闫石数字电路第11章.ppt

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第第十一十一章章数模和模数转换11.1概述11.2D/A转换器11.3A/D转换器1、掌握DAC和ADC的定义及应用；2、了解DAC的组成、倒T型电阻网络、集成D/A转换器、转换精度及转换速度；3、了解ADC组成、逐次逼近型A/D转换器、积分型A/D转换器、转换精度及转换速度。

11.1概述概述模数转换（模数转换（A/D转换）：

转换）：

将模拟信号转换为数将模拟信号转换为数字信号。

实现字信号。

实现A/D转换的电路称为转换的电路称为A/D转换器，简转换器，简写为写为ADC（Analog-DigitalConverter）数模转换（数模转换（D/A转换）：

转换）：

将数字信号转换为模将数字信号转换为模拟信号。

实现拟信号。

实现D/A转换的电路称为转换的电路称为D/A转换器，简转换器，简写为写为DAC（Digital-AnalogConverter）例如：

对于例如：

对于05V的直流电压，计算机用的直流电压，计算机用8位数字位数字量来描述时：

量来描述时：

最小值（最小值（00000000）B=0对应对应0V，最大值（最大值（11111111）B=255对应对应5V，中间值（中间值（01111111）B=127对应对应2.5V等等D/A的任务是接收到一个数字量后，给出一个的任务是接收到一个数字量后，给出一个相应的电压。

比如收到（相应的电压。

比如收到（00111111）B，应给出幅应给出幅度为度为1.25V的电压。

的电压。

11.2D/A转换器转换器将数字信号转换为模拟信号的电路。

将数字信号转换为模拟信号的电路。

电阻网络电阻网络模拟电子开关模拟电子开关求和放大求和放大器器参考电压参考电压一、权电阻网络一、权电阻网络D/A转换器转换器集成运放通过集成运放通过RF接入负反馈，有虚短，接入负反馈，有虚短，V-V+=0取取RF=R/2n位权电阻网络位权电阻网络D/A转换器，当反馈电阻取为转换器，当反馈电阻取为R/2时，输出电压的计算公式：

时，输出电压的计算公式：

输出电压的变化范围输出电压的变化范围:

优点：

优点：

结构简单，所用的电阻元件数很少。

结构简单，所用的电阻元件数很少。

缺点：

缺点：

各电阻的阻值相差较大，不能保证有很各电阻的阻值相差较大，不能保证有很高的精度。

高的精度。

二、倒二、倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器电阻网络电阻网络模拟电子开关模拟电子开关求和放大求和放大器器由于由于V-V+=0,所以开关所以开关S合到哪一边，都相当合到哪一边，都相当于接到了于接到了“地地”电位，流过每条电路的电流始终不电位，流过每条电路的电流始终不变。

可等效为：

变。

可等效为：

取取RF=Rn位输入的倒位输入的倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器，当反馈转换器，当反馈电阻取为电阻取为R时，输出电压的计算公式：

时，输出电压的计算公式：

优点优点：

（1）只有）只有R和和2R两种阻值的电阻，可达到较高的两种阻值的电阻，可达到较高的精度；精度；

（2）各支路电流恒定不变，在开关状态变化时，）各支路电流恒定不变，在开关状态变化时，不需电流建立时间，所以电路转换速度高，使用不需电流建立时间，所以电路转换速度高，使用广泛。

广泛。

CB7520电路原理图电路原理图三、权电流型三、权电流型D/A转换器转换器恒流源恒流源恒流源模型：

恒流源模型：

只要电路工作时保证只要电路工作时保证VB和和VEE稳定不变，则稳定不变，则三极管的集电极电流即可保持恒定，不受开关内三极管的集电极电流即可保持恒定，不受开关内阻的影响。

阻的影响。

为减少电阻阻值的种类，在实用的权电流型为减少电阻阻值的种类，在实用的权电流型D/A转换器中，转换器中，经常利用倒经常利用倒T形电阻网络的分流作用产生一组所需的恒流源。

形电阻网络的分流作用产生一组所需的恒流源。

按比例加大发射结的面积按比例加大发射结的面积DAC0808电路结构框图电路结构框图已知已知VREF=10V四、具有双极性输出的四、具有双极性输出的D/A转换器转换器接一偏置电流接一偏置电流符号位求反符号位求反五、五、D/A转换器的主要参数转换器的主要参数（11）分辨率：

