第九章 数模和模数转换.pdf

1 university of science and technology of china 第九章第九章第九章第九章 数 模与模 数转换器数 模与模 数转换器数 模与模 数转换器数 模与模 数转换器 第五版第五版506506506506页页 2 university of science and technology of china 9 19 19 19 1 概述概述概述概述 模 数转换器 模 数转换器 adcadcadcadc 是是将模拟信号转换将模拟信号转换 成数字信号成数字信号的电路 而数 模转换器 的电路 而数 模转换器 dacdacdacdac 是是将数字信号转换成模拟信号将数字信号转换成模拟信号的电路 由于的电路 由于d ad ad ad a 转换器的工作原理比转换器的工作原理比a da da da d转换器的工作原理简单转换器的工作原理简单 而且在有些而且在有些a da da da d转换器中需要用转换器中需要用d ad ad ad a转换器作为转换器作为 内部的反馈电路内部的反馈电路 故本章首先介绍故本章首先介绍d ad ad ad a转换器 转换器 3 university of science and technology of china 9 19 19 19 1 概述概述概述概述 1 1 1 1 数 模转换的基本原理和典型电路 数 模转换的基本原理和典型电路 主要介绍 主要介绍 权电阻网络数 模转换器 权电阻网络数 模转换器 倒梯形电阻网络数 模转换器 倒梯形电阻网络数 模转换器 权电流型数 模转换器 权电流型数 模转换器 开关树型数 模转换器 开关树型数 模转换器 权电容网络数 模转换器 权电容网络数 模转换器 最后两种转换器因最后两种转换器因学时所限不介绍学时所限不介绍 4 university of science and technology of china 9 19 19 19 1 概述概述概述概述 2 2 2 2 模 数转换的基本原理与典型电路 模 数转换的基本原理与典型电路 主要介绍 主要介绍 1 1 1 1 模 数转换的一般原理和步骤 模 数转换的一般原理和步骤 取样定理与量化和编码 取样定理与量化和编码 采样 保持电路 采样 保持电路 2 2 2 2 直接直接a da da da d转换器 转换器 并联比较型并联比较型a da da da d转换器 转换器 反馈比较型反馈比较型a da da da d转换器 转换器 5 university of science and technology of china 9 19 19 19 1 概述概述概述概述 3 3 间接间接a da da da d转换器 转换器 双积分型双积分型a da da da d转换器 转换器 v fv fv fv f变换型变换型a da da da d转换器 转换器 由于学时所限 间接由于学时所限 间接a da da da d转换器 转换器 d ad ad ad a转换转换 器和器和a da da da d转换器的转换精度以及转换速度等问题转换器的转换精度以及转换速度等问题 就不介绍了 就不介绍了 6 university of science and technology of china 9 2 d a9 2 d a9 2 d a9 2 d a转换器转换器转换器转换器 9 2 19 2 19 2 19 2 1 权电阻网络权电阻网络d ad ad ad a转换器转换器 我们已经知道 一个多位二进制数中每一位我们已经知道 一个多位二进制数中每一位 的的1 1所代表的数值大小称为这一位的权 所以对所代表的数值大小称为这一位的权 所以对 于二进制数于二进制数 其从最高位 其从最高位 msb msb 到最低位到最低位 lsb lsb 的权依次为 的权依次为 7 university of science and technology of china 9 2 d a9 2 d a9 2 d a9 2 d a转换器转换器转换器转换器 图图11 2 111 2 111 2 111 2 1是是4 4 4 4位权电阻网络位权电阻网络d ad ad ad a转换器的原转换器的原 理图 图中理图 图中s s s s3 3 3 3 s s s s2 2 2 2 s s s s1 1 1 1和和s s s s0 0 0 0是是4 4 4 4个电子开关 它个电子开关 它 们的状态分别受输入代码们的状态分别受输入代码d d d d3 3 3 3 d d d d2 2 2 2 d d d d1 1 1 1和和d d d d0 0 0 0的取的取 值控制 值控制 当代码当代码 d d d di i i i 1 1 1 1时 开关接到参考电压时 开关接到参考电压 v v v vrefrefrefref上 相应地有支路电流流向求和放大器上 相应地有支路电流流向求和放大器 运放运放 d d d di i i i 0 0 0 0时支路电流为零 时支路电流为零 8 university of science and technology of china 9 2 19 2 19 2 19 2 1 权电阻网络权电阻网络权电阻网络权电阻网络d ad ad ad a转换器转换器转换器转换器 图图图图图图图图11 2 1 