數(shù)字電路郭建才主講-第八章課件

概述第

8章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器

本章小結(jié)A/D轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器

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。

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。

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行數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換？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)字控制計算機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時的模擬輸出電壓(用ULSB

表示)。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，相應(yīng)2R

支路接虛地；打向“0”側(cè)時，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：II3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI3RRRABC從A、B、C節(jié)點向左看去，各節(jié)點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

正好代表了二進制數(shù)位Di

的權(quán)值2i。即I3=23

I0，I2=22

I0，I1=21

I0，I0=20

I0

模擬開關(guān)Si

受相應(yīng)數(shù)字位Di

控制。當(dāng)Di=1

時，開關(guān)合向“1”側(cè)，相應(yīng)支路電流Ii

輸出；Di=0時，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

·

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。

(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。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算放大器。

3.

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

轉(zhuǎn)換精度

指DAC實際輸出模擬電壓與理想輸出模擬電壓間的最大誤差。它是一個綜合指標，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。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，便于和微處理器進行連接，多用于微機控制系統(tǒng)中。

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基準電壓輸入端

VREF

可正可負

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

兩個輸出端，一般將OUT2

接地，OUT1

接運放反向端。

寫信號控制端

[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)整運放增益，電容

C

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

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

D7D6D5D4D3D2D1D0=

11111111

時，輸出為滿度值。uO=-

UFSR

-9.961V。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

一、A/D轉(zhuǎn)換的基本原理和一般步驟

“[]”表示取整。基本原理ADCD0D1Dn-2Dn-1…uI模擬輸入信號n

位二進制數(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。

△稱為ADC的單位量化電壓或量化單位，它是ADC的最小分辨電壓。采樣：把時間連續(xù)變化的信號變換為時間離散的信號。

保持：保持采樣信號，使有充分時間轉(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)字量采樣信號是否會丟失原信號的信息呢？對信號進行量化會引起誤差嗎？量化誤差大小與ADC的位數(shù)、基準電壓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，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，量化時舍去余數(shù)而引起的誤差。

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)VVREFuIRR/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

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

0000001001uIVREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型ADC0000011010uIVREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型ADC0000111011uIVREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型ADC0001111100uIVREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型ADC0011111101uIVREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型ADC0111111110uIVREFuIRR/2RRRRRRD2

(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型ADC1111111111uI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，但價格貴；雙積分型ADC精度高、抗干擾能力強，但速度慢；逐次逼近型速度較快、精度較高、價格適中，因而被廣泛采用。指ADC實際輸出數(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數(shù)碼時，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。3.轉(zhuǎn)換時間轉(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)字信號所需要的時間。轉(zhuǎn)換時間越小，轉(zhuǎn)換速度越高。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)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