数--模与--模数转换电路

第7章数/模与模/数转换电路课时：3学时安徽电子信息职业技术学院信息工程系第7章数/模与模/数转换电路7.1D/A转换器7.2A/D转换器本章小结7.1D/A转换器7.1.1D/A转换器的基本原理7.1.2倒T型电阻网络D/A转换器7.1.3D/A转换器的主要技术指标7.1.4D/A转换器应用举例7.1.5D/A转换器的主要技术指标7.1.1D/A转换器的基本原理对于有权码，先将每位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现数字/模拟转换。D/A转换器DDD01n-1...vo输入输出01234567001010011100101110111vo/VD0007.1.2倒T形电阻网络D/A转换器所以，无论Si处于何种位置，与Si相连的2R电阻均接“地”（地或虚地）。图中S0～S3为模拟开关，由输入数码Di控制，当Di=1时，Si接运算放大器反相输入端（虚地），电流Ii流入求和电路；当Di=0时，Si将电阻2R接地。DDDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+AvoiΣf1682R2R+V2RRI4R4IREFI8II2R2RIRIII1622基准电流:I=VREF/R，流过各开关支路（从右到左）的电流分别为I/2、I/4、I/8、I/16。将输入数字量扩展到n位，则有：可简写为：vO=－KNB)2(2304iiiREFDRV输出电压：fRivO)2(2304iiiREFfDVRR)]2([210OiniinREFfDVRRv)2222(13223140DDDDRViREF总电流：nREFfVRRK2其中：分析计算：7.1.3权电流型D/A转换器为进一步提高D/A转换器的转换精度，可采用权电流型D/A转换器。图示为一4位权电流D/A转换器原理电路。这组恒流源从高位到低位电流的大小依次为I/2、I/4、I/8、I/16。DDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+AvoiΣfI24I8I16IVREFD7.1.4D/A转换器应用举例DAC0808是8位权电流型D/A转换器，其中D0～D7是数字量输入端。使用时，需要外接运算放大器和产生基准电流用的电阻R1。当VREF=10V、R1=5kΩ、Rf=5kΩ时，输出电压为：7087018O221022iiiiiiREFfDDRVRv56789101112DDDDDDDD01234567vO+5kΩ5kΩ5kΩREFV0.01μF13CCV=+5VEEV=-15VA数字量输入模拟量输出DAC0808（LSB）（MSB）141524163Rf1RDAC0808D/A转换器输出与输入的关系（设VREF=10V）1.转换精度7.1.5D/A转换器的主要技术指标（2）转换误差——比例系数误差、失调误差、非线性误差。此外，也可用D/A转换器的最小输出电压(数字量：00000001)与最大输出电压(数字量：全1）之比来表示分辨率，N位D/A转换器的分辨率可表示为1/（2n-1）。（1）分辨率——D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。输入数字量位数越多，分辨率越高。所以，在实际应用中，常用数字量的位数表示D/A转换器的分辨率。vO=-KNB最小vO=-KNB=-K×1最大vO=-KNB=-K×(2n-1))2(10BiniiDN7.1.5D/A转换器的主要技术指标2.转换速度3.温度系数——在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高1℃，输出电压变化的百分数作为温度系数。（2）转换速率（SR）——在大信号工作状态下模拟电压的变化率。（1）建立时间（tset）——当输入的数字量发生变化时，输出电压变化到相应稳定电压值所需时间。最短可达0.1μS。7.2A/D转换器7.2.1A/D转换器的基本原理7.2.2并行比较型A/D转换器7.2.3逐次比较型A/D转换器7.2.4双积分型A/D转换器7.2.5A/D转换器的主要技术指标7.2.1A/D转换器的基本原理一．A/D转换的一般步骤由于输入的模拟信号在时间上是连续量，所以一般的A/D转换过程为：取样、保持、量化和编码。CPSSADC取样保持电路ADC的量化编码电路...DDDn-110vI（t）vI（t）输入模拟电压取样展宽信号数字量输出（n位）oovtIv二．取样—保持电路电路组成及工作原理（取Ri=Rf）:当vL为高电平时，T导通，vI经Ri和T向电容Ch充电。vO=－vI=vC。当vL返回低电平后，T截止。Ch无放电回路，所以vO的数值可被保存下来。RRIvLvTAChvofitvIooLvt01tvI00110110vIt基本原理：7.2.2并行比较型A/D转换器3位并行比较型A/D转换器CCCCCCC4CCCCO4CCCRRRRRRRR/2VREFVREFREFVVREFVREF15151515131131DQQC11D1D码QD(MSB)编1DQ先2QQQ1D1D优C1器C11D01D(LSB)C11C1C1C1DICPv电压比较器寄存器代码转换器O7O1O2O6O5O31762531234567IIIIIII7654321并行比较型A/D转换器真值表输入模拟电压寄存器状态数字量输出D2D1D0Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1（0～1/15）VREF（1/15～3/15）VREF（3/15～5/15）VREF（5/15～