电子电路第十一章

1、2021-12-71数-模 和 模-数 转换数字电路与系统2021-12-72北航 电子信息工程学院本章习题： 11.3; 11.5 11.14; 11.16数字电路与系统2021-12-73北航 电子信息工程学院 计算机技术飞速发展与普及，在现代控制、通信及检测领域中，对信号的处理广泛采用了数字技术 实际处理对象往往是模拟量（如温度、压力、位移、图像等），经处理后的输出信号往往也需要为模拟信号才能为执行机构所接收 数模和模数转换器是连接模拟和数字世界的纽带 概述数字电路与系统2021-12-74北航 电子信息工程学院 转换器的关键功能和性能功能： 在数字位流中准确表示模拟信号 提供数字信号处

2、理电路的平滑接口性能： 速度，转换器能够进行转换的取样速率（每秒取样数量） 精度，转换信号的精确程度，以位数来计量的分辨率概述数字电路与系统2021-12-75北航 电子信息工程学院11.1 D/A转换器 11.2 A/D转换器 数字电路与系统2021-12-76北航 电子信息工程学院 D/A转换器基本原理 几种D/A转换器 D/A转换器的精度与速度11.1 D/A转换器数字电路与系统2021-12-77北航 电子信息工程学院n D/A转换器基本原理将模拟量A与数字量D 相对应，需要一个模拟参考量R，使得： A=DR ；如果 max(A)=R，则 0D1数字量D 是一个二进制数：nnndddD

3、22202211D/A转换器DA数字电路与系统2021-12-78北航 电子信息工程学院Dn A 二进制整数乘以一个基本单位，称为量化单位, A为量化单位的整数倍 量化单位就是输入数字Dn的一个最低有效位LSB所对应的模拟量 电路中常用一个参考电压VREF作模拟参考量12120120120(222)(222 )22nREFREFnnnnREFnnnREFnnADVVdddVdddVDD/A转换器DnAVREFn D/A转换器基本原理数字电路与系统2021-12-79北航 电子信息工程学院n 几种D/A转换器+- -VoI- -I+V+V- 集成运算放大器的若干特点开环放大倍数非常大（105-1

4、07）输出Vo受电源电压限制，绝对值一般在15V以下，故：两输入端的差值非常小: 输入阻抗ri非常大（几百k以上）输入端的电流非常小： 输出阻抗ro非常小(几十 几百)输出端驱动能力大，带负载能力强VV0II(虚短路,虚地)（虚断路）数字电路与系统2021-12-710北航 电子信息工程学院 权电阻网络DAC3210()OFFvR iRIIII 组成： 权电阻网络 4个模拟开关 一个求和放大器S3S2S1S0 4个电子开关由d3d2d1d0控制n 几种D/A转换器数字电路与系统2021-12-711北航 电子信息工程学院 结构简单，所用电阻元件少 各阻值相差大，难以保证精度 权电阻网络DAC0

5、301212233222dRVIdRVIdRVIdRVIREFREFREFREF)2222(2)(0011223340123ddddVIIIIRiRvREFFFOOv的变化范围REF2110Vn数字电路与系统2021-12-712北航 电子信息工程学院倒T形电阻网络DAC电阻网络只有R, 2R两种阻值组成： 倒T形电阻网络 4个模拟开关 一个求和放大器S3S2S1S0 4个电子开关由d3d2d1d0控制n 几种D/A转换器数字电路与系统2021-12-713北航 电子信息工程学院倒T形电阻网络DAC 从AA、BB、CC、DD看进去的电阻都等效为R 从参考电源流入倒T形电阻网络的电流为I=VRE

6、F/R 流入每个支路的电流分别为I/2、I/4、I/8和I/16数字电路与系统2021-12-714北航 电子信息工程学院倒T形电阻网络DAC电阻值少，较常用012316842dIdIdIdIi)2222(2001122334ddddVRivREFO数字电路与系统2021-12-715北航 电子信息工程学院CB7520的电路原理图数字电路与系统2021-12-716北航 电子信息工程学院权电流型DAC 在权电阻网络和倒T形转换器中，模拟开关的导通电阻和导通电压会引起转换误差，影响转换精度 解决这个问题的方法之一是使用恒流源数字电路与系统2021-12-717北航 电子信息工程学院2343210

