数字电子技术第10章-数模与模数转换器

1电子技术基础第十章数模与模数转换器数字电子技术2第十章数模与模数转换器§10.1概述§10.2数/模转换器§10.3模/数转换器3概述由于系统的实际对象往往都是一些模拟信号，要使计算机或数字仪表能识别、处理这些信号，必须将这些信号转换成数字信号，处理后的信号也需要将其转换成相应的模拟信号才能为实行机构接受。计算机模拟信号模拟信号A/DD/AA/D：AnalogtoDigitalD/A：DigitaltoAnalog4将数字量成正比地转换成模拟量，即D/An=4位8位10位12位16位n位数字量模拟量0~5V或0~10VD/A转换器功能§10.1数/模转换器(DAC)5由于构成数字代码的每一位都有一定的“权重”，因此为了将数字量转换成模拟量，就必须将每一位代码按其“权重”转换成相应的模拟量，然后再将代表各位的模拟量相加，即可得到与该数字量成正比的模拟量，这就是构成D/A变换器的基本思想。D/A变换器的电路形式很多，这里只介绍三种。6一、权电阻网络型D/A转换器：VREF+-VoD3D2D1D0I0I1I2I323R22R21R20RIR/2(MSB)(LSB)S0S1S2S3D3D2D1D0S0S1S2S3所谓“权电阻”，是指电阻值的大小，与有关数字量的权重密切相关。这种变换器由“电子模拟开关”、“权电阻求和网络”、“运算放大器”和“基准电源”等部分组成。7VREF+-VoD3D2D1D0I0I1I2I323R22R21R20RIR/2(MSB)(LSB)S0S1S2S3D3D2D1D0S0S1S2S3电子开关：Dn=1时，Sn接VREF；Dn=0时，Sn接地端。8T2管饱和导通，1T1T2SDa模拟电子开关的简化原理电路当D=1时，1T2Sa0T1SS点与a点相通，T1管截止，而a点在电路中和VREF连。9T2管截止，1T1T2SDa模拟电子开关的简化原理电路当D=0时，0T2SaT1管饱和导通，1T1SS点与地相通。10VREF+-VoD3D2D1D0I0I1I2I323R22R21R20RIR/2(MSB)(LSB)23R22R21R20RVREFI1=2I0I2=4I0I3=8I0当D3D2D1D0=1111时：S0S1S2S3D3D2D1D0(LSB)(MSB)I=I0+I1+I2+I3最低位最高位I0=VREF23R参考电压11VREF+-VoD3D2D1D0I0I1I2I323R22R21R20RIR/2(MSB)(LSB)I=I0+I1+I2+I3=VREF23R(D323+D222+D121+D020)12VREF+-VoD3D2D1D0I0I1I2I323R22R21R20RIR/2(MSB)(LSB)VREF24=-(8D3+4D2+2D1+D0)2RIVo13显然，输出模拟电压的大小直接与输入二进制数的大小成正比，从而实现了数字量到模拟量的转换。权电阻网络D/A转换器电路结构简单，转换速度也属于较快的一种，但随着输入二进制位数的增加，电阻的种类和阻值间的差异必然增加。这样会影响电路转换的精度，特别是阻值差异太大，会给集成造成困难。权电阻网络D/A转换器的特点：n位权电阻网络D/A转换器的输出：VoVREF2n=−(2n-1Dn-1+2n-2Dn-2+…+D0)14二、倒T型电阻网络D/A转换器基准电流I=VREF/R，则流过各开关支路（从右到左）的电流分别为I/2、I/4、I/8、I/16。于是得总电流：I∑=I0+I1+I2+I3RVREFRRR2R2R2R2R+–AVoS2S3S1S0I2RI/8I/4I/2I∑I16I16D0D1D2D315II∑=I3+I2+I1+I0Vo=–RI∑VREFRRR2R2R2R2R+–AVoS2S3S1S02RI/8I/4I/2I∑I16I16D0D1D2D3R=VREF24(D323+D222+D121+D020)–=2ID3+4ID2+8ID1+16ID016n位倒T型D/A转换器输出电压：Vo=–RfI∑若反馈电阻为Rf，则输出电压为：=VREF24(D323+D222+D121+D020)–RfR∙VO=VREF2n(Di2i)–RfR∙10ni[]倒T型D/A转换器的特点：倒T型D/A转换器的各支路电流直接流入运算放大器的输入端，不存在传输上的时间差，提高了转换速度，减小了动态过程中可能出现的负脉冲。