數(shù)字電路康華光模數(shù)與數(shù)模轉換器

3、正確理解D/A、A/D轉換器的主要參數(shù)。1、了解倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器(DAC)、集成D/A轉換器的工作原理及相關計算。2、了解并行比較、逐次比較、雙積分A/D轉換器(ADC)的工作原理及其特點。教學基本要求當前第1頁\共有58頁\編于星期四\18點A/D

轉換器

D/A

轉換器

模擬

控制器

工業(yè)生產(chǎn)過程控制對象

模

擬

傳感器

ADC和DAC已成為計算機系統(tǒng)中不可缺少的接口電路。將溫度、壓力、流量、應力等物理量轉換為模擬電量。計算機進行數(shù)字處理（如計算、濾波）、保存等用模擬量作為控制信號數(shù)字控制

計算機概述當前第2頁\共有58頁\編于星期四\18點當前第3頁\共有58頁\編于星期四\18點9.1D/A轉換器9.1.1D/A轉換的基本原理9.1.2倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器9.1.4D/A轉換器的輸出方式9.1.3權電流D/A轉換器9.1.5D/A轉換器的技術指標9.1.6D/A轉換器的應用當前第4頁\共有58頁\編于星期四\18點將數(shù)字量轉換為與之成正比模擬量。n位數(shù)字量1.概述DAC9.1D/A轉換器模擬量1、數(shù)

/

模轉換器:A

=KDO=–KNB

當前第5頁\共有58頁\編于星期四\18點

數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合而成的，對于有權碼，每位代碼都有一定的權值，如能將每一位代碼按其權的大小轉換成相應的模擬量，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--模擬量的轉換。①

實現(xiàn)D/A轉換的基本思想

ND＝b4×24＋b3×23＋b2×22＋b1×21＋b0×20

＝1×24＋1×23＋0×22＋0×21＋1×20將二進制數(shù)ND＝(11001)B轉換為十進制數(shù)。9.1.1D/A轉換的基本原理當前第6頁\共有58頁\編于星期四\18點②D/A轉換器的組成:DAC的數(shù)字數(shù)據(jù)可以并行輸入也可串行輸入

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)生權電流

將權電流相加產(chǎn)生與輸入成正比的模擬電壓當前第7頁\共有58頁\編于星期四\18點③

實現(xiàn)D/A轉換的原理電路

，，,

當前第8頁\共有58頁\編于星期四\18點④D/A轉換器的分類:按解碼網(wǎng)絡結構分類T型電阻網(wǎng)絡DAC倒T形電阻網(wǎng)絡DAC權電流DAC

權電阻網(wǎng)絡DAC按模擬電子開關電路分類CMOS開關型DAC雙極型開關型DAC電流開關型DACECL電流開關型DACD/A轉

換

器當前第9頁\共有58頁\編于星期四\18點9.1.2倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器Di=0,Si則將電阻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)絡模擬電子開關求和運算放大器輸

出模擬電壓輸入4位二進制數(shù)根據(jù)運放線性運用時虛地的概念可知，無論模擬開關Si處于何種位置，與Si相連的2R電阻將接“地”或虛地。1、4位倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉換器基準電壓

電阻網(wǎng)絡模擬電子開關求和運算放大器當前第10頁\共有58頁\編于星期四\18點D/A轉換器的倒T形電阻網(wǎng)絡基準電源VREF提供的總電流為：I=？流過各開關支路的電流：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/16R當前第11頁\共有58頁\編于星期四\18點流入運放的總電流：i＝I0+I1+I2+I3輸出模擬電壓：

當前第12頁\共有58頁\編于星期四\18點4位倒T形電阻網(wǎng)絡DAC的輸出模擬電壓：n位倒T形電阻網(wǎng)絡DAC有：令：則O=–KNB

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。當前第13頁\共有58頁\編于星期四\18點AD7533D/A轉換器使用: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）2.集成D/A轉換器10位CMOS電流開關型D/A轉換器

當前第14頁\共有58頁\編于星期四\18點關于D/A轉換器精度的討論(1)基準電壓穩(wěn)定性好；(2)倒T形電阻網(wǎng)絡中R和2R電阻比值的精度要高；(3)為實現(xiàn)電流從高位到低位按2的整數(shù)倍遞減，模擬開關的導通電阻也相應地按2的整數(shù)倍遞增。為進一步提高D/A轉換器的精度，可采用權電流型D/A轉換器。為提高D/A轉換器的精度，對電路參數(shù)的要求：(3)每個模擬開關的開關電壓降要相等當前第15頁\共有58頁\編于星期四\18點Di=1時，開關Si接運放的反相端;Di=0時，開關Si接地。9.1.3權電流D/A轉換器1.4位權電流D/A轉換器當前第16頁\共有58頁\編于星期四\18點在恒流源電路中，各支路權電流的大小均不受開關導通電阻和壓降的影響，這樣降低了對開關電路的要求，提高了轉換精度。當前第17頁\共有58頁\編于星期四\18點實際的權電流D/A轉換器電路電壓恒定各BJT的發(fā)射結電壓相等基準電流產(chǎn)生電路++-當前第18頁\共有58頁\編于星期四\18點9.1.4D/A轉換器的輸出方式8位D/A轉換器在單極性輸出時的輸入/輸出關系0000000010000000……111111100000000110000001……11111111模擬量

