电子技术基础数字部分9

1第9章数模与模数转换器2考试时间•5303教室•1月5日15：00--17：003常用名词•ADC=AnalogtoDigitalConvert模数转换•DAC=DigitaltoAnalogConvert数模转换•MSB=MostSignificantBit最高有效位•LSB=LeastSignificantBit最低有效位401234567001010011100101110111D/A转换器DDD01n-1...vo输入输出vo/VD000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。D/A转换器的基本原理5N位数字输入模拟量输出输入寄存器N位模拟开关解码网络求和电路基准电压数字-模拟转换器原理方框图•按结构分类：–权电阻网络型、倒T形电阻网络型、权电流型、权电容网络型、开关树型……•按工艺分类：–CMOS开关型、双极性开关型（电流开关型、ECL电流开关型）6权电阻网络DAC)2222(2)842()(v00112233401230123OddddVdRVdRVdRVdRVRIIIIRIRREFREFREFREFREFfffBnREFnnnnnREFNVddddV2)2222(2v00112211ON位权电阻网络D/A转换器：A+-R2R4R8RS0S1S2VREFd0d1d2IΣvOd3S3R=Rf/2缺点：电阻种类太多7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接地电路组成：n位模拟开关R-2R电阻网络运放求和电路基准电压VREF流经电阻2R的电流与开关位置无关，只取决于电阻2R在电阻网络中的位置从每个节点向左看，等效电阻均为R；流过每个2R电阻的电流按2的正倍数递减倒T形电阻网络D/A变换器DDDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+Avoi¦²f1682R2R+V2RRI4R4IREFI8II2R2RIRIII16228基准电流I=VREF/R，输出电压：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nREFfVRRK2)2(10iniiBDN输出电压与输入数值的关系倒T形电阻网络D/A变换器9倒T形电阻网络D/A变换器的特点获得高精度性能比较困难,影响精度的因素：基准电压R-2R电阻网络的比值一致性每个模拟开关的开关压降要相等，且导通电阻也相应按2的整数倍递减10CMOS模拟开关电路VDDT2T3T1DiT5T4T7T6T8T9Io1Io2RR2R11为进一步提高D/A变换器的转换精度，可采用权电流型D/A变换器DDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+AvoiΣfI24I8I16IVREFD权电流型D/A变换器原理图电路组成：由一组恒流源替代R-2R电阻网络各支路权电流的大小不受开关导通电阻和压降的影响，降低了对开关的要求，提高了变换精度iiiffffODRIDDDDRIDIDIDIDIRRiv22)2222(2)16842(3040011223340123输出电压与输入数值的关系权电流型D/A变换器12DDDD(LSB)(MSB)SSSS33221100R+AvoiΣf+A1216II216II4I8IIIIIIIREFE3E2E1E0ECBBV2R2RR2RR2RRR2REE偏置偏置电流I=IREF=REFVR1TTTTTTr3210c1RREFVVR+VR—恒流源电路：多发射级晶体管，各发射极电流密度相同，使各VBE相同。各恒流源权电流精确。基准电流：负反馈虚地1RVIREFREF实际的权电流D/A转换器电路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13由倒T形电阻网络分析可知：IE3=I/2，IE2=I/4，IE1=I/8，IE0=I/16，于是可得输出电压为：)2222(20011223314REFODDDDRVRRivff基准电流：3E1REFREF2IRVIiniinfDRRVv22101REFO实际的权电流D/A转换器电路输出电压与输入数值的关系14D/A转换器的单极性电压输出倒T形电阻网络D/A转换器_+D0D1Dn-1VREFRfi...0倒T形电阻网络D/A转换器_+D0D1Dn-1VREFR20i...RR1反相输出vO=-i∑Rf同相输出vO=i∑R(1+R2/R1)15补码、偏移码的D/A转换器输出原码输入无偏移时的输出偏移-4V后的输出1d0d1d211110101100011010001000+3V+2V+1V0-1V-2V-3V-4V+7V+6V+5V+4V+3V+2V+1V0补码输入对应的十进制数要求的输出电压0d0d1d211010001000111110101100+3+2+10-1-2-3-4+3V+2V+1V0-1V-2V-3V-4V16双极性输出D/A转换器A1+-A2+-vO8位倒T形电阻网络D/A转换器VREFD7D6D5D4D3D2D1D0IΣR=Rfv1R1R12R1REFBREFREFREFBREFBREFREFOVNVVVNVHNVVvv2562222)]80(2[2188117D/A转换器的主要技术指标1分辨率：输入数字量的位数，或能分辨最小输出电压与最大输出电压之比2转换精度：比例系数误差、失调误差、非线性误差3转换速度：建立时间、转换速率4温度系数：商业级、工业级、军品级、航天级等18比例系数误差和失调误差0000010100