7/15）VREF（7/15～9/15）VREF（9/15～11/15）VREF（11/15～13/15）VREF（13/15～1）VREF00000000000001000001100001110001111001111101111111111111000001010011100101110111输入输出EII0I1I2I3I4I5I6I7A2A1A0GSEO1××××××××11111011111111111100×××××××0000010××××××01001010×××××011010010××××0111011010×××01111100010××011111101010×01111111100100111111111101P96集成优先编码器——74148（8线-3线）7.2.3逐次比较型A/D转换器1．转换原理：G≈d3g3+d2g2+d1g1+d0g0di1有效0无效有效砝码的总重量逐次逼近重物的重量：2．转换框图：vIREFV＜169VREF10＜16设：vICvD/A转换器移位寄存器数据寄存器REFVOv控制逻辑模拟量0D1D2DD3QQQ2Q13031Q0Q2QQvIREFV＜169VREF10＜16设：3．逻辑电路RSQC1RSQC11DS1RCQ1DS1RCQ1DS1RCQ1D123401DRQQQQQABCDESCPABCDEF移位寄存器DDDD123转换器D/AVFFFFFFFFFF01234数据寄存器DDDD32100&CPQ5启动脉冲+5V+5V+5VC1REF（MSB）（LSB）vIvOvC1GG12FF510111111010000REF168V1111REF1612V0010100111111011010)2(2'304OiiiREFDVv101007.2.4双积分型A/D转换器它由积分器、过零比较器（C）、时钟脉冲控制门（G）和定时器、计数器（FF0～FFn）等几部分组成。C1nFFR1J1KC1n-1FFR1J1KC11FFR1J1KC10FFR1J1K1111ACRCvOvCTCS2n级计数器DDDn-110...（MSB）（LSB）数字量输出Qn-1Q1Q0QnCR+A1ISVvREFSVB1CP&vGTλ2T2ptv11T（2）第一次积分阶段工作原理：（1）准备阶段计数器清零，积分电容放电，vO=0V。t=0时，开关S1与A端接通，输入电压vI加到积分器的输入端。积分器从0开始积分：tdtvv0IO1vG(b)(e)ttv(d)(a)tontv(c)vs1Q0tc0000REFVvI+T1由于vO0V，过零比较器输出vC=1，控制门G打开。计数器从0开始计数。t=T1=2nTC经过2n个时钟脉冲后，触发器FF0～FFn－1都翻转到0态，而Qn=1，开关S1由A点转到B点，第一次积分结束。第一次积分时间为：（3）第二次积分阶段第一次积分结束时，积分器的输出电压VP为：当t=t1时，S1转接到B点，基准电压－VREF加到积分器的输入端；积分器开始反向积分。当t=t2时，积分器输出电压vO0V，比较器输出vC=0，控制门G被关闭，计数停止。ICI1P2VTVTVndtVVtvtt)(1)(21REFP2O同时，N级计数器又从0开始计数。在此阶段结束时vO的表达式可写为：设T2=t2－t1，于是有：设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为λ，则：可见，T2与VI成正比，T2就是双积分A/D转换过程的中间变量。上式表明，计数器中所计得的数λ（λ=Qn-1…Q1Q0），与在取样时间T1内输入电压的平均值VI成正比。只要VIVREF，转换器就能将输入电压转换为数字量。0)(1)(21REFP2OdtVVtvttI2REF2VTTVCnT2=λTCIREFC22VVTTnIREFC22VVTTn7.2.5A/D转换器的主要技术指标（1）分辨率——说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。一般以输出二进制（或十进制）数的位数表示。因为，在最大输入电压一定时，输出位数愈多，量化单位愈小，分辨率愈高。1.转换精度例如，相对误差≤±LSB/2，就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。（2）转换误差——它表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。2.转换时间——指从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。并行比较A/D转换器转换速度最高；逐次比较型A/D转换器次之；间接A/D转换器的速度最慢。本章小结1．A/D和D/A转换器是现代数字系统的重要部件，应用日益广泛。5．A/D转换器和D/A转换器的主要技术参数是转换精度和转换速度，在与系统连接后，转换器的这两项指标决定了系统的精度与速度。目前，A/D与D/A转换器的发展趋势是高速度、高分辨率及易于与微型计算机接口，用以满足各个应用领域对信号处理的要求。2．倒T型电阻网络D/A转换器中电阻网络阻值仅有R和2R两种，各2R支路电流Ii与Di数码状态无关，是一定值。由于支路电流流向运放反相端时不存在传输时间，因而具有较高的转换速度。3．在权电流型D/A转换器中，由于恒流源电路和高速模拟开关的运用使其具有精度高、转换快的优点，双极型单片集成D/A转换器多采用此种类型电路。4．不同的A/D转换方式具有各自的特点，并行A/D转换器速度高；双积分A/D转换器精度高；逐次比较型A/D转换器在一定程度上兼有以上两种转换器的优点，因此得到普遍应用。