7、321043210222222222FOFIIIIviddddRR Idddd权电流型DAC数字电路与系统2021-12-718北航 电子信息工程学院EiBEEEBiRVVVI恒流源只要在电路工作时保证VB和VEE的电压稳定不变，则三极管的输出电流可保持恒定，其大小近似为：权电流型DAC数字电路与系统2021-12-719北航 电子信息工程学院 为了在权电流型D/A转换器中获得电流依次减少1/2的恒定电流源，常利用倒T形电阻网络EiBEEEBiRVVVI相同电位基准电流发生电路增大发射结面积权电流型DAC数字电路与系统2021-12-720北航 电子信息工程学院IRVIIRREFEREF323

8、2104321022222FREFORVRvddddR权电流型DAC数字电路与系统2021-12-721北航 电子信息工程学院权电流型电路（DAC0808）IO 是求和电流的输出端 VR+ 和VR- 接基准电流发生电路中运算放大器的反相输入端和同相输入端 COMP供外接补偿电容之用 VCC和VEE为正负电源输入端 数字电路与系统2021-12-722北航 电子信息工程学院10V 权电流型电路（DAC0808）7807880221010222iFREFOiiRiiniR VvDRDD当输入的数字量在全0和全1之间变化时，输出模拟电压的变化范围为09.96V 数字电路与系统2021-12-723北

9、航 电子信息工程学院开关树型DAC组成：电阻分压器树状开关网络12321021032102222222REFREFREFOREFVVVvdddVddd数字电路与系统2021-12-724北航 电子信息工程学院具有双极性电压输出的DAC通常将带符号的二进制数值表示成补码的形式希望D/A转换器将以补码形式输入的数表示成正/负极性的模拟电压例：3位二进制补码可以表示+3到-4之间的任何整数与十进制数的对应关系及希望得到的输出：数字电路与系统2021-12-725北航 电子信息工程学院前面的D/A转换器都是单极性的，只能输出正电压。在D/A转换电路中增加偏移电路：在输入100时，输出电压为0要求IB与

10、 相等i将补码符号位求反后输入转换器即可得到需要的输出电压数字电路与系统2021-12-726北航 电子信息工程学院n D/A转换器的精度与速度DAC的转换精度 D/A转换器的转换精度通常用分辨率和转换误差来描述 分辨率 D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数；由转换器位数，或者能够分辨的最小电压和最大电压的比表示 转换误差 参考电压的波动，运放零点漂移，模拟开关导通内阻和压降，电阻网络电阻偏差，三极管特性不一致等原因导致；绝对误差是指输入端加入最大数字量（全1）时，D/A转换器的理论值与实际值之差，该误差值应低于LSB/2 数字电路与系统2021-12-727北航 电子信息工程学院n D

11、/A转换器的精度与速度转换速度 建立时间 从输入数字量发生突变开始，到输出电压进入与稳态值相差 0.5LSB 范围内的时间； D/A转换器的建立时间较快，单片集成D/A转换器建立时间最短可达 0.1S 以内 数字电路与系统2021-12-728北航 电子信息工程学院 A/D转换器基本原理 直接A/D转换器 间接A/D转换器 A/D转换器的精度与速度A/D转换器数字电路与系统2021-12-729北航 电子信息工程学院n A/D转换器基本原理ADC输入的模拟信号在时间上连续，数值上连续；而输出的数字信号在时间上离散，数值上离散数字电路与系统2021-12-730北航 电子信息工程学院n A/D转

12、换器基本原理取样-保持：时间上离散 取样定理：采样频率必须大于等于输入模拟信号的最高频率的2倍； 取样后的样点值必须保存下来，并在取样脉冲结束之后到下1个取样脉冲到来之前保持不变，以便ADC电路将该样点值转换成数字量量化：数值上离散 将取样保持后的样点值（模拟信号）转化成最小数量单位（量化单位）（）的整数倍，有量化误差编码：量化结果用代码表示数字电路与系统2021-12-731北航 电子信息工程学院划分量化电平的两种方法111110101100011010001000111110101100011010001000输入信号1V7/8V6/8V5/8V4/8V3/8V2/8V1/8V0二进制代码