111001011101111/81/43/81/25/87/83/4△vO实际理想比例系数误差|vO/VREF|0000010100111001011101111/81/43/81/25/87/83/4△vO实际理想|vO/VREF|实际转换特性曲线的斜率与理想特性曲线斜率的偏差原因：如VREF的偏差等放大器的零点漂移引起大小与输入数字量无关，特性曲线平移19非线性误差•无变化规律•一般用满刻度范围内偏离理想特性的最大值表示•来源：–模拟开关不同的导通电压和导通电阻–每一开关不同状态的压降和电阻不同–各支路电阻误差不同–……20ADC模数变换21模拟信号与数字信号模拟信号：在规定的连续时间范围内，信号的幅值可以取连续范围内的任意数值数字信号：对模拟信号在时间和幅度上都进行量化后取得的信号，是以某种时间间隔依次出现的数字序列模拟/数字变换：•习惯上将从时间轴的量化称为时间取样，将从幅度轴量化称为幅度量化•完成从模拟信号到数字信号转换的电路称为模拟─数字变换（Analog—DigitalConversion,简称：ADC），所以，仅从原理上讲，它包括取样器和量化器两个部分。取样器量化器Vi(t)V*(t)Vo模拟/数字变换概念Vi(t)：输入模拟信号V*i(t)：取样信号VO：输出数字信号tf(t)fg(f)tf(t)时域：时间-幅度频域：频率-幅度22理想取样：KX(t)X(t)理想取样器原理示意图设一个模拟开关，每隔T秒短暂地闭合一次，将模拟信号通道接通，则对输入信号实现一次取样。模拟开关每次闭合的时间为τ秒，并且切断和闭合的过渡时间为0。这样的模拟开关可以被称为理想取样器理想取样指的是当理想取样器的闭合时间为无限短，即τ趋于零时的极限情况下的取样Shannon取样定理：设取样信号P(t)的频率为fs（取样率）,输入模拟信号Vi(t)的带宽为fimax，为使变换后的数字信号能不失真地复现原模拟信号，fs和fimax必须满足下面的公式：max2isffX(t)P(t)X*(t)X*(t)tttttT(a)(b)(c)(d)(e)d()t仙/香农（Shannon）取样定理*23Shannon取样定理：max2isff为使变换后的数字信号能不失真地复现原模拟信号，fs和fimax必须满足下面的公式：满足Shannon取样定理的取样系统的输入-输出信号的频谱不满足Shannon取样定理的取样系统输出信号的频谱设输入信号的频谱为W(f)，取样后的输出信号频谱会发生周期性的延拓现象。也就是说，时域中的取样过程形成了在频域中的周期函数，频域中的周期等于时域中的取样频率。不满足Shannon取样定理的取样系统，其输出信号的频谱将会发生所谓的“混迭”（Aliasing）现象。因而，不可能无失真地恢复原模拟输入信号。Shannon取样定理的物理意义24Shannon取样定理在时域的理解25将取样电路每次取样取得的模拟信号转换为数字信号都需要一定时间。为了给后续的量化过程提供一个稳定值，一般是通过一个取样-保持电路将每次取得的模拟信号保持一段时间。电路特点：A1、A2设均要求为高输入阻抗，低输出阻抗，且一般有：A1A2=1ViVottVi,Vot0t1t2t3t4t5t6t7t80取样-保持电路波形图SVi(t)取样-保持电路原理示意图Vo(t)A1A2开关驱动取样-保持控制电路CH电路组成：输入放大器（A1）输出放大器（A2）保持电容（CH）开关驱动电路工作原理：设开关S为理想开关，闭合时电阻极小，断开时电阻无穷大。t0-t1:取样阶段，开关S闭合，输出电压跟随输入电压t1-t2:保持阶段，开关S断开，输出电压保持在t1时刻的电压值取样-保持电路（模拟存储器）(Sample-HoldAmplifier，简称：SHA)26设输入模拟信号的满量程电压值为FSR（FullScaleRange），ADC的位数为n，量化电平用Q（或LSB）表示，则有：量化电平nFSRQ20000111100010010001111101101110010111010100110000111011001010100QFSRN2FSRN=4量化值误差=量化值—实际值量化方法②截断法：采用不大于实际采样值的最大量化值来近似采样值。①舍入法：采用最靠近实际采样值的量化值来近似采样值。量化误差舍入法:A点的取值为011，误差范围为0～Q/2；B点的取值为010，误差范围为-Q/2～0。因此，舍入法量化的误差范围为（-Q/2～Q/2）截断法：模拟信号的A、B两点量化后取值均为010，误差的范围为（-Q～0）000001010011111110101100QFSRN2FSRN=3量化值ABtV(t)量化理论27取样/保持电路量化电路编码及输出电路时序控制电路ADC原理方框图28高速、低精度：并行比较型ADC（FlashADC）高速、高精度分级比较型ADC（Sub-RangingADC）流水线型ADC（PipelinedADC）逐次比较型ADC（SuccessiveApproximationADC）低速、高精度双积分型ADC-型ADCADC的类型29电路组成：由阶梯电阻网络组成的参考电压网络2n-1个高速比较器寄存器译码逻辑电路工作原理：阶梯电阻网络为2n-1个高速比较器提供了阈电平，输入模拟信号同时送入所有的高速比较器输入端，输入信号幅度大于阈电平的比较器翻转，输出一个所谓的温度计码。每个时钟脉冲将当前的温度计码暂存在D寄存器中，并经过编码后输出。舍入法量化方法。特点：高速，目前速度最快的ADC(10MSPS～2GSPS)高功耗，高成本精度不高（4～8位分辨）FlashADC原理电路图MSPS:MegaSamplePerSecond；GSPS:GigaSampleP