数字电路第8章A-D转换.ppt

第八章 数-模和模-数转换,本章讲授数-模转换（把数字量转换成相应的模拟量和模-数转换（把模拟量转换成相应的模拟量）的基本原理和常见的典型电路。,目的：了解A/D、D/A转换电路的基本工作原理； 掌握A/D、D/A转换电路的基本使用方法；,8.1 概述,权电阻网络D/A转换器； 倒梯形电阻网络D/A转换器； 权电流型D/A转换器； 权电容网络D/A转换器； 开关树型D/A转换器；,D/A转换器类型,A/D转换器类型,直接A/D转换器,并联比较型 反馈比较型,间接A/D转换器,电压时间型(V-T型) 电压频率型(V-F型),8.2 D/A转换器,8.2.1 权电阻网络D/A转换器,结构：图9.2.1 是四位电阻网络D/A转换器，它是由全电阻网络、4个模拟开关和1个求和放大器组成。,求和放大器是一个接成负反馈的运算放大器（近似为理想放大器即输入电阻为无穷大，输出电阻为零）,8.2 D/A转换器,8.2.1 权电阻网络D/A转换器,原理：在认为运算放大器输入电流为零的条件下可得到：,V0=RFi = RF(I0+ I1+I2+I3),由于V+=V0 RF=R/2 则得到，,V0=,8.2 D/A转换器,8.2.1 权电阻网络D/A转换器,对于n位的权电阻网络D/A转换器，当反馈电阻取为R/2时，输出电压的计算公式可写成,V0=,=,上式表明，输出的模拟电压正比于输入的数字量，从而实现了从数字量到模拟量的转换。,当 Dn=0 时 V0=0，当Dn=1111时 V0=,V0的最大变化范围是0 ,8.2 D/A转换器,8.2.1 权电阻网络D/A转换器,特点： 电路结构简单 电阻误差大 开关有导通电阻 转换时间短 电压范围,8.2 D/A转换器,8.2.2 倒T型电阻网络D/A转换器,权电阻网络D/A转换器的优点是结构简单，所用电阻元件数目少。缺点是各个电阻的阻值相差较大，尤其位数较多时这个问题就更加突出。为了克服这一缺点，又研制出了倒T形电阻网络D/A转换器。,图8-2-2 倒T形电阻网D/A转换器,原理：由上图可知，因求和放大器反相输入端V-的电位始终接近于零，所以无论开关S3S2S1S0合到哪一边，都相当于接到地电位上，流过每一支路的电流始终不变。因此，可将图8-2-2电阻网等效为图8-2-3。,8.2.2 倒T型电阻网络D/A转换器,图8-2-2 倒T形电阻网络D/A转换器,图8-2-23 倒T形电阻网络支路电流等效电路,8.2.2 倒T型电阻网络D/A转换器,图8-2-2 倒T形电阻网络D/A转换器,如果令di=0时开关Si接地，di=1时Si接V(虚地），可求得I：,输出电压为：,对于n位输入的倒T形电阻网络D/A转换器，输出模拟电压为：,特点： 电路结构简单 电阻误差较小 开关有导通电阻 转换时间短 电压范围,8.2.3 权电流型D/A转换电路,特点： 电路结构较复杂 转换时间短 开关的导通电阻 影响不大 转换电压精度高,8.2.4 开关树型D/A转换电路,特点： 结构简单 转换时间短 电阻单一 对开关内阻要求不高 易于集成,8.2.5 权电容型D/A转换电路,特点： 输出的精度仅与电容的比例有关，与电容的绝对值无关。 输出的稳定度不受开关内阻和参 考电源的影响。 稳态下，电容网络不消耗功 率。 容易集成（cmos可制作电容） 转换时间长 集成度不高,8.2.6 双极性权电阻型D/A转换电路,加偏移电路，使输入为1000时的输出为0,补码的符号位取反，使单极性转换电路通过加入偏移电路，实现双极性转换。,8.2.7 D/A转换器的转换精度与速度,D/A转换的主 要技术指标:,转换精度包括：,转换速度,分辨率、,转换误差,用能分辨的最小电压（LSB）与最大电压（满量程FSR）之比来表示分辨率,由电阻网络、模拟开关、参考电源、运算放大器温漂等环节，造成输出模拟电压存在误差，称其为转换误差 。,输入数字量给出的时刻到输出模拟电压进入稳定值所需要的时间，即所谓的建立时间tset。,8.2.7 D/A转换器的转换精度与速度,转换误差：,绝对误差,相对误差,是指实际输出电压与理想输出电压之间的差值，通常用LSB的多少倍表示,相对误差则是指绝对误差与满量程输出电压（FSR）之间的比值,8.2.8 集成D/A转换器,倒T型网络,模拟地,数字地,八位并行输入集成数/模转换器DAC0832,8.2.8 集成D/A转换器,DAC0832中的倒T型网络,8.2.8 集成D/A转换器,无缓冲输入方式,单缓冲输入方式,双缓冲输入方式,8.2.8 集成D/A转换器,DAC0832的性能指标 （美国国半） 转换速度：1s 转换精度：0.2%FSR(满量程）,8.2.8 集成D/A转换器,十位串行输入集成数/模转换器MAX515,SDI是16位串行数据输入端，前4位是数据填充位，最后2位是结束位。