数字电路基础课件(重庆工商大学版)CH09课件

1、Analog Digital Converter and Digital Analog Converter9.1 D/A转换器转换器9.2 A/D转换器转换器 9 数模与模数转换器数模与模数转换器3、正确、正确了解了解D/A、A/D转换器的主要参数。转换器的主要参数。1、掌握倒、掌握倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器(DAC)、集成、集成D/A转转换器的工作原理及相关计算。换器的工作原理及相关计算。2、了解并行比较、逐次比较、双积分、了解并行比较、逐次比较、双积分A/D转换器转换器(ADC)的工作原理及其特点。的工作原理及其特点。教学基本要求教学基本要求A/DA/D 转换器转换器 D/

2、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 ADC和和DAC已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。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控制数字控制 计算机计算机概述概述9.1 D/A转换器转换器9.1.1 D/A转换的基本原理转换的基本原理9.1.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器9.1

3、.4 D/A转换器的输出方式转换器的输出方式9.1.3 权电流权电流D/A转换器转换器9.1.5 D/A转换器的技术指标转换器的技术指标9.1.6 D/A转换器的应用转换器的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DAC9.1 D/A转换器转换器模拟量模拟量数数 / / 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，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相应的模拟量，大小转换成相

4、应的模拟量， 然后将这些模拟量相加，即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，可得到与数字量成正比的模拟量， 从而实现数字量从而实现数字量-模拟模拟量的转换。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。9.1.1 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

5、模拟拟量量 输输出出 DAC的数字数据可以并行输入也可串行输入的数字数据可以并行输入也可串行输入用存放在数字用存放在数字寄存器中的数寄存器中的数字量的各位数字量的各位数码码由输入数字量控由输入数字量控制制产生权电流产生权电流将权电流相加将权电流相加产生与输入成产生与输入成正比的模拟电正比的模拟电压压 i Rf=R vO S0 VREF + S1 S2 S3 + 基基准准电电压压 电电子子开开关关 R R /2 R /4 R /8 求求和和电电路路 (LSB) D2 D3 (MSBD0 D1 锁锁存存器器 数数字字量量输输入入 电电阻阻网网络络 i0 i1 I2 i2 i3 A 模模拟拟量量输输

6、出出 实现实现D/A转换的原理电路转换的原理电路)iiii (R0123O fvRDVi33REF8 RDVi224REF R RD D2V2V1REF 1iRDVi0REF0 3210321030(2222 )2OREFiREFiivVDDDDVD 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/

7、A 转转换换器器9.1.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器 vO Rf +VREF 2R D0 D1 D2 D3 S0 S1 S2 S3 i 2R 2R 2R (LSB) (MSB) 8I 16I 4I 2I I 2R + R R R I/16 I/8 I/4 I/2 Di=0, Si则将电阻则将电阻2R接地接地Di=1, Si接运算放大器反相端，电流接运算放大器反相端，电流Ii流入求和电路流入求和电路 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

8、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。 1、4位倒位倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器基准电压基准电压 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/1

9、6RRRRI/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 + I303REF124321()2222DDVDDR输出模拟电压：输出模拟电压： 10i)2D(RR2VniifnREFO 30i4)2D(2VRRRiiiREFffO (LSB) D2 D3 (MSB) i Rf O D0 D1 S0 S1 S2 S3 2R 2R

10、 2R 2R 2R 8I 16I 4I 2I R R R I +VREF + 8I 16I 4I 2I 4 4 位倒位倒T T形电阻形电阻网络网络DAC的输出模拟电压：的输出模拟电压： Ofi R 3ifREFi40(2 )2iRVDR n 位倒位倒T T形电阻网络形电阻网络DAC有：有： n 1iREFfOin0(2 )2iVRDR REFfn,2VRKR令：令：n 1iBi0(2 )iND则则 O = K NB 在电路中输入的每一个在电路中输入的每一个二进制数二进制数NB，均能得到与之成正比的，均能得到与之成正比的模拟电压输出。模拟电压输出。 AD7533D/A转换器转换器 D2 D7 O

11、 D0 D1 2R 2R 2R 2R R R D8 D9 R R R 2R 2R 2R + R IOUT1 IOUT2 VREF AD7520 RF 10K 10K 20K 使用使用:1):1)要外接运放要外接运放 2)2)运放的反馈电阻可使用内部电阻运放的反馈电阻可使用内部电阻 ， 也可采用外接电阻也可采用外接电阻2.2.集成集成D/A转换器转换器10位位CMOS电流开关型电流开关型D/A转换器转换器 9iREFfOi100(2 )2iVRDR Di =1时，开关时，开关S Si i接运放的反相端；接运放的反相端； Di= 0时，开关时，开关S Si i接地接地。 9.1.3 权电流权电流D

12、/A转换器转换器 (LSB) D2 D3 (MSB) i Rf O D0 D1 S0 S1 S2 S3 8I 16I 4I 2I VREF + 1. 4位权电流位权电流D/A转换器转换器 在恒流源电路中，各支路权电流的大小均不受开关导在恒流源电路中，各支路权电流的大小均不受开关导通电阻和压降的影响，这样降低了对开关电路的要求，提通电阻和压降的影响，这样降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。高了转换精度。Off3210()24816IIIIi RRDDDD)2D2D2D2D(R2I001122334 f 30ii42DR2Iif (LSB) D2 D3 (MSB) i Rf O D0 D1 S

13、0 S1 S2 S3 8I 16I 4I 2I VREF + 9.1.5 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

14、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9.1.6 集成集成D/A转换器的应用转换器的应用(1) 数字式可编程增益控制电路数字式可编程增益控制电路 D2 D7 O D0 D1 2R 2R 2R 2R R R