是目前广泛使用的D/A转换器中较快的一种。17三、权电流网络型D/A转换器+-VoRf-VREFI/16I/8I/4I/2S0S1S2S3iID0D1D2D3VoIRf24(8D3+4D2+2D1+D0)=每个支路电流的大小，与有关数字量的权重密切相关。18§10.2D/A转换器的主要技术指标1分辨率用输入数字量的有效位数来表示分辨率。此外，也可以用D/A转换器能够分辨出来的最小输出电压(此时输入的数字代码只有最低有效位为1，其余各位都是0)与最大输出电压(此时输入的数字代码所有各位全是1)之比来给出分辨率。例如，对一个十位D/A转换器来说，分辨率为＝210－1110231＝0.001分辨率=2n－11192转换误差转换误差通常指实际能达到的转换特性与理想转换特性之间的偏差，一般以最低有效位的倍数给出。例如，给出转换误差为LSB，这就表示输出模拟电压的绝对误差等于输入数字代码为00…01时输出电压的一半。21造成转换误差的原因主要有：参考电压VREF的波动；运算放大器的零点漂移；模拟开关的导通内阻和导通电压；电阻网络中的电阻值偏差；…...203、转换速度为了便于定量地描述D/A转换器的转换速度，定义了建立时间tS和转换速率SR两个参数。(1)建立时间tS通常以大信号工作情况下(输入由全0变为全1或者由全1变为全0)输出电压到达某一规定值所需要的时间定为建立时间tS，这个参数的值越小越好。建立时间最短的可达0.1s。21(2)转换速率SR转换速率SR以大信号工作状态下输出模拟电压的变化率表示。D/A转换器完成一次转换所需要的时间应包括建立时间和上升(或下降)时间两部分，它的最大值为TTR(max)=tS+VO(max)/SR其中VO(max)为输出电压的最大值。22例在倒T型电阻网络D/A转换器中，为保证VREF偏离标准值所引起的误差小于1/2LSB，试计算VREF的相对稳定度应取多少？解：当输入代码只有LSB=1时，输出电压为：VO=VREF2n–∙(Di2i)10ni[]VREF2n–=1/2LSB对应的输出电压绝对值为：VREF2n+1当VREF变化ΔVREF时，引起的输出变化ΔVOΔVO=ΔVREF2n–∙(Di2i)10ni[]23当输入全1时，ΔVO最大，此时输出变化量的绝对值为：ΔVO=ΔVREF2n–∙(Di2i)10ni[]ΔVO=ΔVREF2n2n－1根据题意有：ΔVO=ΔVREF2n2n－1≤VREF2n+1ΔVREFVREF≤2n2n－12n+1于是相对稳定度应满足：相对稳定度24集成AD7520及其应用D/A转换器集成电路有多种型号。下面以AD7520为例来介绍集成电路D/A变换器。它是10位的倒T型D/A转换器，网络电阻R=10KΩ。在对其输入10位数字量后，通过外接的运算放大器，可以获得相应的模拟电压值。下图是它的内部电路图：25VoVREFRRR2R2R2R2R+–AS2S3S1S02RIout1D0D1D8D9Iout2……RfAD752010KΩ10KΩ10位数字量输入外接参考电压26例试用D/A转换器AD7520和计数器74161组成如图所示的10阶梯波形发生器，画出完整的电路图。VO0t27ABCDETEPRDLDQ0Q1Q2Q3D0D1D2D3D4D5D9&RFIout2Iout1+−1VOCP74161VREFAD7520…10阶梯波形发生器电路图28§10.3模/数转换器(ADC)1.A/D功能及分类(1)A/D功能:将模拟电压成正比地转换成数字量A/DVI输入模拟电压D7~D0输出数字量0~5V00000000~11111111分辨率:5V/255=0.0196V/每1个最低有效位29一、A/D转换的基本工作原理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。