11 2 1 11 2 1 11 2 1 11 2 1 11 2 1 11 2 1 11 2 1 权电阻网络权电阻网络权电阻网络权电阻网络权电阻网络权电阻网络权电阻网络权电阻网络d ad ad ad ad ad ad ad a转换器转换器转换器转换器转换器转换器转换器转换器 9 university of science and technology of china 9 2 19 2 19 2 19 2 1 权电阻网络权电阻网络权电阻网络权电阻网络d ad ad ad a转换器转换器转换器转换器 求和放大器是一个负反馈放大器 其中运求和放大器是一个负反馈放大器 其中运 放放a a a a视为理想运放 其工作原理为 视为理想运放 其工作原理为 v v v v v v v v 时 运放输出电压时 运放输出电压 v v v vo o o o为正 为正 v v v v v v v v 时 运时 运 放输出电压放输出电压v v v vo o o o为负 为负 在认为运放输入电流为在认为运放输入电流为 零的条件下 可以得到 零的条件下 可以得到 10 university of science and technology of china 9 2 19 2 19 2 19 2 1 权电阻网络权电阻网络权电阻网络权电阻网络d ad ad ad a转换器转换器转换器转换器 v v v vo o o o r r r rf f f f i i i i3 3 3 3 i i i i2 2 2 2 i i i i1 1 1 1 i i i i0 0 0 0 11 2 1 11 2 1 11 2 1 11 2 1 由于由于v 0v 0v 0v 0 故各支路电流为 故各支路电流为 i i i i3 3 3 3 v v v vrefrefrefrefd d d d3 3 3 3 r i r i r i r i1 1 1 1 v v v vrefrefrefrefd d d d1 1 1 1 2 2 2 22 2 2 2r r r r i i i i2 2 2 2 v v v vrefrefrefrefd d d d2 2 2 2 2r i 2r i 2r i 2r i0 0 0 0 v v v vrefrefrefrefd d d d0 0 0 0 2 2 2 23 3 3 3r r r r 将它们代入式将它们代入式 11 2 1 11 2 1 11 2 1 11 2 1 并取并取r r r rf f f f r 2r 2r 2r 2 则得到则得到 v v v vo o o o 11 2 2 11 2 2 11 2 2 11 2 2 11 university of science and technology of china 9 2 19 2 19 2 19 2 1 权电阻网络权电阻网络权电阻网络权电阻网络d ad ad ad a转换器转换器转换器转换器 对于对于n n n n位的权电阻网络位的权电阻网络d ad ad ad a转换器 当反馈转换器 当反馈 电阻取为电阻取为r 2r 2r 2r 2时 输出电压的计算公式可写成 时 输出电压的计算公式可写成 v v v vo o o o 11 2 3 11 2 3 11 2 3 11 2 3 上式表明 上式表明 输出的模拟电压输出的模拟电压v v v vo o o o正比于输入正比于输入 的数字量的数字量d d d dn n n n 从而实现了从数字量到模拟量的从而实现了从数字量到模拟量的 转换 转换 12 university of science and technology of china 9 2 19 2 19 2 19 2 1 权电阻网络权电阻网络权电阻网络权电阻网络d ad ad ad a转换器转换器转换器转换器 图图11 2 111 2 111 2 111 2 1所示电路的优点是 所用电阻元件所示电路的优点是 所用电阻元件 很少 电路结构简单 它的很少 电路结构简单 它的缺点是缺点是 各个电阻的各个电阻的 阻值相差较大 阻值相差较大 如输入的数字量增加到如输入的数字量增加到8 8 8 8位时 位时 权电阻网络中最小的电阻和最大的电阻阻值将相权电阻网络中最小的电阻和最大的电阻阻值将相 差差128128128128倍 如倍 如r 10k 2r 10k 2r 10k 2r 10k 27 7 7 7r 1 28mr 1 28mr 1 28mr 1 28m 要在很宽的 要在很宽的 阻值范围内保证每个电阻都有很高的精度是十分阻值范围内保证每个电阻都有很高的精度是十分 困难的 特别对制作集成电路更加不利 困难的 特别对制作集成电路更加不利 13 university of science and technology of china 9 2 19 2 19 2 19 2 1 权电阻网络权电阻网络权电阻网络权电阻网络d ad ad ad a转换器转换器转换器转换器 为克服这个缺点 在输入数字量的位数较为克服这个缺点 在输入数字量的位数较 多时多时 可以采用图可以采用图11 2 211 2 211 2 211 2 2所示的所示的双级权电阻网络双级权电阻网络 即即每一级仍然用每一级仍然用4 4 4 4个电阻个电阻 它们之间的阻值之比 它们之间的阻值之比 还是还是1 1 1 1 2 2 2 2 4 4 4 4 