13、输入信号二进制代码1V13/15V11/15V9/15V7/15V5/15V3/15V1/15V0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）数字电路与系统2021-12-732北航 电子信息工程学院对双极性模拟电压的量化和编码数字电路与系统2021-12-733北航 电子信息工程学院 取样保持电路当vL为高，vI通过RI向CH

14、充电，若RI=RF，充电结束后， vO=vC=-vI当vL为低，vO在CH电荷作用下，保持不变数字电路与系统2021-12-734北航 电子信息工程学院 并联比较型A/D转换器电路构成：n电压比较器n寄存器n代码转换器量化单位=REFV152 比较器输出状态由D触发器保持经优先编码器，得到数字量输出 n 直接A/D转换器数字电路与系统2021-12-735北航 电子信息工程学院 并联比较型A/D转换器优点：转换速度快,不用取样保持电路缺点：需要很多的电压比较器和触发器输入模拟电压寄存器状态数字量输出（代码转换器输入）（代码转换器输出）QQQQQQQ7654321DDD210vI15()15)(

15、1515)(1515)(1515)(1515)(1515)(1515)(11033557799111113131VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF00000011111111111110111001100110110111000100100000000100000001010011100101110111数字电路与系统2021-12-736北航 电子信息工程学院 反馈比较型ADC 思路：给出并调整数字量，使得该数字量通过DAC输出的模拟量和输入模拟量相等，则该数字量为转换结果计数型A/D转换器电路由比较器C、D/A转换器、计数器、时钟脉冲源、控制门G、输出寄存器组

16、成 数字电路与系统2021-12-737北航 电子信息工程学院特点：电路简单，但转换速度慢，最长转换时间可达2n-1倍时钟信号周期数字量由计数器提供Bv10IOvvIOvv=开始输出vB0 停止计数数字电路与系统2021-12-738北航 电子信息工程学院逐次渐近型A/D转换器由比较器、 D/A转换器、寄存器、时钟脉冲源、控制逻辑组成 天平称重的思路：将输入模拟信号与不同的参考电压做多次比较，使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量的对应值 数字电路与系统2021-12-739北航 电子信息工程学院第一个CP作用时，寄存器的最高位Dn-1置1，其他位置0，输出10000vIvO ，比较器输

17、出为0，将Dn-1置0若 vIvO ，比较器输出为1，数据寄存器的Dn-1位1保留第二个CP作用时，寄存器的次高位Dn-2置1，完成上述操作依此类推，经n次比较完成转换逐次渐近型A/D转换器数字电路与系统2021-12-740北航 电子信息工程学院减小量化误差移位寄存器初始状态：Q1Q2Q3Q4Q5=10000CP1后,移位寄存器为01000，QAQBQC=100CP2后,移位寄存器为00100，QAQBQC= d2 1 0CP3后,移位寄存器为00010，QAQBQC= d2 d1 1CP4后,移位寄存器为00001，QAQBQC= d2 d1 d0Q5=1,输出 d2 d1 d0转换速度比

18、并联比较型低，但比计数型高得多电路规模比并联比较型小得多，十分常用数字电路与系统2021-12-741北航 电子信息工程学院 间接A/D转换器V-T变换型ADC：把输入模拟电压信号转换为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脉冲计数，计数结果就是正比于输入模拟电压的数字信号V-F变换型ADC：把输入模拟电压信号转换为与之成正比的频率信号，然后在这个固定时间间隔内对得到的频率信号计数，计数结果就是正比于输入模拟电压的数字信号数字电路与系统2021-12-742北航 电子信息工程学院 双积分型ADCV-T变换型，由积分器、比较器、计数器和控制电路组成模拟量转换为数字量分两步

