数字电子技术08

8.1 D/A转换器转换器8.2 A/D转换器转换器8 模数与数模转换器模数与数模转换器如何实现数如何实现数/模转换？模转换？数数/模转换器的典型电路结构有哪几种类型？各有什么模转换器的典型电路结构有哪几种类型？各有什么使用特点？使用特点？如何实现数如何实现数/模转换器的双极性输出？模转换器的双极性输出？直接型模直接型模/数转换器的转换过程包括哪些环节？数转换器的转换过程包括哪些环节？模模/数转换器的典型电路结构有哪些？各有什么优缺点？数转换器的典型电路结构有哪些？各有什么优缺点？数数/模转换器和模模转换器和模/数转换器的主要技术指标有哪些？数转换器的主要技术指标有哪些？本章要点A/DA/D 转换器转换器 D/AD/A 转换器转换器 模拟模拟 控制器控制器 工业生产过程控制对象工业生产过程控制对象 模模 拟拟 传感器传感器 典型的计算机测控系统结构框图典型的计算机测控系统结构框图 将温度、压力、流将温度、压力、流量、应力等物理量量、应力等物理量转换为模拟电量。转换为模拟电量。计算机进行数字处计算机进行数字处理（如计算、滤理（如计算、滤波）、保存等波）、保存等用模拟量作为用模拟量作为控制信号控制信号数字数字 计算机计算机8.1 D/A转换器转换器8.1.1 D/A转换的基本原理转换的基本原理8.1.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器8.1.4 D/A转换器的输出方式转换器的输出方式8.1.3 权电流权电流D/A转换器转换器8.1.5 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标8.1.6 集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用将数字量转换为与之成正比模拟量将数字量转换为与之成正比模拟量 。n n位位数字量数字量DAC8.1 D/A转换器转换器模拟量模拟量1 1、数、数 / / 模转换器模转换器: :A = K D O = K NB 数字量是用代码按数位组合而成的，数字量是用代码按数位组合而成的， 对于有权码，每位代对于有权码，每位代码都有一定的权值，如能将每一位代码按其权的大小转换成码都有一定的权值，如能将每一位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，相应的模拟量， 然后，将这些模拟量相加，即可得到与数字然后，将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的模拟量，量成正比的模拟量， 从而实现数字量从而实现数字量-模拟量的转换。模拟量的转换。 实现实现D/A转换的基本思想转换的基本思想 NDb424b323b222b121b020 124123022021120将二进制数将二进制数ND(11001)B转换为十进制数。转换为十进制数。8.1.1 D/A转换的基本原理转换的基本原理 D/A转换器的组成转换器的组成: 数数码码 寄寄存存器器 n n位位模模拟拟开开关关 解解码码 网网络络 求求和和 电电路路 基基准准电电压压 n n位位数数字字量量输输入入 模模拟拟量量 输输出出 n位位D/A转换器的组成框图转换器的组成框图 D/A转换器的分类转换器的分类:按解码网络按解码网络结构分类结构分类 T型电阻网络型电阻网络DAC倒倒T形电阻网络形电阻网络DAC权电流权电流DAC 权电阻网络权电阻网络DAC 按模拟电子开按模拟电子开关电路分类关电路分类 CMOS开关型开关型DAC双极型开关型双极型开关型DAC 电流开关型电流开关型DAC ECL电流开关型电流开关型DAC D/A 转转换换器器权电阻网络权电阻网络实现实现D/A转换的原理电路转换的原理电路 3REF3dRVI 2REF22dRVI 12REF12dRVI 03REF02dRVI OFF3210()uR iR IIII 3210REFO32104(2222 )2Vudddd 1210REFO1210REF(2222 )22nnnnnnnVuddddVD 8.1.2 倒倒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运算放大器求和运算放大器输输出出模模拟拟电电压压输入输入4位二进制数位二进制数根据运放线性运用时虚地的概念可知，无论模拟开关根据运放线性运用时虚地的概念可知，无论模拟开关Si处于处于何种位置，与何种位置，与Si相连的相连的2R电阻将接电阻将接“地地” 或虚地或虚地。 基准电压基准电压 电阻网络电阻网络 模拟电子开关模拟电子开关 求和运算放大器求和运算放大器D/A转换器的倒转换器的倒T形电阻网络形电阻网络基准电源基准电源VREF提供的总电流为：提供的总电流为：I =？