8 8 8 8 可以证明 只要 可以证明 只要两级间的串两级间的串 联电阻联电阻rsrsrsrs 8r 8r 8r 8r 则可得到与式则可得到与式 11 2 3 11 2 3 11 2 3 11 2 3 完全相同完全相同 的输出表达式 即 的输出表达式 即 vo vo vo vo 14 university of science and technology of china 9 2 19 2 19 2 19 2 1 权电阻网络权电阻网络权电阻网络权电阻网络d ad ad ad a转换器转换器转换器转换器 图图图图图图图图11 2 2 11 2 2 11 2 2 11 2 2 11 2 2 11 2 2 11 2 2 11 2 2 双级权电阻网络双级权电阻网络双级权电阻网络双级权电阻网络双级权电阻网络双级权电阻网络双级权电阻网络双级权电阻网络d ad ad ad ad ad ad ad a转换器转换器转换器转换器转换器转换器转换器转换器 15 university of science and technology of china 9 2 19 2 19 2 19 2 1 权电阻网络权电阻网络权电阻网络权电阻网络d ad ad ad a转换器转换器转换器转换器 9 2 2 9 2 2 倒倒t t t t形电阻网络形电阻网络d ad ad ad a转换器转换器 图图11 2 311 2 311 2 311 2 3所示倒所示倒t t t t形电阻网络形电阻网络d ad ad ad a转换器只转换器只 用了用了r r r r和和2r2r2r2r两种阻值的电阻两种阻值的电阻 有效地克服了权有效地克服了权 电阻网络电阻网络d ad ad ad a转换器中电阻阻值相差太大的缺转换器中电阻阻值相差太大的缺 点 由图可见 点 由图可见 因为求和放大器反相输入端因为求和放大器反相输入端v v v v 的电位始终接近于零 所以无论开关的电位始终接近于零 所以无论开关s s s s3 3 3 3 s s s s2 2 2 2 s s s s1 1 1 1 s s s s0 0 0 0合到哪一边 都相当于接到了合到哪一边 都相当于接到了 地地 电位电位 上 流过每条支路的电流也始终不变上 流过每条支路的电流也始终不变 16 university of science and technology of china 9 2 29 2 29 2 29 2 2 倒倒倒倒t t t t形电阻网络形电阻网络形电阻网络形电阻网络d ad ad ad a转换器转换器转换器转换器 图图图图图图图图11 2 3 11 2 3 11 2 3 11 2 3 11 2 3 11 2 3 11 2 3 11 2 3 倒倒倒倒倒倒倒倒t t t t t t t t型型型型型型型型电阻网络电阻网络电阻网络电阻网络电阻网络电阻网络电阻网络电阻网络d ad ad ad ad ad ad ad a转换器转换器转换器转换器转换器转换器转换器转换器 17 university of science and technology of china 9 2 29 2 29 2 29 2 2 倒倒倒倒t t t t形电阻网络形电阻网络形电阻网络形电阻网络d ad ad ad a转换器转换器转换器转换器 这样 在计算倒这样 在计算倒t t t t形电阻网络中各支路的电形电阻网络中各支路的电 流时 可以将电阻网络等效地画成图流时 可以将电阻网络等效地画成图11 2 411 2 411 2 411 2 4的形的形 式 于是式 于是从从aaaa bbbb cccc dddd每个端口向左看过去每个端口向左看过去 的等效电阻都是的等效电阻都是r r r r 因此从参考电压源因此从参考电压源v v v vref refrefref流入 流入 倒倒t t形电阻网络的总电流为形电阻网络的总电流为i vi vi vi vref refrefref r r r r 而每个支 而每个支 路的电流依次为路的电流依次为i 2i 2i 2i 2 i 4i 4i 4i 4 i 8i 8i 8i 8 i 16i 16i 16i 16 18 university of science and technology of china 9 2 29 2 29 2 29 2 2 倒倒倒倒t t t t形电阻网络形电阻网络形电阻网络形电阻网络d ad ad ad a转换器转换器转换器转换器 图图图图图图图图11 2 4 11 2 4 11 2 4 11 2 4 11 2 4 11 2 4 11 2 4 11 2 4 计算倒计算倒计算倒计算倒计算倒计算倒计算倒计算倒t t t t t t t t型型型型型型型型电阻网络支路电流的等效电路电阻网络支路电流的等效电路电阻网络支路电流的等效电路电阻网络支路电流的等效电路电阻网络支路电流的等效电路电阻网络支路电流的等效电路电阻网络支路电流的等效电路电阻网络支路电流的等效电路 19 university of science and technology of china 9 2 29 2 29 2 29 2 2 倒倒倒倒t t t t形电阻网络形电阻网络形电阻网络形电阻网络d ad ad ad a转换器转换器转换器转换器 如果令如果令d d d di i i i 0 0时开关时开关s s s si