）分辨率：

D/A转换器理论上可达到的精度。

转换器理论上可达到的精度。

1.D/A转换器的转换精度转换器的转换精度分辨率也可用分辨率也可用D/A转换器能够分辨出来的最小输转换器能够分辨出来的最小输出电压与最大输出电压的比值来表示。

出电压与最大输出电压的比值来表示。

10位位D/A转换转换器的分辨率为：

器的分辨率为：

分辨率可以用输入二进制数码的位数给出。

分辨率可以用输入二进制数码的位数给出。

（2）转换误差：

）转换误差：

D/A转换器实际上能达到的转换精度。

转换器实际上能达到的转换精度。

可可以以用用输输出出电电压压满满刻刻度度值值的的百百分分数数表表示示，也也可可用用最低位有效值的倍数表示。

最低位有效值的倍数表示。

如：

转换误差为如：

转换误差为0.5LSB，表示输出模拟电压的，表示输出模拟电压的绝对误差等于当输入数字量的绝对误差等于当输入数字量的LSB1时，其余各位时，其余各位均为均为0时输出模拟电压的一半。

时输出模拟电压的一半。

转换误差可分为静态误差和动态误差。

产生静态误转换误差可分为静态误差和动态误差。

产生静态误差的原因是基准电源不稳定、运放的零点漂移、模拟开差的原因是基准电源不稳定、运放的零点漂移、模拟开关导通时的内阻和压降及电阻网络中阻值的偏差等；动关导通时的内阻和压降及电阻网络中阻值的偏差等；动态误差则是在转换的动态过程中产生的附加误差。

态误差则是在转换的动态过程中产生的附加误差。

（1）建立时间）建立时间tset：

指指输入数字量各位由全输入数字量各位由全0变为全变为全1或由全或由全1变为全变为全0时时,输出电压达到某一规定值所需输出电压达到某一规定值所需要的时间。

要的时间。

通常建立时间在通常建立时间在100ns几十几十s之间。

之间。

2.D/A转换器的转换速度转换器的转换速度

（2）转换速率）转换速率SR：

指指输入数字量各位由全输入数字量各位由全0变为全变为全1或由全或由全1变为全变为全0时，输出电压的变化率。

时，输出电压的变化率。

11.3AD转换器转换器A/DUI输入模拟电压输入模拟电压D7D0输出数字量输出数字量05V0000000011111111一、一、A/D转换的基本原理转换的基本原理取样保持取样保持取样是对模拟信取样是对模拟信号进行周期性地抽取号进行周期性地抽取样值的过程，就是把样值的过程，就是把随时间连续变化的信随时间连续变化的信号转换成在时间上断号转换成在时间上断续、在幅度上等于取续、在幅度上等于取样时间内模拟信号大样时间内模拟信号大小的一串脉冲。

小的一串脉冲。

取样定理：

取样定理：

fs2fi（max）输入模拟信号的最高输入模拟信号的最高频率分量的频率频率分量的频率取样频率取样频率量化编码量化编码将取样保持电路的输出电压，按某种近似方式将取样保持电路的输出电压，按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上，这一转化过程称为归化到与之相应的离散电平上，这一转化过程称为数数值量化值量化，简称，简称量化量化。

量化后的数值最后还须通过编码过程用一个代量化后的数值最后还须通过编码过程用一个代码表示出来，这一过程称为码表示出来，这一过程称为编码编码。

将取样电压表示为一个最小单位的整数倍，所将取样电压表示为一个最小单位的整数倍，所取的最小数量单位称为量化单位，用取的最小数量单位称为量化单位，用表示。

表示。

最大量化误差为最大量化误差为，即，即18V最大量化误差为最大量化误差为1/2，即，即115V取取取取对双极性模拟电压的量化和编码对双极性模拟电压的量化和编码二进制二进制补码的补码的形式编形式编码码二、直接二、直接A/D转换器转换器并联比较型并联比较型0viVREF/15时时，7个个比比较较器器输输出出全全为为00，CP到到来来后后，7个个触触发发器器都都置置00。

