清华大学数字电路 十一章

第十一章数-模（D/A）和模-数（A/D）转换11.1概述一、用途及要求传感器放大器A/D转换微型计算机控制对象D/A转换温度时间！精度！速度电加热炉热电偶执行机构三、分类变换型变换型间接型反馈比较型并联比较型直接型权电容网络开关树型权电流型形电阻网络倒权电阻网络FVTVDADACDACDACDACTDACAD//11.2D/A转换器D111101…D/AA(电压或电流)？11.2.1权电阻网络D/A转换器一、电路结构和工作原理权电阻网络模拟开关求和放大器0000IOIViVVRiAA，且必有当接成深度负反馈时，为理想放大器，即设负反馈放大器：,,权电阻网络模拟开关求和放大器控制受数字0303ddSS~~点流向时，时，iiiiIdId100RVIRVIRVIRVIRVIREFREFREFREFiREFi031221302222权电流：权电阻网络模拟开关求和放大器)()()(001122334031223012322222222ddddVdRVdRVdRVdRVRIIIIRiRVREFREFREFREFREFFFFO输出电压：2RRF•优缺点：•1.优点：简单•2.缺点：电阻值相差大，难于保证精度，且大电阻不宜于集成在IC内部11.2.2倒T形电阻网络DAC希望用较少类型的电阻，仍然能得到一系列权电流RRRR)()()()(16842010123IdIdIdIdiIdiIdiiii流入地端时，流入时，DVddddRVRRiVREFREFO40011223342222221)(DVddddRVRRiVnnREFnnnnnREFO222222100112211)(位输入时，应有对REFnnOnnVVD2120120~,~范围为为“正”取“负”则得OREFVVDVddddRVRRiVREFREFO40011223342222221)(7520CB实例：11.2.6具有双极性输出的DAC当输入数字量有±极性时，希望输出的模拟电压也对应为±。一、原理例：输入为3位二进制补码。最高位为符号位，正数为0，负数为1补码输入对应的十进制要求的输出D2D1D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V原码输入对应的输出偏移后的输出D2D1D0111+7V+3V110+6V+2V101+5V+1V100+4V0V011+3V-1V010+2V-2V001+1V-3V0000V-4V补码输入对应的十进制要求的输出D2D1D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4VD/A*将符号位反相后接至高位输入*将输出偏移使输入为100时，输出为01二、电路实现VVVVVVVVddddddVVVOOOOOREF410071111001000022228810120011223则则)(.*将符号位反相后接至高位输入*将输出偏移使输入为100时，输出为0即可只需令时，输入时，使输入偏移RVIRViIRVIiVVREFBBBREFO2222100010042,.11.2.7DAC的转换精度与速度一、转换精度1.分辨率（理论精度）•用输入数字量的二进制数码位数给出•n位DAC,应能输出0~2n-1个不同的等级电压，区分出输入的00···0到11···1，2n-1个不同状态2.转换误差（实际精度）•用最低有效位的倍数来表示•有时也用绝对误差与输出电压满刻度的百分数来表示二、误差分析nnREFOnnREFOREFDVVDVVV221引起的误差.移零点漂移导致的曲线漂由漂移误差OpA.2，电阻网络的偏差引起为模拟开关的导通内阻不非线性误差03.对值相加总误差：几种误差的绝*）。的相对稳定度（试求偏差引起的误差）中，若保证由形位倒（例：REFREFREFREFVVVLSBVDACTG211075205111022121221REFREFOnnnREFOVLSBVVDDVVLSB产生的输出电压为：）时，所以（因为在输出产生的电压为,REFOnnnnREFOOREFVVDDVVVV1010212122)(,最大误差时对应为产生的由%.0502112221221221110101111101011REFREFREFREFREFOVVVVVV所以即要求D111101…A/DA(电压或电流)？11.3A/D转换器11.3.1A/D转换的基本原理输入连续变化电压，输出为不连续的数字量(max))~((max),iSiSffff532一般取一、采样定理二、量化和编码1.量化：将采样电压表示为最小数量单位（Δ）的整数倍2.编码：将量化的结果用代码表示出来（二进制，二-十进制）3.量化误差：当采样电压不能被Δ整除时，将引入量化误差111110101100011010001000111110101100011010001000输入信号1V7/8V6/8V5/8V4/8V3/8V2/8V1/8V0二进制代码输入信号二进制代码1V13/15V11/15V9/15V7/15V5/15V3/15V1/15V0代表的模拟电压7=7/8（V）6=6/8（V）5=5/8（V）4=4/8（V）3=3/8（V）2=2/8（V）1=1/8（V）0=0（V）代表的模拟电压7=14/15（V）6=12/15（V）5=10/15（V）4=8/15（V）3=6/15（V）2=4/15（V）1=2/15（V）0=0(V）11.3.2抽样保持电路！加大输入电阻！减小输出电阻！Av=111.3.3并联比较型A/D转换器并联比较型00000001510RV~0000001153151RRVV~0000011155153RRVV~0000111157155RRVV~0001111159157RRVV~00111111511159RRVV~011111115131511RRVV~111111115151513RRVV~RV151RV153RV155RV157RV159RV1511RV1513量化00000001510RV~0000001153151RRVV~0000011155153RRVV~0000111157155RRVV~0001111159157RRVV~00111111511159RRVV~011111115131511RRVV~111111115151513RRVV~输入→量化→编码1111101011000110100010002、特点*快，CLK触发信号到达到输出稳定建立只需几十纳秒*精度，受参考电压、分压网络等因素影响*有存储器，不需要S/H电路*电路规模，n位需要2n-1比较器，触发器11.3.4反馈比较型A/D转换器1.计数型基本原理：取一个“D”加到DAC上，得到模拟输出电压，将该值与输入电压比较，如两者不等，则调整D的大小，到相等为止，则D为所求值！简单！慢CLKnT）最多需要（122、逐次渐近型..,,.nVVVVIOIO”再将次高位置“””，改为“则去掉“则保留若”高位先置“1201111次就够了只要比较n！电路不太复杂！较快100003位：5个CLKN位:(n+2)个CLK11.3.5双积分型A/D转换器双积分型（V-T变换型）先将V转换成与之成正比的时间宽度信号，然后在这个时间内用固定频率脉冲计数IOTIIOIILVVVRCTdtRVCVVTTVSSV所以不变期间的积分，积分器作固定时间第一步，断开转换开始起始状态：计数器清零10111101121)(,..IREFIREFITREFOOREFIVVTTTRCVTRCVTRCVdtRVCVVVS1212100102积分器作反相积分，至第二步：IREFCCCCCVVTTfTDfTfT1221则脉冲计数，期间用固定的频率令计数器在)(IREFCIREFCCVVNDNTTVVTTfTD112若电路实现IREFnCnVVDTT221，若11.3.6V-F变换型A/D转换器11.3.7ADC的转换速度与转换精度一、速度取决于电路结构类型并联比较型：1微秒逐次渐近型：10~100微秒/次双积分型：几十毫秒/次二、转换精度1.分辨率：以输出二进制或十进制的位数表示，说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。2.转换误差：通常以输出误差最大值的形式给出，表示实际输出的数字量和理论上应有的输出数字量之间的差别。