數(shù)字電子技術(shù)第十一章數(shù)模轉(zhuǎn)換

數(shù)字電子技術(shù)第十一章數(shù)模轉(zhuǎn)換第一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三D/A轉(zhuǎn)換器權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器開關(guān)樹型D/A轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器直接轉(zhuǎn)換型并聯(lián)比較型反饋比較型間接轉(zhuǎn)換型雙積分型(V－T變換型)V－F變換型計(jì)數(shù)型逐次漸進(jìn)型衡量性能的參數(shù)為轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度!本章重點(diǎn)：數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換的原理，以及數(shù)模轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用第二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三11.2.1權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器1.原理11.2D/A轉(zhuǎn)換器深度負(fù)反饋虛短和虛斷第三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三大多數(shù)D/A轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換公式！y=kxD/A轉(zhuǎn)換的本質(zhì)就是建立了數(shù)字量與模擬量之間一一對應(yīng)的正比例關(guān)系！第四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/AC缺點(diǎn)：1.阻值范圍大，不便于集成2.電阻支路，狀態(tài)差異大，工作速度低第五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三11.2.2倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器1.原理電阻網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)：任意節(jié)點(diǎn)向左看的等效電阻皆為R。第六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三倒T形DAC特點(diǎn)：1.電阻種類少，便于集成；2.開關(guān)切換時，各點(diǎn)電位不變；因此，速度快。第七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三集成D/A轉(zhuǎn)換器分類:片內(nèi)集成放大器的和不集成的。

CB7520是片內(nèi)沒有集成放大器的10位D/AC。需外接運(yùn)放需外接基準(zhǔn)電壓源第八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三11.2.7D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度一、轉(zhuǎn)換精度通常用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述。1.分辨率:理論上可以區(qū)分的模擬輸出的最小非零電壓值表示方法：(1)用輸入二進(jìn)制數(shù)字量的位數(shù)表示；如8位D/AC。(2)用模擬輸出電壓的最小值與最大值的比值表示。該比值顯然等于：第九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三轉(zhuǎn)換誤差可分為線性和非線性誤差。指實(shí)際的D/A轉(zhuǎn)換特性和理想轉(zhuǎn)換特性之間的最大偏差。轉(zhuǎn)換誤差的表示形式：(1)最低有效位的倍數(shù)。如:1LSB。(2)輸出電壓滿刻度(FSR,FullScaleRange)的百分?jǐn)?shù)。如:0.1％FSR。2.轉(zhuǎn)換誤差第十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三3.轉(zhuǎn)換誤差分析D/A轉(zhuǎn)換器四個組成部分,均可引起轉(zhuǎn)換誤差,但有不同的特點(diǎn).(1)參考電源引起的誤差稱為比例系數(shù)誤差。第十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三(2)運(yùn)放零點(diǎn)漂移引起的誤差稱為漂移誤差或平移誤差。第十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三(3)模擬開關(guān)的導(dǎo)通內(nèi)阻和導(dǎo)通壓降以及電阻網(wǎng)絡(luò)中電阻的偏差引起的誤差稱為非線性誤差。非線性誤差有時導(dǎo)致轉(zhuǎn)換特性局部非單調(diào)性，從而引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。注意:D/AC分為兩種一種為運(yùn)放和參考電源為外接,另一種都集成在集成D/AC內(nèi)部。前者,在選擇外接參考電源和運(yùn)放時要注意，選擇穩(wěn)定性高的，否則會因?yàn)檎`差而降低精度！