流过各开关支路的电流：流过各开关支路的电流：I3 =？I2 =？ I1 =？ I0 =？ 2R 2R 2R 2R 2R R R R VREF I A B C D A B C D RVIREF I/4I/8I/16RRRRI/2I/4I/8I/16I/2I3I2I1I0流入每个流入每个2R电阻的电流从高位到低位按电阻的电流从高位到低位按2的整数倍递减。的整数倍递减。I3= VREF / 2RI2= VREF / 4RI1= VREF / 8R I0= VREF /16 R流入运放的总电流：流入运放的总电流： i I0 + I1 + I2 + I3输出模拟电压：输出模拟电压： REF321024816VIIIIiddddR1210REFO1210REF(2222 )22nnnnnnnVuddddVD 8.1.3 权电流型权电流型 D/A转换器转换器OFF32102343210F321042222 22222ui RIIIIRddddR Idddd在恒流源电路中，各支路在恒流源电路中，各支路权电流的大小均不受开关权电流的大小均不受开关导通电阻和压降的影响，导通电阻和压降的影响，这样降低了对开关电路的这样降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。要求，提高了转换精度。8.1.3 权电流型权电流型 D/A转换器转换器8.1.4 D/A转换器的输出方式转换器的输出方式 256255REFV 256129REFV 256128REFV 256127REFV 2561REFV 2560REFV8位位D/A转换器在单极性输出时的输入转换器在单极性输出时的输入/输出关系输出关系000000001000000011111110000000011000000111111111模拟量模拟量 数字量数字量MSB LSB常用双极性编码模模拟拟量量2的补码的补码偏移二进制码偏移二进制码D7D6D5D4D3D2D1D0D7D6D5D4D3D2D1D012701111111111111111260111111011111110 1000000011000000100000000010000000-11111111101111111 -1271000000100000001-1281000000000000000 8.1.5 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标分辨率：其定义为分辨率：其定义为D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。级数。n位位DAC最多有最多有2n个模拟输出电压。位数越多个模拟输出电压。位数越多D/A转换转换器的分辨率越高。器的分辨率越高。 分辨率也可以用能分辨的最小输出电压与最大输出电压之比分辨率也可以用能分辨的最小输出电压与最大输出电压之比给出。给出。n位位D/A转换器的分辨率可表示为转换器的分辨率可表示为121n1、分辨率、分辨率2、转换精度：、转换精度：o转换精度是指对给定的数字量，转换精度是指对给定的数字量，D/A转换器实际值与转换器实际值与理论值之间的最大偏差。理论值之间的最大偏差。o产生原因：由于产生原因：由于D/A转换器转换器中各元件参数值存在误中各元件参数值存在误差，如基准电压不够稳定或运算放大器的零漂等各差，如基准电压不够稳定或运算放大器的零漂等各种因素的影响。种因素的影响。o几种转换误差：有如比例系数误差、失调误差和非线几种转换误差：有如比例系数误差、失调误差和非线性误差等性误差等o3. 转换速度o当当D/A转换器输入的数字量发生变化时，输转换器输入的数字量发生变化时，输出的模拟量并不能立即达到所对应的量值，出的模拟量并不能立即达到所对应的量值，要延迟一段时间。通常用建立时间和转换速要延迟一段时间。通常用建立时间和转换速率来定量描述率来定量描述D/A转换器的转换速度。转换器的转换速度。o(1) 建立时间。建立时间指输入数字量发生建立时间。建立时间指输入数字量发生变化时输出电压达到规定误差范围变化时输出电压达到规定误差范围(一般为一般为)所需要的时间。所需要的时间。