数字电子技术基础-第九章--模数与数模转换

第9章数模与模数转换电路9.1D/A转换器一．D/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，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现了数字/模拟转换。01234567001010011100101110111D/A转换器DDD01n-1...vo输入输出vo/VD000根据解码网络的不同，D/A转换器分不同类型，常见的有：倒T型电阻网络D/A转换权电阻网络D/A转换权电流型D/A转换等按模拟电子开关分，有CMOS开关型D/A转换器双极型D/A转换器一、权电阻网络D/A转换器)2(2)2222(222230303122130031221303210iiiREFREFREFREFREFREFDRVDDDDRVRVDRVDRVDRVDiiiii)2(2303iiiREFffODVRRRiv权电阻D/A转换器电路十分简单，但是，当数字量的位数增多时，权电阻数目增多，阻值范围越来越大，权电阻阻值的种类太多，集成电路制造、权电阻的匹配都比较困难，所以权电阻D/A转换器的转换精度受到了限制二．倒T形电阻网络D/A转换器（4位）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为模拟电子开关，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。电流的参考方向电流的真实方向也如此输出电压：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：将输入数字量扩展到n位，则有：可简写为：vO=－KNB其中：)2222(13223140DDDDRViREF)2(2304iiiREFDRVfORiv)2(2304iiiREFfDVRR)]2([210iniinREFfODVRRvnREFfVRR2K=可算出，基准电流I=VREF/R，常用的CMOS开关倒T形电阻网络D/A转换器的集成电路有AD7520（10位）等AD7520是10位CMOS电流开关型D/A转换器。芯片内含有倒梯形电阻网络、CMOS电流开关和反馈电阻（R=10K），该集成D/A转换器在应用时必须外接参考电压源和运算放大器。其内部电阻网络组成的D/A转换电路如图所示，AD7520的引脚图如图所示。10要使D/A转换器具有较高的精度，对电路中的参数有以下要求：（1）基准电压稳定性好；（2）倒T形电阻网络中R和2R电阻的比值精度要高；（3）每个模拟开关的开关电压降要相等。为实现电流从高位到低位按2的整倍数递减，模拟开关的导通电阻也相应地按2的整数倍递增。由于在倒T形电阻网络D/A转换器中，各支路电流直接流入运算放大器的输入端，它们之间不存在传输上的时间差。电路的这一特点不仅提高了转换速度，而且也减少了动态过程中输出端可能出现的尖脉冲。它是目前广泛使用的D/A转换器中速度较快的一种。三．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。iiiffffODRIDDDDRIDIDIDIDIRRiv22)2222(2)16842(3040011223340123采用具有电流负反馈的BJT恒流源电路的权电流D/A转换器：DDDD(LSB)(MSB)SSSS33221100R+AvoiΣf+A1216II216II4I8IIIIIIIREFE3E2E1E0ECBBV2R2RR2RR2RRR2REE偏置偏置电流I=IREF=REFVR1TTTTTTr3210c1RREFVVR+VR—3E1REFREF2IRVIIE3=I/2，IE2=I/4，IE1=I/8，IE0=I/16由图可见，T3～T0的基极是接在一起的，三极管的发射结压降VBE相同，则它们的发射极处于相同的电位。在计算各支路的电流时，可以认为所有2R电阻的上端都接到了同一个电位上，因而电路的工作状态与倒梯形电阻网络的工作状态一样。这时流过每个2R电阻的电流自左而右依次减少1/2。为了保证所有三极管的发射结压降相等，在发射极电流较大的三极管中按比例地加大了发射结的面积，即T3～T0发射结面积之比为8:4:2:1，在图中T3～T0均采用了多发射极晶体管来表示，其发射极个数是8、4、2、1。这样，在各BJT电流比值为8:4:2:1的情况下，T3～T0的发射极电流密度相等，结面积的比值8:4:2:1，可使各发射结电压VBE相同。由于T3～T0的基极电压相同，所以它们的发射极e3、e2、e1、e0就为等电位点。在计算各支路电流时将它们等效连接后，流入每个2R电阻的电流从高位到低位依次减少1/2，各支路中电流分配比例满足8:4:2:1的要求。电流的参考方向电流的真实方向也如此参考电压源VREF、运算放大器A2、R1、Tr、R与VEE组成基准电流IREF产生电路，A2和R1、Tr的cb结组成电压并联负反馈电路，以稳定输出电压，即Tr的基极电压。Tr的集电结，电阻R到VEE为反馈电路的负载，由于电路处于深度负反馈，根据虚短的原理，其基准电流为：312EREFREFIRVII)2222(20011223314DDDDRVRRivREFffOiniinfREFODRRVv22101可推得n位倒T形权电流D/A转换器的输出电压)]2([210iniinREFfODVRRv倒T型电阻网络四．D/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。