数字电子技术基础课件阎石主编第五版第十一章

第十一章数－模和模－数转换教学内容§11.1概述§11.2D/A转换器§11.3A/D转换器教学要求1、掌握DAC和ADC的定义及应用；2、了解DAC的组成、倒T型电阻网络、集成D/A转换器、转换精度及转换速度；3、了解ADC组成、逐次逼近型A/D转换器、积分型A/D转换器、转换精度及转换速度。11.1概述模－数转换（A/D转换）：将模拟信号转换为数字信号。实现A/D转换的电路称为A/D转换器，简写为ADC(Analog-DigitalConverter)数－模转换（D/A转换）：将数字信号转换为模拟信号。实现D/A转换的电路称为D/A转换器，简写为DAC(Digital-AnalogConverter)例如：对于0~5V的直流电压，计算机用8位数字量来描述时：最小值（00000000）B=0对应0V，最大值（11111111）B=255对应5V，中间值（01111111）B=127对应2.5V等D/A的任务是接收到一个数字量后，给出一个相应的电压。比如收到（00111111）B，应给出幅度为1.25V的电压。11.2D/A转换器将数字信号转换为模拟信号的电路。电阻网络模拟电子开关求和放大器参考电压一、权电阻网络D/A转换器集成运放通过RF接入负反馈，有虚短，V-≈V+=0)(0123IIIIRiRvFFo33dRVIREF222dRVIREF1212dRVIREF0302dRVIREF)2222(2001122334ddddVvREFo取RF=R/2)22...22(200112211ddddVvnnnnnREFon位权电阻网络D/A转换器，当反馈电阻取为R/2时，输出电压的计算公式：输出电压的变化范围:REFnnV212~0优点：结构简单，所用的电阻元件数很少。缺点：各电阻的阻值相差较大，不能保证有很高的精度。二、倒T形电阻网络D/A转换器电阻网络模拟电子开关求和放大器由于V-≈V+=0,所以开关S合到哪一边，都相当于接到了“地”电位，流过每条电路的电流始终不变。可等效为：012316842dIdIdIdIi取RF=R)2222(2001122334ddddVRivREFoRVIREFn位输入的倒T形电阻网络D/A转换器，当反馈电阻取为R时，输出电压的计算公式：)22...22(200112211ddddVvnnnnnREFo优点：（1）只有R和2R两种阻值的电阻，可达到较高的精度；（2）各支路电流恒定不变，在开关状态变化时，不需电流建立时间，所以电路转换速度高，使用广泛。CB7520电路原理图三、权电流型D/A转换器恒流源恒流源模型：EiBEEEBiRVVVI只要电路工作时保证VB和VEE稳定不变，则三极管的集电极电流即可保持恒定，不受开关内阻的影响。)2222(2)2222(0011223340413223ddddIRdIdIdIdIRRivFFFo为减少电阻阻值的种类，在实用的权电流型D/A转换器中，经常利用倒T形电阻网络的分流作用产生一组所需的恒流源。按比例加大发射结的面积DAC0808电路结构框图已知VREF=10VkRR5kRF5nnRREFFnFoDDRVRDIRv88821022五、D/A转换器的主要参数（1）分辨率：D/A转换器理论上可达到的精度。1.D/A转换器的转换精度分辨率也可用D/A转换器能够分辨出来的最小输出电压与最大输出电压的比值来表示。10位D/A转换器的分辨率为：分辨率可以用输入二进制数码的位数给出。（2）转换误差：D/A转换器实际上能达到的转换精度。可以用输出电压满刻度值的百分数表示，也可用最低位有效值的倍数表示。如：转换误差为0.5LSB，表示输出模拟电压的绝对误差等于当输入数字量的LSB＝1时，其余各位均为0时输出模拟电压的一半。转换误差可分为静态误差和动态误差。产生静态误差的原因是基准电源不稳定、运放的零点漂移、模拟开关导通时的内阻和压降及电阻网络中阻值的偏差等；动态误差则是在转换的动态过程中产生的附加误差。（1）建立时间tset：指输入数字量各位由全0变为全1或由全1变为全0时,输出电压达到某一规定值所需要的时间。通常建立时间在100ns~几十s之间。2.D/A转换器的转换速度（2）转换速率SR：指输入数字量各位由全0变为全1或由全1变为全0时，输出电压的变化率。11.3A／D转换器A/DUI输入模拟电压D7~D0输出数字量0~5V00000000~11111111一、A/D转换的基本原理dn-1d1d0数字量输出(n位)ADC的数字化编码电路CPSSCADC采样-保持电路采样展宽信号输入模拟电压ui(t)us(t)…取样－保持取样是对模拟信号进行周期性地抽取样值的过程，就是把随时间连续变化的信号转换成在时间上断续、在幅度上等于取样时间内模拟信号大小的一串脉冲。取样定理：fs≥2fi(max)输入模拟信号的最高频率分量的频率取样频率量化－编码将取样－保持电路的输出电压，按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上，这一转化过程称为数值量化，简称量化。量化后的数值最后还须通过编码过程用一个代码表示出来，这一过程称为编码。将取样电压表示为一个最小单位的整数倍，所取的最小数量单位称为量化单位，用表示。最大量化误差为△，即1／8V最大量化误差为1/2△，即1／15V取81取152对双极性模拟电压的量化和编码二进制补码的形式编码二、直接A/D转换器并联比较型0≤vi＜VREF/15时，7个比较器输出全为0，CP到来后，7个触发器都置0。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0＝000。时，7个比较器中只有C1输出为1，CP到来后，只有触发器FF1置1，其余触发器仍为0。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0=001。15315REFiREFVuV时，比较器中C1、C2输出为1，CP到来后，触发器FF1、FF2置1，其余触发器仍为0。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0=011。155153REFiREFVuV反馈比较型逐次比较型A／D转换器其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四个砝码共重15克，每个重量分别为8、4、2、1克。设待秤重量Wx=13克，可以用下表步骤来秤量：砝码重第一次第二次第三次第四次加4克加2克加1克8克砝码总重待测重量Wx，故保留砝码总重仍待测重量Wx，故保留砝码总重待测重量Wx，故撤除砝码总重＝待测重量Wx，故保留暂时结果8克12克12克13克结论转换开始前先将所有寄存器清零。开始转换以后，时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为100…0。这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压uo，送到比较器中与ui进行比较。若ui＜uo，说明数字过大了，故将最高位的1清除；若ui＞uo，说明数字还不够大，应将这一位保留。然后，再按同样的方式将次高位置成1，并且经过比较以后确定这个1是否应该保留。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。－[phone]D/Avi(待转换的模拟电压)vovc控制逻辑数码寄存器移位寄存器时钟清0、置数清0、置数CP、(移位命令)“1”状态是否保留控制端原理框图三、间接A/D转换器双积分型又称为电压－时间变换型（V－T变换型）首先使积分电容C完全放电。固定时间积分反方向积分第一步，对输入模拟电压进行固定时间T1积分;第二步，对基准电压进行反向积分，使电容放电，放光为止（即vo=0）。对反向放电时间计数，它与输入幅度成正比。四、A/D转换器的主要参数A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示，位数越多，误差越小，转换精度越高。例如，输入模拟电压的变化范围为0～5V，输出10位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V×2－10＝4.88mV。(1)分辨率：1.A/D转换器的转换精度（2）转换误差通常以输出误差最大值的形式给出，一般多以最低有效位的倍数给出。有时也用满量程输出的百分数给出转换误差。2.A/D转换器的转换速度转换速度是指完成一次转换所需的时间。转换时间是指从接到模拟输入信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间。课程结束