15、R D8 D9 R R R I 2R 2R 2R - + RF IOUT1 IOUT2 VREF D2 D7 OD0 D1 2R 2R 2R 2R R R R D8 D9 R R R I2R 2R 2R - + RF IOUT1 IOUT2 VREF O - + R IOUT2I IOUT1 倒倒T形电阻网络形电阻网络RDDDvRvOI109911002/ )2.22(/OVIA)2.22/(299110010DDDIout1out1 I0 0 + I1 1 + I2 2 + I9 9RDDDVREF109911002/ )2.22(1OUTIIR/v 根据虚断有根据虚断有:REFOV (2)

16、 脉冲波产生电路脉冲波产生电路 vO Q0 Q1 Q2 Q3 CP D0 D1 D2 D3 10V & CR CEP CET PE 1 74LS163 + A Rf IOUT1 IOUT2 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 VREF AD7520 19.5 39.1 58.5 78 97.5 117 136.5 156 175.5 vO /mV D 140 100 60 20 0000 t CP 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 0000 74163具同步清零功能具同步清零功能74163和与非门构成十进制

17、计数器：和与非门构成十进制计数器：000010019.2.6 集成集成A/D转换器及其应用转换器及其应用9.2 A/D 转换器转换器9.2.1 A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程9.2.2 并行比较型并行比较型A/D转换器转换器9.2.3 逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器9.2.4 双积分式双积分式A/D转换器转换器9.2.5 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标概述概述ADCDnD0输出数字量输出数字量I 输入模拟电压输入模拟电压能将模拟电压成正比地转换成对应的数字量。能将模拟电压成正比地转换成对应的数字量。1. A/D功能功能:9.2 A/D 转换器转换器 并联比较

18、型并联比较型 特点特点: 转换速度快转换速度快,转换时间转换时间 10ns 1 s, 但电路复杂。但电路复杂。 逐次逼近型逐次逼近型 特点特点: 转换速度适中，转换时间转换速度适中，转换时间 为几为几 s 100 s，转换精度，转换精度高，在转换速度和硬件复杂度之间达到一个很好的平衡高，在转换速度和硬件复杂度之间达到一个很好的平衡。 双积分型双积分型 特点特点: 转换速度慢，转换时间转换速度慢，转换时间 几百几百 s 几几ms，但抗干扰能力，但抗干扰能力最强。最强。2. A/D转换器分类转换器分类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

19、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9.2.1 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. 取样与保持取样与保持 采样是将随时间连续变化的模采样是将随时间连续变化的模拟量转换为在时间离散的模拟量拟量转换为在时间离散的模拟量。 采样信号采样信号S(t)的频率愈高，所的频率愈高，所采得信号经低通滤波器后愈能真实采得信号经低通滤波器后愈能真实地复现输入信号。合理的采样频率地复现输入信号。合理的采样频率由采样定理确定

20、由采样定理确定。 采样定理：设采样信号采样定理：设采样信号S(t)的频的频率为率为fs，输入模拟信号，输入模拟信号 I(t)的最高的最高频率分量的频率为频率分量的频率为fimax，则则 fs 2fimaxS(t)=1:开关闭合开关闭合S(t)=0:开关断开开关断开 O(t) I(t) TG S(t) 0 0 0 O (t) S(t) I (t) t t t TS I t O t t6 t5 t4 t3 t2 t1 t0 0 (b) 波形图 采得的模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，为了采得的模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，为了给后续的量化编码过程提供一个稳定的值，在取样电路后要给后续的

21、量化编码过程提供一个稳定的值，在取样电路后要求将所采样的模拟信号保持一段时间。求将所采样的模拟信号保持一段时间。采样采样保持保持取样与保持取样与保持电路及工作原理电路及工作原理 I A1 A2 S CH 开开关关驱驱 动动电电路路 采采样样保保持持 控控制制电电路路 O 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

22、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，以量化前后一定存在误差，此误差我们称之为量化误差，用用 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。数越多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。 两种近

23、似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化两种近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。方式。 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

24、化单位部分按一个量化单位处理。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。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=12/1

25、5 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所加砝码所加砝码重量重量 结果结果 9.2.3 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

26、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1. 转换原理转换原理 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。1. 转换原理转换原理 I 启动脉冲启动脉冲 CP 时钟时钟 电压电压 比较器比较器 控制逻控制逻辑电路辑电路 移位寄位器移位寄位器 数据寄存器数据寄存器 模拟模拟 量输入量输入 数字数字 量输出量输出 D/A 转换器转换器 O VREF D0 D1 Dn-2 Dn-1 1 0 0

27、 0 1 0 0 0 5V I 5V 1 A=6.84VVREF=10V第一个第一个CP：1. 1. 转换原理转换原理 第二个第二个CP： I 启动脉冲启动脉冲 CP 时钟时钟 电压电压 比较器比较器 控制逻控制逻辑电路辑电路 移位寄位器移位寄位器 数据寄存器数据寄存器 模拟模拟 量输入量输入 数字数字 量输出量输出 D/A 转换器转换器 O VREF D0 D1 Dn-2 Dn-1 0 1 0 0 1 1 0 0 7.5V10 I 7.5V I=6.84VVREF=10V1. 转换原理转换原理 第三个第三个CP： I 启动脉冲启动脉冲 CP 时钟时钟 电压电压 比较器比较器 控制逻控制逻辑电路辑电路 移位寄位器移位寄位器 数据寄存器数据寄存器 模拟模拟 量输入量输入 数字数字 量输出量输出 D/A 转换器转换器 O VREF D0 D1 Dn-2 Dn-1 0 0 1 0 1 0 1 0 6.25V I 6.25V 101 A=6.84VVREF=10V 7.50000 6.2500 6.8750 6.5625 6.71875 6.796875 6.835937 0.00 5.0000 10 s