i i i接地接地 v v v v 端端 而 而d d d di i i i 1 1的的s s s si i i i接接 到到v v v v 端 则由图端 则由图11 2 311 2 311 2 311 2 3可知可知 将将i vi vi vi vref refrefref r r r r代入代入 在求和放大器的反馈电阻阻值为在求和放大器的反馈电阻阻值为r r r r的条件下 的条件下 20 university of science and technology of china 9 2 29 2 29 2 29 2 2 倒倒倒倒t t t t形电阻网络形电阻网络形电阻网络形电阻网络d ad ad ad a转换器转换器转换器转换器 输出电压为输出电压为 v v v vo o o o 11 2 4 11 2 4 11 2 4 11 2 4 对于对于n n位的倒位的倒t t形电阻网络形电阻网络d ad a转换器 在求转换器 在求 和放大器的反馈电阻阻值为和放大器的反馈电阻阻值为r r的条件下 输出模的条件下 输出模 拟电压的计算公式为拟电压的计算公式为 11 2 5 11 2 5 11 2 5 11 2 5 vo vo vo vo 21 university of science and technology of china 9 2 29 2 29 2 29 2 2 倒倒倒倒t t t t形电阻网络形电阻网络形电阻网络形电阻网络d ad ad ad a转换器转换器转换器转换器 上式说明上式说明输出的模拟电压输出的模拟电压v v v v0 0 0 0与输入的数字与输入的数字 量量d d d dn n n n成正比成正比 而且和权电阻网络 而且和权电阻网络d ad ad ad a转换器输出转换器输出 电压的计算公式相同 电压的计算公式相同 实际电路见实际电路见p p p p511511511511的图的图11 2 511 2 511 2 511 2 5和图和图11 2 611 2 611 2 611 2 6 22 university of science and technology of china 9 2 29 2 29 2 29 2 2 倒倒倒倒t t t t形电阻网络形电阻网络形电阻网络形电阻网络d ad ad ad a转换器转换器转换器转换器 图图图图图图图图11 2 5 cb752011 2 5 cb752011 2 5 cb752011 2 5 cb752011 2 5 cb752011 2 5 cb752011 2 5 cb752011 2 5 cb7520 ad7520ad7520ad7520ad7520ad7520ad7520ad7520ad7520 的电路原理图的电路原理图的电路原理图的电路原理图的电路原理图的电路原理图的电路原理图的电路原理图 23 university of science and technology of china 9 2 29 2 29 2 29 2 2 倒倒倒倒t t t t形电阻网络形电阻网络形电阻网络形电阻网络d ad ad ad a转换器转换器转换器转换器 图图图图图图图图11 2 6 cb752011 2 6 cb752011 2 6 cb752011 2 6 cb752011 2 6 cb752011 2 6 cb752011 2 6 cb752011 2 6 cb7520中的中的中的中的中的中的中的中的cmoscmoscmoscmoscmoscmoscmoscmos模拟开关电路模拟开关电路模拟开关电路模拟开关电路模拟开关电路模拟开关电路模拟开关电路模拟开关电路 24 university of science and technology of china 9 2 39 2 39 2 39 2 3 权电流型权电流型权电流型权电流型d ad ad ad a转换器转换器转换器转换器 9 2 39 2 39 2 39 2 3 权电流型权电流型d ad ad ad a转换器转换器 在前面介绍的两种在前面介绍的两种d ad ad ad a转换器中 都把模拟开转换器中 都把模拟开 关当作理想开关处理 没有考虑它们的导通电阻关当作理想开关处理 没有考虑它们的导通电阻 和导通压降 而实际上这些开关总有一定的导通和导通压降 而实际上这些开关总有一定的导通 电阻和导通压降 而且每个开关的情况又不完全电阻和导通压降 而且每个开关的情况又不完全 相同 它们的存在无疑将引起转换误差 影响转相同 它们的存在无疑将引起转换误差 影响转 换精度 图换精度 图11 2 711 2 711 2 711 2 7所示权电流型所示权电流型d ad a转换器的出现转换器的出现 就是解决这个问题的一种方法 就是解决这个问题的一种方法 25 university of science and technology of china 9 2 39 2 39 2 39 2 3 权电流型权电流型权电流型权电流型d ad ad ad a转换器转换器转换器转换器 图图图图图图图图11 2 7 11 2 7 11 2 7 11 2 7 11 2 7 11 2 7 11 2 7 11 2 7 权电流权电流权电流权电流权电流权电流权电流权电流型型型型型型型型d ad ad ad ad ad ad ad a转换器转换器转换器转换器转换器转换器转换器转换器 