8.1.6 集成集成D/A转换器及其应用转换器及其应用)DAC0808的电路结构框图的电路结构框图 8.2.8 集成集成A/D转换器及其应用转换器及其应用8.2 A/D 转换器转换器8.2.1 A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程8.2.2 并行比较型并行比较型A/D转换器转换器8.2.3 逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器8.2.4 双积分式双积分式A/D转换器转换器 8.2.5 V-F变换型变换型A/D转换器转换器 8.2.7 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 8.2.6 型型A/D转换器转换器 取取样样时间上离散的信号时间上离散的信号保持、量化保持、量化量值上也离散的信号量值上也离散的信号编码编码模拟信号模拟信号时间上和量值上都连续时间上和量值上都连续数字信号数字信号时间上和量值上都离散时间上和量值上都离散8.2.1 A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程 A/D转换器一般要包括转换器一般要包括取样，取样， 保持，量化及编码保持，量化及编码4个过程个过程。1.采样和保持采样和保持 采样定理：采样定理：为了能从采样输出信号真实地复现模拟信号，采样信号必须有足为了能从采样输出信号真实地复现模拟信号，采样信号必须有足够高的频率，即必须满足条件够高的频率，即必须满足条件采样采样保持电路的原理图保持电路的原理图及波形图及波形图 2. 量化与编码量化与编码数字信号在数值上是离散的。采样数字信号在数值上是离散的。采样保持电路的输出电压还需保持电路的输出电压还需按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上，任何数字量只按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上，任何数字量只能是某个最小数量单位的整数倍。能是某个最小数量单位的整数倍。量化后的数值最后还需通过编码过程用一个代码表示出来。量化后的数值最后还需通过编码过程用一个代码表示出来。经编码后得到的代码就是经编码后得到的代码就是A/D转换器输出的数字量。转换器输出的数字量。 量化量化3.编码编码在量化过程中由于所采样电压不一定能被在量化过程中由于所采样电压不一定能被 整除，所以量化前整除，所以量化前后一定存在误差，此误差我们称之为量化误差，用后一定存在误差，此误差我们称之为量化误差，用 表示。表示。量化误差属原理误差，它是无法消除的。量化误差属原理误差，它是无法消除的。A/D转换器的位数越转换器的位数越 多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。 两种近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方两种近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。式。 4.量化误差：量化前的电压与量化后的电压差量化误差：量化前的电压与量化后的电压差5.量化方式量化方式LSB1max V8701V86V85V84V83V82V811111101011000110100010000=0 v7=7/8 v6=6/8 v5=5/8 v4=4/8 v3=3/8 v2=2/8 v1=1/8 v输入信号输入信号编码编码量化后量化后电压电压a ) 只舍不入量化方式只舍不入量化方式:量化中把不足一个量化单位的部分舍弃；量化中把不足一个量化单位的部分舍弃；对于等于或大于一个量化单位部分按一个量化单位处理。对于等于或大于一个量化单位部分按一个量化单位处理。最大量化误差为：最大量化误差为：最小量化单位最小量化单位1/8V=1LSB= 1/8 V例：将例：将01V电压转换为电压转换为3位二进制代码位二进制代码b )四舍五入量化方式四舍五入量化方式:量化过程将不足半个量化单位部分舍弃，量化过程将不足半个量化单位部分舍弃，对于等于或大于半个量化单位部分按一个量化单位处理。对于等于或大于半个量化单位部分按一个量化单位处理。最大量化误差为：最大量化误差为：最小量化单位：最小量化单位：011111101011000110100010000=0 v7=14/15 v6=12/15 v5=10/15 v4=8/15 v3=6/15 v2=4/15v1=2/15 v输入信号输入信号编码编码模拟模拟电平电平V1513V1511V159V157V155V153V1512LSBmax =1LSB= 2/15 V2LSBmax 1/15V例：将例：将01V电压转换为电压转换为3位二进制代码位二进制代码8.2.2 并行比较型并行比较型A/D转换器转换器电压比较器电压比较器输入模拟输入模拟电压电压精密电阻精密电阻网络网络精密参考精密参考电压电压输出数输出数字量字量所加砝码所加砝码重量重量 结果结果 8.2.3 逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似 。