19、进行： 将电压转化为时间T，使T 与输入电压成正比 将时间T 转化为数字量，使数字量与T 成正比首先控制电路将计数器清零，接通S0，使C完全放电数字电路与系统2021-12-743北航 电子信息工程学院第一步：将电压转化为时间T2， 使T2与输入电压vI成正比 开关S1合到vI一侧 I10I1)(1vRCTdtRvCvTO开关S1接到VREF一侧 012REFI10REFI12RCTVvRCTdtRVCvRCTvTOIREF12vVTT T1为常数，T2与vI成正比数字电路与系统2021-12-744北航 电子信息工程学院性能稳定 转换结果与R, C无关，是两次积分的结果抗干扰能力强 积分器对

20、平均值为0的干扰有很强的抑制能力工作速度低第二步：将时间T2转化为数字量， 使数字量与T2成正比 IREFvVTTTTDC1C2时间T2内对固定频率(fC=1/TC)脉冲计数数字电路与系统2021-12-745北航 电子信息工程学院 VF 变换型ADC压控振荡器输出脉冲频率与输入电压有线性关系TG宽度固定，vG高电平期间，计数脉冲数正比于fout，正比于vI寄存器可防止输出数字跳动影响精度的因素：压控振荡器稳定度和线性度、计数器位数特点：VCO输出是调频信号易于传输，且抗干扰能力强；适用于遥测、遥控系统由于高精度的VCO不易得到，精度不易提高；另外速度慢数字电路与系统2021-12-746北航

21、 电子信息工程学院n A/D转换器的精度与速度转换精度分辨率：用输出二进制或十进制的位数表示，说明ADC对输入信号的分辨能力。N位二进制数字输出的ADC能区分输入模拟电压的2n个不同等级大小，能够区分输入电压的最小差异为1/2n FSR转换误差：通常以输出误差最大值形式给出，表示实际输出数字量和理论输出数字量之间的差别，一般多以最低有效位的倍数给出，如转换误差LSB/2 转换速度取决于电路类型。并联型ADC最快(50ns)，逐次渐进型次之(10-100us),间接型ADC转换速度很低（数十毫秒到数百毫秒）数字电路与系统2021-12-747北航 电子信息工程学院 集成A/D转换器的应用举例-数

22、据采集系统ADC0804CSRDWRINTRCS111RD2WR2RAMD.D07D.D07控制总线微处理器控制器接口8位数据总线模拟信号输入至其他装置至其他装置vI数字电路与系统2021-12-748北航 电子信息工程学院 A/D转换器和D/A转换器是数字系统与各种模拟信号源和被控对象之间的桥梁 常用的D/A转换器主要有权电阻型和倒T型电阻网络型两种电路；由于倒T型电阻网络型电阻取值较少，易于集成，便于提高精度，因此多为集成D/A转换器所采用 常用的A/D转换器主要有双积分型、逐次比较型和并行比较型三种。双积分型精度高，抗干扰能力强，对元件稳定性要求较低，但转换速率低；逐次比较型转换精度较高

23、，成本较低，速度适中；并行比较型转换速率高，但要求集成度高，且易受干扰本章小结数字电路与系统2021-12-749北航 电子信息工程学院第一、二章 逻辑代数基础 数制之间的转换；原码、反码和补码的运算； 逻辑代数的基本运算、基本定理、基本公式、基本规则； 逻辑函数的标准展开，最小项、最大项及其性质 逻辑函数的公式化简法和卡诺图化简法，约束项； 逻辑函数不同表示法的相互转换总结数字电路与系统2021-12-750北航 电子信息工程学院第三章 门电路 开关器件及开关特性 TTL门电路的基本结构、工作原理、电气特性（传输特性、输入电流特性、输入负载特性及输出电流特性） 电路改进及逻辑扩展 CMOS电路的基本结构、工作原理、电气特性及逻辑扩展总结数字电路与系统2021-12-751北航 电子信息工程学院第四章 组合逻辑电路 组合逻辑电路的分析方法和设计方法 常用组合电路及典型中规模集成电路：编码器（148）、译码器（138）、多路数据选择器（153/152）、加法器（283）、比较器的功能及应用 竞争冒险及消除 总结数字电路与系统2021-12-752北航 电子信息工程学院第五章 触发器 RS触发器，D触发器，T触发器，JK触发器的结构及工作特点，触发方式 描述触发器的功能的方法（特