數(shù)字量MSBLSB當前第19頁\共有58頁\編于星期四\18點常用雙極性編碼十進制數(shù)2的補碼偏移二進制碼模擬量D7D6D5D4D3D2D1D0D7D6D5D4D3D2D1D00/VLSB12701111111111111111271260111111011111110126100000001100000011000000000100000000-11111111101111111-1-1271000000100000001-127-1281000000000000000-128*表中VLSB=VREF/256當前第20頁\共有58頁\編于星期四\18點

當前第21頁\共有58頁\編于星期四\18點9.1.5D/A轉換器的主要技術指標分辨率：其定義為D/A轉換器模擬輸出電壓可能被分離的等級數(shù)。n位DAC最多有2n個模擬輸出電壓。位數(shù)越多D/A轉換器的分辨率越高。分辨率也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轉換器的分辨率可表示為1、分辨率當前第22頁\共有58頁\編于星期四\18點2、轉換精度：轉換精度是指對給定的數(shù)字量，D/A轉換器實際值與理論值之間的最大偏差。產(chǎn)生原因：由于D/A轉換器中各元件參數(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。幾種轉換誤差：有如比例系數(shù)誤差、失調誤差和非線性誤差等當前第23頁\共有58頁\編于星期四\18點9.1.6集成D/A轉換器的應用(1)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

當前第24頁\共有58頁\編于星期四\18點

D2

D7

uOD0

D1

2R

2R

2R

2R

R

R

R

D8

D9

R

R

R

uI2R

2R

2R

-

+

RF

IOUT1

IOUT2

VREF

uO

-

+

R

uIOUT2I

IOUT1

倒T形電阻網(wǎng)絡OVIAuu=Iout1＝

I0+I1+I2+…I9根據(jù)虛斷有:當前第25頁\共有58頁\編于星期四\18點(2)

脈沖波產(chǎn)生電路74163具同步清零功能74163和與非門構成十進制計數(shù)器：0000~1001當前第26頁\共有58頁\編于星期四\18點9.2.6集成A/D轉換器及其應用9.2A/D轉換器9.2.1A/D轉換的一般工作過程9.2.2并行比較型A/D轉換器9.2.3逐次比較型A/D轉換器9.2.4雙積分式A/D轉換器9.2.5A/D轉換器的主要技術指標當前第27頁\共有58頁\編于星期四\18點概述ADCDn~D0輸出數(shù)字量輸入模擬電壓能將模擬電壓成正比地轉換成對應的數(shù)字量。1.A/D功能:9.2A/D轉換器當前第28頁\共有58頁\編于星期四\18點2.A/D轉換器分類①并聯(lián)比較型

特點:轉換速度快,轉換時間10ns~1s,但電路復雜。②逐次逼近型

特點:轉換速度適中,轉換時間為幾s~100s,轉換精度高，在轉換速度和硬件復雜度之間達到一個很好的平衡。③雙積分型

特點:轉換速度慢,轉換時間幾百s~幾ms,但抗干擾能力最強。當前第29頁\共有58頁\編于星期四\18點取樣時間上離散的信號保持、量化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轉換的一般工作過程

A/D轉換器一般要包括取樣，保持，量化及編碼4個過程。當前第30頁\共有58頁\編于星期四\18點1.取樣與保持

采樣是將隨時間連續(xù)變化的模擬量轉換為在時間離散的模擬量。

采樣信號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現(xiàn)輸入信號。合理的采樣頻率由采樣定理確定。

采樣定理：設采樣信號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≥2fimax S(t)=1:開關閉合S(t)=0:開關斷開當前第31頁\共有58頁\編于星期四\18點采得模擬信號轉換為數(shù)字信號都需要一定時間，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。采樣保持取樣與保持電路及工作原理當前第32頁\共有58頁\編于星期四\18點2.量化與編碼數(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轉換器輸出的數(shù)字量。量化3.編碼當前第33頁\共有58頁\編于星期四\18點在量化過程中由于所采樣電壓不一定能被整除，所以量化前后一定存在誤差，此誤差我們稱之為量化誤差，用表示。量化誤差屬原理誤差，它是無法消除的。A/D轉換器的位數(shù)越多，各離散電平之間的差值越小，量化誤差越小。兩種近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。4.量化誤差：量化前的電壓與量化后的電壓差5.量化方式當前第34頁\共有58頁\編于星期四\18點011111101011000110100010000Δ=0v7Δ=7/8v6Δ=6/8v5Δ=5/8v4Δ=4/8v3Δ=3/8v2Δ=2/8v1Δ=1/8v輸入信號編碼量化后電壓a)只舍不入量化方式:量化中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。最大量化誤差為：最小量化單位＝1/8VΔ=1LSB=1/8V例：將0~1V電壓轉換為3位二進制代碼當前第35頁\共有58頁\編于星期四\18點b)四舍五入量化方式:量化過程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。最大量化誤差為：最小量化單位：011111101011000110100010000Δ=0v7Δ=14/15v6Δ=12/15v5Δ=10/15v4Δ=8/15v3Δ=6/15v2Δ=4/15v1Δ=2/15v輸入信號編碼模擬電平Δ=1LSB=