ADC量化编码电路...Dn-1D1D0输入模拟信号S取样保持电路取样展宽信号数字量输出（n位）30max2iSff式中fS为取样频率，fimax为输入信号vI的最高频率分量的频率。1、采样定理：vIt0vIt0对输入模拟信号的采样31因为每次把取样电压转换为相应的数字量都需要一定的时间，所以在每次取样以后，必须把取样电压保持一段时间。可见，进行A/D转换时所用的输入电压，实际上是每次取样结束时的vI值。vIt0vSt0322、量化和编码数字信号在数值上是不连续的，任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小量单位的整数倍。在进行A/D转换时，必须把取样电压表示为这个最小单位的整数倍，这个过程叫量化。把量化的结果用代码（通常是二进制）表示出来，称为编码。量化过程中所取最小数量单位称为量化单位，用Δ表示。它是数字信号最低位为1时所对应的模拟量，即1LSB。采样保持后的信号不一定是量化单位的整数倍，所以量化后的信号必然会引入误差，这种误差叫量化误差33二、采样—保持电路电路组成及工作原理（取Ri=Rf）:N沟道MOS管T作为开关用。当控制信号vL为高电平时，T导通，vI经电阻Ri和T向电容Ch充电。则充电结束后vO=−vI=vC。当控制信号返回低电平后，T截止。Ch无放电回路，所以vO的数值可被保存下来。RRifvivLTAChvo34转换器分类①并联比较型特点:转换速度快,转换时间10ns~1s②逐次逼近型特点:转换速度中,转换时间几s~100s③双积分型特点:转换速度慢,转换时间几百s~几ms根据内部电路不同,分为以下三类:35三、并联比较型A/D转换器（三位）原理DQDQDQDQDQDQDQ13VR/1511VR/159VR/157VR/155VR/153VR/15VR/15VIVI11VR/15时，输出=1VI13VR/15时，输出=1VI13VR/15时，输出=0VI11VR/15时，输出=0电压比较器D锁存器编码器QBQAQGQFQEQCQDD2D1D0输入模拟电压精密参考电压精密电阻网络（23个电阻）输出数字量CPVIVR/15时，输出=1VIVR/15时，输出=0VRR2RRRRRRR36并联比较型A/D转换器中的编码器真值表VIQAQBQCQDQEQFQGD2D1D0(9/15～11/15)VR0011111101(7/15～9/15)VR0001111100(11/15～13/15)VR0111111110(13/15～1)VR1111111111(5/15～7/15)VR0000111011(3/15～5/15)VR0000011010(1/15～3/15)VR0000001001(0～1/15)VR0000000000特点：输入电压UI每增加VR/8，输出数字量增加1根据以上真值表设计编码器的组合逻辑电路（设计略）37并联比较型A/D转换器的特点1、转换速度较快：由于A/D转换时间只包含比较器、触发器和代码转换电路的延迟时间，而且各位代码转换都是并行的，增加输出代码位数对转换时间影响很小。2、需要触发器和比较器较多：由其为了提高分辨率增加输出代码位数时，这个问题更为突出。如果输出为n位代码，需要比较器个数为2n–1。如果是8位并联比较A/D转换器需要28–1=255各比较器。可见制造该分辨率的A/D转换器，用这种电路既不经济也不便于做成集成电路。38四、逐次逼近型其工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明。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：砝码重暂时结果结论第一次8克砝码总重待测重量Wx，8克第二次加4克砝码总重仍待测重量Wx，12克第三次加2克砝码总重待测重量