26 university of science and technology of china 9 2 39 2 39 2 39 2 3 权电流型权电流型权电流型权电流型d ad ad ad a转换器转换器转换器转换器 在这种电路中 有一组恒流源 每个恒流在这种电路中 有一组恒流源 每个恒流 源电流的大小依次为前一个的源电流的大小依次为前一个的1 21 2 和输入二进 和输入二进 制数对应位的制数对应位的 权权 成正比 由于采用了恒流成正比 由于采用了恒流 源 每个支路电流的大小不再受开关内阻和压源 每个支路电流的大小不再受开关内阻和压 降的影响 从而降低了对开关电路的要求 降的影响 从而降低了对开关电路的要求 图图11 2 811 2 8是权电流型是权电流型d a d a 转换器中的恒流转换器中的恒流 源 只要在电路工作时保证源 只要在电路工作时保证v vb b和和v vee ee稳定不变 稳定不变 则三极管的集电极电流可保持恒定 不受开关则三极管的集电极电流可保持恒定 不受开关 内阻的影响 如式内阻的影响 如式 11 2 6 11 2 6 所示 所示 27 university of science and technology of china 9 2 39 2 39 2 39 2 3 权电流型权电流型权电流型权电流型d ad ad ad a转换器转换器转换器转换器 图图图图图图图图11 2 8 11 2 8 11 2 8 11 2 8 11 2 8 11 2 8 11 2 8 11 2 8 权电流权电流权电流权电流权电流权电流权电流权电流型型型型型型型型d ad ad ad ad ad ad ad a转换器中的恒流源转换器中的恒流源转换器中的恒流源转换器中的恒流源转换器中的恒流源转换器中的恒流源转换器中的恒流源转换器中的恒流源 28 university of science and technology of china 9 2 39 2 39 2 39 2 3 权电流型权电流型权电流型权电流型d ad ad ad a转换器转换器转换器转换器 11 2 6 11 2 6 11 2 6 11 2 6 当某位代码当某位代码d d d di i i i 1 1 1 1时 对应的开关将恒流源接时 对应的开关将恒流源接 至运放的至运放的v v v v 端 而当端 而当d d d di i i i 0 0 0 0时 对应的开关接地 时 对应的开关接地 故输出电压如下故输出电压如下 可见可见v v v vo o o o正比于输入的数字量 正比于输入的数字量 r vvv i ei beeeb i 11 2 7 11 2 7 11 2 7 11 2 7 29 university of science and technology of china 9 2 39 2 39 2 39 2 3 权电流型权电流型权电流型权电流型d ad ad ad a转换器转换器转换器转换器 在相同的在相同的v v v vb b b b和和v v v vee eeeeee取值下 为了得到一组依 取值下 为了得到一组依 次为次为1 21 21 21 2递减的电流源 就需要用到一组不同阻递减的电流源 就需要用到一组不同阻 值的电阻 为减少阻值的种类 在实用的权电流值的电阻 为减少阻值的种类 在实用的权电流 型型d ad ad ad a转换器中经常利用倒转换器中经常利用倒t t t t形电阻网络的分流形电阻网络的分流 作用来产生所需的一组恒流源 如图作用来产生所需的一组恒流源 如图11 2 911 2 911 2 911 2 9所示 所示 不难得出输出模拟电压表达式如下 不难得出输出模拟电压表达式如下 11 2 10 11 2 10 11 2 10 11 2 10 d r vr dddd r vr v n r n reff n n n n r n reff o 2 2222 2 0 0 1 1 2 2 1 1 30 university of science and technology of china 9 2 39 2 39 2 39 2 3 权电流型权电流型权电流型权电流型d ad ad ad a转换器转换器转换器转换器 图图图图图图图图11 2 9 11 2 9 11 2 9 11 2 9 11 2 9 11 2 9 11 2 9 11 2 9 利用倒利用倒利用倒利用倒利用倒利用倒利用倒利用倒t t t t t t t t型型型型型型型型电阻网络的权电流型电阻网络的权电流型电阻网络的权电流型电阻网络的权电流型电阻网络的权电流型电阻网络的权电流型电阻网络的权电流型电阻网络的权电流型d a d a d a d a d a d a d a d a 转换器转换器转换器转换器转换器转换器转换器转换器 31 university of science and technology of china 9 2 39 2 39 2 39 2 3 权电流型权电流型权电流型权电流型d ad ad ad a转换器转换器转换器转换器 图图11 2 1011 2 1011 2 1011 2 10是是dac0808dac0808dac0808dac0808的电路结构框图 图中的电路结构框图 图中 d d d d0 0 0 0 d d d d7 7 7 7是是8 