量與理想輸出數(shù)字量之間的最大差值。通常用最低有效位LSB的倍數(shù)來表示。

(二)主要參數(shù)2.相對精度(又稱轉(zhuǎn)換誤差)

指ADC輸出數(shù)字量的最低位變化一個(gè)數(shù)碼時(shí)，對應(yīng)輸入模擬量的變化量。

1.分辨率例如最大輸出電壓為5V的8位ADC的分辨率為：

5V/28=19.6mA分辨率也可用ADC的位數(shù)表示。位數(shù)越多，能分辨的最小模擬電壓值就越小。例如轉(zhuǎn)換誤差不大于1/2LSB，即說明實(shí)際輸出數(shù)字量與理想輸出數(shù)字量之間的最大誤差不超過1/2LSB。當(dāng)前31頁，總共39頁。3.轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換速度比較：并聯(lián)比較型>逐次逼近型>雙積分型數(shù)十ns數(shù)十s

數(shù)十ms指ADC完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間，即從轉(zhuǎn)換開始到輸出端出現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)字信號所需要的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間越小，轉(zhuǎn)換速度越高。當(dāng)前32頁，總共39頁。D/A

轉(zhuǎn)換是將輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為與之成正比的模擬電量。常用的DAC主要有權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC、R

-2RT形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC、R

-2R倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC和權(quán)電流網(wǎng)絡(luò)DAC。其中，后兩者轉(zhuǎn)換速度快，性能好，因而被廣泛采用，權(quán)電流網(wǎng)絡(luò)DAC轉(zhuǎn)換精度高，性能最佳。本章小結(jié)當(dāng)前33頁，總共39頁。A/D轉(zhuǎn)換是將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換為與之成正比的數(shù)字量。常用ADC主要有并聯(lián)比較型、雙積分型和逐次逼近型。其中，并聯(lián)比較型ADC屬于直接轉(zhuǎn)換型，