2/15V＝1/15V例：將0~1V電壓轉換為3位二進制代碼當前第36頁\共有58頁\編于星期四\18點9.2.2并行比較型A/D轉換器電壓比較器輸入模擬電壓精密電阻網(wǎng)絡精密參考電壓VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15輸出數(shù)字量1、電路組成當前第37頁\共有58頁\編于星期四\18點VI=8VREF/151111000001當前第38頁\共有58頁\編于星期四\18點

vI

CO1CO2CO3CO4CO5CO6CO7

D2D1D0

7VREF/15

vI9VREF/15

0001111100

9VREF/15

vI11VREF/15

0011111101

5VREF/15

vI7VREF/15

0000111011

3VREF/15

vI

5VREF/15000001101011VREF/15

vI13VR/15

011111111013VREF/15

vIVREF/15

1111111111

VREF/15

vI

3VREF/15

0000001001

0vIVREF/15

0000000000

根據(jù)各比較器的參考電壓值，可以確定輸入模擬電壓值與各比較器輸出狀態(tài)的關系。比較器的輸出狀態(tài)由D觸發(fā)器存儲，經(jīng)優(yōu)先編碼器編碼，得到數(shù)字量輸出。當前第39頁\共有58頁\編于星期四\18點3、電路特點：在并行A/D轉換器中，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。所以它的轉換時間最短。缺點是電路復雜，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換的方法。單片集成并行比較型A/D轉換器的產(chǎn)品很多，如AD公司的AD9012(TTL工藝8位)、AD9002(ECL工藝，8位)、AD9020(TTL工藝，10位)等。當前第40頁\共有58頁\編于星期四\18點所加砝碼重量

結果

9.2.3逐次比較型A/D轉換器逐次逼近轉換過程與用天平稱物重非常相似。第一次8克砝碼總重<待測重量Wx

，8克砝碼保留8克第二次再加4克砝碼總重仍<待測重量Wx

，4克砝碼保留12克第三次再加2克砝碼總重>待測重量Wx

，2克砝碼撤除12克第四次再加1克砝碼總重＝待測重量Wx

，1克砝碼保留13克1.轉換原理所用砝碼重量：8克、4克、2克和1克。設待秤重量Wx=13克。當前第41頁\共有58頁\編于星期四\18點1.轉換原理

100…0100…0I

≥5V

1A=6.84VVREF=10V第一個CP：當前第42頁\共有58頁\編于星期四\18點1.轉換原理

第二個CP：010…0110…010I

<7.5VI=6.84VVREF=10V當前第43頁\共有58頁\編于星期四\18點1.轉換原理第三個CP：001…0101…0I

≥6.25V101A=6.84VVREF=10V當前第44頁\共有58頁\編于星期四\18點10000000A=6.84VVREF=10V1010111111000000101000001011000010101000101011001010111010101111當前第45頁\共有58頁\編于星期四\18點小結：1、

逐次比較型A/D轉換器輸出數(shù)字量的位數(shù)越多轉換精度越高；2、逐次比較型A/D轉換器完成一次轉換所需時間與其位數(shù)n和時鐘脈沖頻率有關，位數(shù)愈少，時鐘頻率越高，轉換所需時間越短；當前第46頁\共有58頁\編于星期四\18點9.2.4雙積分式A/D轉換器

1、雙積分式A/D轉換器的基本指導思想

對輸入模擬電壓和參考電壓分別進行兩次積分，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，進而得到相應的數(shù)字量輸出。雙積分式A/D轉換器也稱為電壓－時間－數(shù)字式積分器。當前第47頁\共有58頁\編于星期四\18點1、電路組成當前第48頁\共有58頁\編于星期四\18點00000Cr信號將計數(shù)器清零；開關S2閉合，待積分電容放電完畢后，斷開S2使電容的初始電壓為0。2、工作原理①準備階段：當前第49頁\共有58頁\編于星期四\18點經(jīng)過2n個CP(2)第一次積分：t=t0時，開關S1與A端相接，積分器開始對I積分。經(jīng)2n個CP后,開關切換到B，，=VP。第一積分時間為2nTC當前第50頁\共有58頁\編于星期四\18點VREF加到積分器的輸入端，積分器反方向進行第二次積分；當t=t2時積分器輸出電壓O≥0，比較器輸出C=0，時鐘脈沖控制門G被關閉，計數(shù)停止。(3)第二次積分：當前第51頁\共有58頁\編于星期四\18點T1=2nTC

T2=Tc

T2=t1

t2

在計數(shù)器所計的數(shù)=Qn-1…Q1Q0，就