總誤差為幾種誤差的疊加第十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三例11.2.110位倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/AC中,VREF=-10V。為保證VREF偏離標(biāo)準(zhǔn)值所引起的誤差小于1/2LSB,試計(jì)算VREF的相對穩(wěn)定度應(yīng)取多少？1.計(jì)算1/2LSB:當(dāng)輸入數(shù)字量Dn=1時，輸出電壓為LSB。故：2.計(jì)算當(dāng)VREF變化量為ΔVREF時所引起的輸出變化量的最大值ΔVOM:輸入數(shù)字量的最大值如|VREF|=10V,允許的參考電源變化量小于5mV第十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三二、轉(zhuǎn)換速度用完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間－－建立時間tset－－來衡量。建立時間:從輸入信號變化開始到輸出電壓進(jìn)入與穩(wěn)態(tài)值相差正負(fù)1/2LSB范圍以內(nèi)的時間。輸入信號由全0變?yōu)槿?所需時間最長不包含運(yùn)放的D/AC建立時間可達(dá)0.1μs當(dāng)外接運(yùn)放時，轉(zhuǎn)換時間還應(yīng)加上運(yùn)放的上升（下降）時間。轉(zhuǎn)換時間建立時間輸出模擬電壓最大值運(yùn)放輸出轉(zhuǎn)換速率第十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三11.3A/D轉(zhuǎn)換器11.3.1A/D轉(zhuǎn)換的基本原理A/D轉(zhuǎn)換的基本步驟：采樣(取樣)保持量化編碼取樣-保持電路A/D轉(zhuǎn)換電路第十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三一、采樣－保持(Sampleandhold)1.取樣定理:為保證從采樣信號恢復(fù)被采樣信號，必須滿足實(shí)際的采樣保持電路中有一個采樣控制信號,它的頻率稱采樣頻率采樣定理又稱為香農(nóng)定理(Shannon).實(shí)際應(yīng)用中，fs取3-5倍的fimaxTsamplingperiodorsamplingintervalNyquist–Shannonsamplingtheorem

第十七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三采樣定理(補(bǔ)充)頻率混疊第十八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三然后：vL為低電平時，T截止，集成運(yùn)放的輸入電阻很大，所以取樣電容CH上的電荷無泄放回路，就可以認(rèn)為在一定時間內(nèi)VO將保持不變。11.3.2取樣－保持電路首先：vL為高電平時，場效應(yīng)管T導(dǎo)通,進(jìn)行取樣,就是vI通過電阻RI對電容CH充電，充電結(jié)束后為：電路缺點(diǎn)：輸入電阻RI過大會降低取樣速度;過小又加重信號源負(fù)載。第十九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三集成A/D轉(zhuǎn)換器LF398在取樣階段，開關(guān)S接通，運(yùn)放AI,A2構(gòu)成兩級電壓跟隨器,既VO’＝VI,對電容CH充電，充電結(jié)束后為：二極管D1,D2和電阻R1構(gòu)成保護(hù)電路。在取樣階段，S接通，D1,D2截止，保護(hù)電路不起作用。第二十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三二、量化和編碼量化:完成模擬量在數(shù)值上的離散化,轉(zhuǎn)化為最小數(shù)量單位Δ的整數(shù)倍。編碼:用二進(jìn)制代碼表示量化后的輸入模擬電壓。兩種不同的量化方案，比較其量化誤差特性的變化。相當(dāng)于取整量化相當(dāng)于4舍5入量化量化誤差第二十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三將輸入模擬電壓直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，不經(jīng)過中間變量。采用第二種量化方案，即Δ

=2VREF/15轉(zhuǎn)換過程：根據(jù)量化方案比較輸入模擬信號的大小，然后對比較的結(jié)果進(jìn)行編碼。特點(diǎn)：速度快，轉(zhuǎn)換時間小于50ns；需要大量的比較器和觸發(fā)器；不需要采樣保持電路！11.3.3并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器第二十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三量化轉(zhuǎn)換表第二十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三11.3.4反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器原理：將一數(shù)字量加到D/A轉(zhuǎn)換器上，再把D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬電壓與輸入模擬電壓相比較。若不相等，則修改數(shù)字量，直到兩模擬電壓相等，此時對應(yīng)的數(shù)字量就是轉(zhuǎn)換結(jié)果。數(shù)字量第二十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三1.