用这类器件构成的D/A转换器时，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：56789101112DDDDDDDD01234567vO+5kΩ5kΩ5kΩREFV0.01μF13CCV=+5VEEV=-15VA数字量输入模拟量输出DAC0808（LSB）（MSB）141524163Rf1R7087018221022iiiiiiREFfODDRVRvDAC0808D/A转换器输出与输入的关系（设VREF=10V）(一)单极性输出方式二进制数没有符号位，全是数值位AD7520的单极性输出(二)双极性输出方式因为在数字系统中数值通常是带符号的，所以希望D/A转换器能够把带符号的二进制数输入转换成正负极性的模拟电压输出。ExcessorBiasedRepresentationsAnexcess-KrepresentationofacodeCisformedbyaddingthevalueKtoeachcodewordofC.Excessrepresentationsarefrequentlyusedintherepresentationoftheexponentsoffloatingpointnumberssothatthesmallestexponentvaluewillberepresentedbyallzeros.Notethattheexcess-2nnumbersarejustthetwo’scomplementnumberswiththesignbitreversed!DecimalTwo’scomplementExcess-4+3011111+2010110+10011010000100-1111011-2110010-3101001-4100000Theexcess-4representationgiveninthetableisproducedbyadding(100)2tothe3-bittwo’scomplementcodeNotethattheresultisthesmallestnumber(-4)beingrepresentedby000andthelargest(+3)by111DecimalTwo’scomplementExcess-4模拟量+3011111+2010110+10011010000100-1111011-2110010-3101001-41000001.转换精度五．D/A转换器的主要技术指标（2）转换误差——此外，也可用D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压之比来表示分辨率，N位D/A转换器的分辨率可表示为1/（2n-1）。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）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，常用字量的位数表示D/A转换器的分辨率。（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。10.2A/D转换器一．A/D转换的一般步骤和取样定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。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）取样定理：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。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。max2iSff二．取样—保持电路电路组成及工作原理（取Ri=Rf）: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。N沟道MOS管T作为开关用。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。RRifIvLvTAChvo三．并行比较型A/D转换器（3位）优先编码器的输入端为高电平有效，优先级别按I1、I2、I3、I4、I5、I6、I7依次升高，对I1、I2、I3、I4、I5、I6、I7的编码分别为D3D2D0=001、010、011、100、101、110、111，当所有的输入都无效时，输出为D3D2D0=000。电阻分压器由7个阻值为R的电阻和1个阻值为R/2的电阻串联构成，一端接参考电压源UREF，另一端接地，电阻之间的连接点分别与右边的运算放大器的反相输入端相连，因为运算放大器的输入端的电流可以近似认为是0，所以电阻分压器的8个电阻才可以认为是串联的关系。电压比较器由7个处于非线性工作状态的运算放大器组成，同相输入端连接在一起，接模拟输入电压信号，每个运算放大器的反相输入端具有固定的电位，如图18-3-5所示。运算放大器的输出接D触发器的输入端，D触发器的输出端与优先编码器的7个输入端相连。优先编码器的输入端为高电平有效，优先级别按I1、I2、I3、I4、I5、I6、I7依次升高，对I1、I2、I3、I4、I5、I6、I7的编码分别为D3D2D0=001、010、011、100、101、110、111，当所有的输入都无效时，输出为D3D2D0=000。并行比较型A/D转换器真值表1．转换原理：四．逐次比较型A/D转换器vIREFV＜169VREF10＜16设：2．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）vIvOvC1GG12FF5vIREFV＜169VREF10＜16设：五．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