8 8 8位数字量的输入端 位数字量的输入端 i i i io o o o是求和电流的输是求和电流的输 出端 需注意的是 出端 需注意的是 使用使用dac0808dac0808dac0808dac0808这类器件构成这类器件构成 d ad ad ad a转换器时需要外接运算放大器和产生基准电转换器时需要外接运算放大器和产生基准电 流用的流用的r r r rr r r r 如图如图11 2 1111 2 1111 2 1111 2 11所示 输出电压为 所示 输出电压为 11 2 11 11 2 11 11 2 11 11 2 11 ddv r r vnnref r f o 22 88 10 32 university of science and technology of china 9 2 39 2 39 2 39 2 3 权电流型权电流型权电流型权电流型d ad ad ad a转换器转换器转换器转换器 图图图图图图图图11 2 10 dac080811 2 10 dac080811 2 10 dac080811 2 10 dac080811 2 10 dac080811 2 10 dac080811 2 10 dac080811 2 10 dac0808的电路结构框图的电路结构框图的电路结构框图的电路结构框图的电路结构框图的电路结构框图的电路结构框图的电路结构框图 33 university of science and technology of china 9 2 39 2 39 2 39 2 3 权电流型权电流型权电流型权电流型d ad ad ad a转换器转换器转换器转换器 图图图图图图图图11 2 11 dac080811 2 11 dac080811 2 11 dac080811 2 11 dac080811 2 11 dac080811 2 11 dac080811 2 11 dac080811 2 11 dac0808的典型应用的典型应用的典型应用的典型应用的典型应用的典型应用的典型应用的典型应用 34 university of science and technology of china 9 39 39 39 3 a da da da d转换器转换器转换器转换器 9 3 19 3 19 3 19 3 1 a da da da d转换器的基本原理转换器的基本原理 a da da da d转换的过程 首先对输入的模拟转换的过程 首先对输入的模拟 电压信号取样 取样结束后进入保持时电压信号取样 取样结束后进入保持时 间 间 在保持时间内将取样的电压量化为数在保持时间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 字量 并按一定的编码形式给出转换结果 然后 再开始下一次取样 然后 再开始下一次取样 35 university of science and technology of china 9 3 19 3 19 3 19 3 1 a da da da d转换的基本原理转换的基本原理转换的基本原理转换的基本原理 一 一 取样定理取样定理 525525525525页 页 因为输入的模拟信号在时间上是连续变化因为输入的模拟信号在时间上是连续变化 的 而输出的数字信号是离散的 所以转换只能的 而输出的数字信号是离散的 所以转换只能 在一系列选定的瞬间对输入的模拟信号取样 然在一系列选定的瞬间对输入的模拟信号取样 然 后再把这些取样值转换成输出的数字量 后再把这些取样值转换成输出的数字量 对输入模拟信号取样的示意图如图对输入模拟信号取样的示意图如图11 3 111 3 111 3 111 3 1所所 示 图中示 图中v v v vi i i i为输入模拟信号 为输入模拟信号 vsvsvsvs为取样后得到为取样后得到 的阶梯变化的取样序列 的阶梯变化的取样序列 36 university of science and technology of china 9 3 19 3 19 3 19 3 1 a da da da d转换的基本原理转换的基本原理转换的基本原理转换的基本原理 图图图图图图图图11 3 1 11 3 1 11 3 1 11 3 1 11 3 1 11 3 1 11 3 1 11 3 1 对输入模拟信号的取样对输入模拟信号的取样对输入模拟信号的取样对输入模拟信号的取样对输入模拟信号的取样对输入模拟信号的取样对输入模拟信号的取样对输入模拟信号的取样 37 university of science and technology of china 9 3 19 3 19 3 19 3 1 a da da da d转换的基本原理转换的基本原理转换的基本原理转换的基本原理 由图可见 为了能正确无误地用取样后得由图可见 为了能正确无误地用取样后得 到的阶梯变化序列到的阶梯变化序列vsvsvsvs表示模拟信号表示模拟信号v v v vi i i i 取样信取样信 号必须有足够高的频率 可以证明 为了保证号必须有足够高的频率 可以证明 为了保证 能从取样信号将原来的被取样信号恢复能从取样信号将原来的被取样信号恢复 由由vsvsvsvs 恢复恢复v v v vi i i i 必须满足 必须满足 11 3 1 11 3 1 11 3 1 11 3 1 式中式中 