第一次第一次8 克克砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx ，8克砝码保留克砝码保留8 克克第二次第二次再加再加4克克砝码总重仍砝码总重仍 待测重量待测重量Wx ， 2克砝码撤除克砝码撤除12 克克第四次第四次再加再加1克克砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx ， 1克砝码保留克砝码保留13 克克所用砝码重量：所用砝码重量：8克、克、4克、克、2克和克和1克。克。设待秤重量设待秤重量Wx = 13克。克。8.2.4 双积分式双积分式A/D转换器转换器 对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到相应的数字量输出。双积分式得到相应的数字量输出。双积分式A/D转换器也称转换器也称为电压时间数字式积分器为电压时间数字式积分器 。第一次积分阶段第一次积分阶段： 111OI01 dTuTutuCRRC 第二次积分阶段第二次积分阶段 2REF1OI021REFI1d0TVTutuCRRCTTVuRCRC21ICCREFTTDuTT VIREF2nDuV8.2.5 V-F变换型变换型A/D转换器转换器电压电压-频率变换型频率变换型A/D转换器转换器(简称简称V-F变换型变换型A/D转换器转换器)也是一种间接型也是一种间接型A/D转换器。其转换原理是：首先将输转换器。其转换原理是：首先将输入的模拟电压信号转换成与之成比例的频率信号，然入的模拟电压信号转换成与之成比例的频率信号，然后在一个固定的时间间隔里对得到的频率信号进行计后在一个固定的时间间隔里对得到的频率信号进行计数，计数的结果就是正比于输入模拟电压的数字量。数，计数的结果就是正比于输入模拟电压的数字量。 单片集成的单片集成的V-F变换器一般采用电荷平衡式电路结构，变换器一般采用电荷平衡式电路结构，又分为积分器型和定时器型两种常见的形式。又分为积分器型和定时器型两种常见的形式。 8.2.5 V-F变换型变换型A/D转换器转换器out0 wintI(1/)fI t Ru8.2.6 型型A/D转换器转换器D触发器输出Q为低电平，使参考电压uR接地，设输入信号uI=2V，差动放大器输出为-2V，积分器输出电压不断上升，使比较器输出为高电平，则在下一个时钟脉冲上升沿触发器输出状态为高电平，使参考电压2.56V接入差动放大器的同相端。8.2.6 型型A/D转换器转换器由于积分器电容两端的电荷处于平衡状态，充电电荷与放电电荷量相等 12T ITI充放1I2I(0V)/(2.56V)/TuRTuRI2() 2.56VuT T多次充放电，采用多次累加的方法，用多次放电周期之和与多次充放电周期之和的比值确定输入电压 2(1)2(2)2( )2ZI(1)(2)( )Z2.56V2.56VkkTTTTuTTTT1.转换精度转换精度 8.2.7 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 单片集成单片集成A/D转换器的转换精度是用分辨率和转换误差来描转换器的转换精度是用分辨率和转换误差来描述的。述的。 分辨率分辨率: 说明说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。通常以输出二进转换器对输入信号的分辨能力。通常以输出二进制制(或十进制或十进制)数的位数表示。数的位数表示。 转换误差：转换误差： 表示表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字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。量之间的差别。 2.转换时间转换时间 指指A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得转换器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。到稳定的数字信号所经过的时间。 A/D转换器的转换时间转换器的转换时间与转换电路的类型有关与转换电路的类型有关并行比较并行比较A/D转换器的转换速度最高转换器的转换速度最高 ,逐次比较型逐次比较型A/D转换器次之转换器次之 ,间接间接A/D转换器转换器(如双积分如双积分A/D)的速度最慢。的速度最慢。 并行比较并行比较A/D转换器转换器(8位）位） 逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器 间接间接A/D转换器转换器1050 s50ns10ms1000ms8.2.8 集成集成A/D转换器及其应用转换器及其应用8.2.8 集成集成A/D转换器及其应用转换器及其应用