計(jì)數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器特點(diǎn)：(1)電路簡單；(2)速度慢。最長轉(zhuǎn)換時間可達(dá)2n-1個時鐘信號周期。第二十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三2.逐次漸近型A/DC:轉(zhuǎn)換原理類似于用天平稱未知重量物體的過程第二十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三第一次積分:對輸入模擬電壓定時積分,時間為T1,由控制邏輯電路決定第二次積分:對參考電源VREF定速積分,VO的變化速度由VREF,R和C決定1.雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器11.3.5間接A/D轉(zhuǎn)換器第二十七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三第一次積分結(jié)束時電容電壓，即T1時刻電容電壓Vc，即Vo值為：第二次(反向)積分結(jié)束時積分器輸出電壓為0，設(shè)積分時間T2，即即說明T2和VI成正比！第二十八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三設(shè)時鐘周期為TC,計(jì)數(shù)的脈沖個數(shù)DC,則第二十九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三特點(diǎn):性能穩(wěn)定,轉(zhuǎn)換結(jié)果與R,C無關(guān);也與時鐘周期TC無關(guān)。這是兩次積分的結(jié)果,抗干擾能力強(qiáng)。速度慢,完成一次轉(zhuǎn)換時間最大達(dá)到了2T1，即2n+1TC第三十頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三11.3.6V-F變換型A/D轉(zhuǎn)換器速度慢。這是由于計(jì)數(shù)型原理決定的。第三十一頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三11.3.7A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度一、A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度采用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述。1.分辨率：能區(qū)分的最小輸入模擬電壓。用輸出數(shù)字量位數(shù)表示。當(dāng)位數(shù)為n位時,能區(qū)分的最小電壓為FSR/2n2.轉(zhuǎn)換誤差：通常以輸出誤差最大值的形式給出.表示實(shí)際輸出數(shù)字量與理論上應(yīng)有的輸出數(shù)字量之間的差別。多以最低有效位的倍數(shù)表示。如轉(zhuǎn)換誤差≤1/2LSB有時也以滿量程的百分?jǐn)?shù)給出。如轉(zhuǎn)換誤差為0.5％FSR使用時要注意環(huán)境溫度、電源電壓等條件。第三十二頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三二、A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度不同類型間速度相差懸殊。并聯(lián)比較型最快。轉(zhuǎn)換時間小于<1微秒。逐次漸近型次之。轉(zhuǎn)換時間多在10～100微秒/次之間。雙積分型速度最低。轉(zhuǎn)換時間多在數(shù)十毫秒到數(shù)百毫秒之間。在速度要求高的場合,還要考慮取樣－保持電路的獲取時間(微秒數(shù)量級)本章完全書玩啦！第三十三頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三[題11.3]（2）十位D/A轉(zhuǎn)換器，VREF=5V,求輸出電壓。輸入全1時D=210-1,故輸入全0時D=0,故輸入為1000000000時D=29,故第11章習(xí)題第三十四頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三[題11.5]10位D/A轉(zhuǎn)換器，VREF=-10V,畫輸出波形。解：計(jì)數(shù)器狀態(tài)為0000時，模擬輸出為0；當(dāng)狀態(tài)為0001時，D/A輸入數(shù)字量為0001000000，輸出為：編碼＋1遞增，所以模擬電平輸出也按0.625V遞增。第三十五頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三0.625VCPtt0(V)1160[題11.5]答案第三十六頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三[題11.8]畫輸出波形。第三十七頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三解：易求出D/A轉(zhuǎn)換器輸出最小電壓為0.5V，存儲器中的數(shù)依次為0，1，3，7，15，15，7，3，1，0，1，3，5，7，9，11。0.5CPt0t0(V)116[題11.8]答案第三十八頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三[題11.9]如11.8電路產(chǎn)生如下波形，應(yīng)如何修改RAM數(shù)據(jù)，CLK信號頻率為多少？第三十九頁，共四十一頁，編輯于2023年，星期三[題11.16]10位逐次漸進(jìn)型A/D轉(zhuǎn)換器，時鐘頻率為1MHz，求完成一次轉(zhuǎn)換操作所需時間。