为取样频率 为取样频率 为输入模拟信号为输入模拟信号 v v v vi i i i的最高频率分量的频率 此式即为取样定理的最高频率分量的频率 此式即为取样定理 ff is max 2 f s f i max 38 university of science and technology of china 9 3 19 3 19 3 19 3 1 a da da da d转换的基本原理转换的基本原理转换的基本原理转换的基本原理 该定理说明 该定理说明 为了由为了由vsvsvsvs准确恢复准确恢复v v v vi i i i 取样取样 信号频率信号频率 必须大于被取样信号必须大于被取样信号v v v vi i i i最高频率最高频率 两倍以上 两倍以上 在输入模拟信号最高频率一定的条件下 取在输入模拟信号最高频率一定的条件下 取 样频率越高样频率越高 则在模拟信号则在模拟信号v v v vi i i i的一个变化周期内的一个变化周期内 取得的样本就越多取得的样本就越多 取样序列取样序列vsvsvsvs的值与输入模拟的值与输入模拟 信号信号v v v vi i i i的误差也就越小 但也不能无限制地提高的误差也就越小 但也不能无限制地提高 取样频率取样频率 通常取通常取 3 5 3 5 3 5 3 5 即即可 可 f s f i max f s f i max 39 university of science and technology of china 9 3 19 3 19 3 19 3 1 a da da da d转换的基本原理转换的基本原理转换的基本原理转换的基本原理 二 二 量化和编码量化和编码 因为数字信号不仅在时间上是离散的 而因为数字信号不仅在时间上是离散的 而 且数值大小的变化也是不连续的 所以 任何且数值大小的变化也是不连续的 所以 任何 一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量 单位的整数倍 单位的整数倍 在进行在进行a da d转换时 必须把取样转换时 必须把取样 电压表示为这个最小单位的整数倍 这个转化电压表示为这个最小单位的整数倍 这个转化 过程叫做量化 所取的最小数量单位叫做量化过程叫做量化 所取的最小数量单位叫做量化 单位 用单位 用 表示 表示 40 university of science and technology of china 9 3 19 3 19 3 19 3 1 a da da da d转换的基本原理转换的基本原理转换的基本原理转换的基本原理 显然 数字信号最低有效位显然 数字信号最低有效位 lsb lsb lsb lsb 的的1 1 1 1所代表的所代表的 数量大小就等于数量大小就等于 把量化的结果用代码把量化的结果用代码 通常采用二进制 也通常采用二进制 也 可采用其它进制可采用其它进制 表示出来 称为编码 这些代表示出来 称为编码 这些代 码就是码就是a da da da d转换的输出结果 转换的输出结果 既然模拟电压是连续的 那么它就不一定能既然模拟电压是连续的 那么它就不一定能 被被 整除 因而量化过程不可避免地会引入误整除 因而量化过程不可避免地会引入误 差 这种误差称为差 这种误差称为量化误差量化误差 41 university of science and technology of china 9 3 19 3 19 3 19 3 1 a da da da d转换的基本原理转换的基本原理转换的基本原理转换的基本原理 将模拟电压信号划分为不同的量化等级将模拟电压信号划分为不同的量化等级 划划 分量化电平及相应编码分量化电平及相应编码 通常采用两种方法 如通常采用两种方法 如 图图11 3 311 3 311 3 311 3 3所所示 如图示 如图 a a a a 的最大量化误差是的最大量化误差是v 8v 8v 8v 8 而图而图 b b b b 的最大量化误差减小为的最大量化误差减小为v 15v 15v 15v 15 42 university of science and technology of china 9 3 19 3 19 3 19 3 1 a da da da d转换的基本原理转换的基本原理转换的基本原理转换的基本原理 111 110 101 100 011 010 001 000 111 110 101 100 011 010 001 000 输入 信号 1v 7 8v 6 8v 5 8v 4 8v 3 8v 2 8v 1 8v 0 二进制 代码 输入 信号 二进制 代码 1v 13 15v 11 15v 9 15v 7 15v 5 15v 3 15v 1 15v 0 代表的模拟 电压 7 7 8 v 6 6 8 v 5 5 8 v 4 4 8 v 3 3 8 v 2 2 8 v 1 1 8 v 0 0 v 代表的模拟 电压 7 14 15 v 6 12 15 v 5 10 15 v 4 8 15 v 3 6 15 v 2 4 15 v 1 2 15 v 0 0 v 图图图图图图图图9 3 3 9 3 3 9 3 3 9 3 3 9 3 3 9 3 3 9 3 3 9 3 3 划分量化电平的两种方法划分量化电平的两种方法划分量化电平的两种方法划分量化电平的两种方法划分量化电平的两种方法划分量化电平的两种方法划分量化电平的两种方法划分量化电平的两种方法 