经。

经编编码码器器编编码码后后输输出出的的二二进进制制代代码码为为d2d1d0000。

时，时，7个比较器个比较器中只有中只有C1输出输出为为1，CP到来到来后，只有触发后，只有触发器器FF1置置1，其，其余触发器仍为余触发器仍为0。

经编码器编码经编码器编码后输出的二进后输出的二进制代码为制代码为d2d1d0=001。

时，比较器中时，比较器中C1、C2输出为输出为1，CP到来后，到来后，触发器触发器FF1、FF2置置1，其余，其余触发器仍为触发器仍为0。

经编码器编码经编码器编码后输出的二进后输出的二进制代码为制代码为d2d1d0=011。

反馈比较型反馈比较型逐次比较型逐次比较型AD转换器转换器其工作原理可用天平秤重作比喻。

若有四个其工作原理可用天平秤重作比喻。

若有四个砝码共重砝码共重15克，每个重量分别为克，每个重量分别为8、4、2、1克。

克。

设待秤重量设待秤重量Wx=13克，可以用下表步骤来秤量：

克，可以用下表步骤来秤量：

砝码重砝码重第一次第一次第二次第二次第三次第三次第四次第四次加加4克克加加2克克加加1克克8克克砝码总重砝码总重待测重量待测重量Wx，故保留故保留砝码总重仍砝码总重仍待测重量待测重量Wx，故撤除故撤除砝码总重砝码总重待测重量待测重量Wx，故保留故保留暂时结果暂时结果8克克12克克12克克13克克结结论论转转换换开开始始前前先先将将所所有有寄寄存存器器清清零零。

开开始始转转换换以以后后，时时钟钟脉脉冲冲首首先先将将寄寄存存器器最最高高位位置置成成1，使使输输出出数数字字为为1000。

这这个个数数码码被被D/A转转换换器器转转换换成成相相应应的的模模拟拟电电压压uo，送送到到比比较较器器中中与与ui进进行行比比较较。

若若uiuo，说说明明数数字字过过大大了了，故故将将最最高高位位的的1清清除除；若若uiuo，说说明明数数字字还还不不够够大大，应应将将这这一一位位保保留留。

然然后后，再再按按同同样样的的方方式式将将次次高高位位置置成成1，并并且且经经过过比比较较以以后后确确定定这这个个1是是否否应应该该保保留留。

这这样样逐逐位位比比较较下下去去，一一直直到到最最低低位位为为止止。

比比较较完完毕毕后后，寄寄存存器器中的状态就是所要求的数字量输出。

中的状态就是所要求的数字量输出。

10001000D/Avi（待转换的模拟电压待转换的模拟电压）vovc控控制制逻逻辑辑数码寄存器数码寄存器移位寄存器移位寄存器时钟时钟清清0、置数、置数清清0、置数、置数CP、（移位命令移位命令）“1”状态是否保状态是否保留留控制端控制端原理框图原理框图三、间接三、间接A/D转换器转换器双双积积分分型型又称为电压时间变换型（又称为电压时间变换型（VT变换型）变换型）首先使积分电容首先使积分电容C完全放电。

完全放电。

固定时间积分固定时间积分反方向积分反方向积分第一步，第一步，对输入模拟电对输入模拟电压进行固定时间压进行固定时间T1积分积分;第二步，第二步，对基准电压对基准电压进行反向积分，进行反向积分，使电容使电容放电，放光为止放电，放光为止（即（即vo=0）。

对反向放电时。

对反向放电时间计数，它与输入幅度间计数，它与输入幅度成正比。

成正比。

四、四、A/D转换器的主要参数转换器的主要参数A/DA/D转转换换器器的的分分辨辨率率用用输输出出二二进进制制数数的的位位数数表表示示，位位数数越越多多，误误差差越越小小，转转换换精精度度越越高高。

例例如如，输输入入模模拟拟电电压压的的变变化化范范围围为为0055VV，输输出出1010位位二二进进制制数数可可以以分分辨辨的的最最小小模模拟拟电电压压为为5V2104.88mV。

（1）分辨率：

分辨率：

1.A/D转换器的转换精度转换器的转换精度

（2）转换误差）转换误差通通常常以以输输出出误误差差最最大大值值的的形形式式给给出出，一一般般多多以以最最低低有有效效位位的的倍倍数数给给出出。

有有时时也也用用满满量量程程输输出出的的百百分分数数给出转换误差。

给出转换误差。

2.A/D转换器的转换速度转换器的转换速度转转换换速速