,8.3.1 A/D转换电路的基本原理,一、功能,在规定时间(转换时间)内，把模拟电信号在时刻t的幅度值（压值)，转换为一个相应的数据。,8-3 A/D转换器,A/D转换的过程是首先对模拟电压信号取样，取样结束后进入保持时间，在这一时间段内将取样的电压量化为数字量，并按一定的编码形式给出转换结果。然后再进行下一次取样。,8.3.1 A/D转换电路的基本原理,二、取样定理,8-3 A/D转换器,为了能正确用取样信号Vs表示模拟信号VI取样信号必须满足：,为取样频率,输入模拟信号VI的最高频率分量的频率,fS 2 fi(max),同常取fS = （35） fi(max),三、量化和编码,编码就是将模拟信号量化的结果用二进制代码表示。,编码规则：如果1位二进制数表示电压幅度，则任意电压幅度的量化结果是N。,量化单位,换言之：量化就是使模拟信号在幅度上离散。,在A/D转换时，必须把取样电压表示为某一最小单位的整数倍，这个转化过程叫做量化。,量化误差：因连续的模拟电压不一定能被整除而产生误差。,要求将01V的模拟电压转换成3位二进制编码。,量化误差=1/8V,量化误差 =/2=1/15V,量化和编码示例一,8.3.2 取样保持电路,根据A/D转换器的转换原理，对模拟信号取样后必须保持一段时间，直到完成本次转换后才能进行下一次取样。,模拟电压输入,取样控制信号,取样信号输出,工作原理：当取样信号VL为高电平时MOS管T导通，输入信号VI经电阻RI和T向CH充电。若取RI=RF则充电结束后VO=VCH=-VI。 当VL返回低电平后，T管截止。由于CH没有泄放回路，顾其上的电压可保持一段时间不变，故VO= VCH=-VI 也保持不变。,8.3.3 直接A/D转换器,一、并联比较型A/D转换器,特点： 转换时间短 可达到50ns。 电路规模大， 输出n位代码的A/D须要2n-1个比较器、 2n-1触发器和庞大的代码转换电路 可不加取样-保持电路,图 9-3-2 并联比较型A/D转换电路,二、逐次计数比较A/D转换电路,特点： 转换时间长 电路规模小 需加取样-保持电路,图9-3-3 逐次计数比较A/D转换电路,y(t),原理：转换开始前先用复位信号将计数器置零，等转换信号到达，则计数器计数，D/A转换电路输出模拟电压y(t)并与输入电压x(t)比较，当y(t)大于x(t)时, b为0，使计数器停止计数，这时计数器中所存的数字就是所求的输出数字信号。,三、逐次渐近比较A/D转换电路,原理：转换开始先将寄存器复位置0，转换电平变高开始转换，时钟信号先将寄存器的最高位置成1，使寄存器的输出为10000。这个数字量被DAC转换成模拟电压y(t)，并将y(t)与x(t)比较。如果y(t) x(t)，说明数字过大，则这个1应去掉；如果 y(t) x(t)，则说明数字不够大，这个1应保留。然后，再按同样方法将次高位置1，并比较y(t) 、x(t)的大小以确定这一位的1是否保留。这样逐位比较下去，直到最低比较完成为止。这时寄存器里的数字即为所求的输出。,图9-3-3 逐次渐近比较A/D转换电路,特点： 转换时间长 电路规模小 需加取样-保持电路,8.3.4 间接A/D转换器,间接A/D转换器 分类,电压-时间变换型 (简称V-T变换型),电压-频率变换型 (简称V-F变换型),在V-T型A/D转换器中，首先把输入的模拟电压信号转换成与之成正比的时间宽度信号，然后在这个时间宽度里对固定频率的时钟计数，计数的结果就是正比于输入模拟电压的数字信号。,在V-F型A/D转换器中，首先把输入的模拟电压信号转换成与之成正比的频率信号，然后在一个固定时间间隔里对得到的频率信号计数，计数的结果就是正比于输入模拟电压的数字信号,一、双积分型A/D转换器,1) S0闭合积分电容放电,2) S0打开、S1接通x(t)，积分器充电,3) S0打开、S1接通- VREF ，积分器放电，且计数器开始计数，直到判断vO=0，停止计数。,D为计数结果的数字量,TC为时钟的周期,若取,一、双积分型A