43 university of science and technology of china 9 3 2 9 3 2 9 3 2 9 3 2 取样保持电路取样保持电路取样保持电路取样保持电路 9 3 29 3 29 3 29 3 2 取样保持电路取样保持电路 527527页 页 取样保持电路的基本形式如图取样保持电路的基本形式如图11 3 511 3 511 3 511 3 5 图中 图中 t t t t是是n n n n沟道增强型沟道增强型mosmosmos mos管 作模拟开关使用 管 作模拟开关使用 当当v v v vl l l l为高电平时为高电平时t t t t导通 输入电压导通 输入电压v v v vi i i i经电阻经电阻r r r ri i i i 和和t t t t向电容向电容c c c ch h h h充电 若取充电 若取r r r ri i i i r r r rf f f f 并忽略运放并忽略运放 的输入电流 则充电的输入电流 则充电结束结束后 后 v v v vo o o o vcvcvcvc v v v vi i i i 当 当 v v v vl l l l返回低电平以后 返回低电平以后 mosmosmosmos管截止 管截止 v v v vo o o o 即即 v v v vi i i i 将在一段时间内被保存在将在一段时间内被保存在c c c ch h h h上 上 44 university of science and technology of china 9 3 2 9 3 2 9 3 2 9 3 2 取样保持电路取样保持电路取样保持电路取样保持电路 图图图图图图图图11 3 5 11 3 5 11 3 5 11 3 5 11 3 5 11 3 5 11 3 5 11 3 5 取样 保持电路的基本形式取样 保持电路的基本形式取样 保持电路的基本形式取样 保持电路的基本形式取样 保持电路的基本形式取样 保持电路的基本形式取样 保持电路的基本形式取样 保持电路的基本形式 45 university of science and technology of china 9 3 2 9 3 2 9 3 2 9 3 2 取样保持电路取样保持电路取样保持电路取样保持电路 图图11 3 511 3 511 3 511 3 5所示电路很不完善 取样速度很所示电路很不完善 取样速度很 低 详见低 详见p p p p528528528528 解决的方法是在输入端增加一 解决的方法是在输入端增加一 级隔离放大器 如图级隔离放大器 如图11 3 611 3 611 3 611 3 6所示的所示的lf398lf398lf398lf398电路 电路 图中图中s s s s为模拟开关 为模拟开关 v v v vl l l l 1 1时时s s s s接通 电路处于取接通 电路处于取 样工作状态 运放样工作状态 运放a a a a1 1 1 1和和a a a a2 2 2 2均工作于电压跟随器均工作于电压跟随器 状态 状态 v v v vo o o o v v v vo o o o1 v v v vi i i i 当在当在r r r r2 2 2 2的引出端的引出端 第第6 6脚脚 与地之间接入电容与地之间接入电容c c c ch h h h后 则在后 则在v v v vl l l l 0 0 0 0时时s s s s断开 断开 电路进入保持状态 电路进入保持状态 v v v vi i i i 就被保持在就被保持在c c c ch h h h上 上 46 university of science and technology of china 9 3 2 9 3 2 9 3 2 9 3 2 取样保持电路取样保持电路取样保持电路取样保持电路 图图图图图图图图11 3 6 11 3 6 11 3 6 11 3 6 11 3 6 11 3 6 11 3 6 11 3 6 集成取样 保持电路集成取样 保持电路集成取样 保持电路集成取样 保持电路集成取样 保持电路集成取样 保持电路集成取样 保持电路集成取样 保持电路lf398lf398lf398lf398lf398lf398lf398lf398 a a a a a a a a 电路结构电路结构电路结构电路结构电路结构电路结构电路结构电路结构 b b b b b b b b 典型接法典型接法典型接法典型接法典型接法典型接法典型接法典型接法 47 university of science and technology of china 9 3 2 9 3 2 9 3 2 9 3 2 取样保持电路取样保持电路取样保持电路取样保持电路 图图图图图图图图11 3 6 11 3 6 11 3 6 11 3 6 11 3 6 11 3 6 11 3 6 11 3 6 集成取样 保持电路集成取样 保持电路集成取样 保持电路集成取样 保持电路集成取样 保持电路集成取样 保持电路集成取样 保持电路集成取样 保持电路lf198lf198lf198lf198lf198lf198lf198lf198 a a a a a a a a 电路结构电路结构电路结构电路结构电路结构电路结构电路结构电路结构 b b b b b b b