数字电路1课件2018第8章学生版

1、第八章 数模和模数转换主要要求：掌握模数转换器和数模转换器的基本原理、性能指标及其应用。了解转换电路的工作原理。8.1 概 述1. 模拟信号到数字信号的转换称为模数转换， A/D（Analog to Digital）实现A/D转换的电路称为A/D转换器ADC。2. 数字信号到模拟信号的转换称为数模转换D/A（Digital to Analog）转换实现D/A转换的电路称为D/A转换器DAC。转换精度和转换速度是衡量A/D，D/A转换器的主要性能指标。3.用途及要求电加热炉对象传感器热电偶温度精度！ 速度！时间放大器微型计算机执行机构A/D转换D/A转换4.分类ì权电阻DACDAC&#

2、236;ì并联比较型ï倒T形电阻ï直接型íïî反馈比较型ïD / Aí权电流型DACA / D íìV - T变换型ïï开关树型DACï间接型íïï权电容îV - F 变换型ïDACD / A 转换器8.2D111101A(电压or电流)D/AD/A转换器的工作原理方框图Dn-1Dn-2D1D0VREF基准vO电压源模拟量输出求和运算放大器数字寄存器模拟电子开关位权8.2.1 权电阻D/A转换器反相比例放大器V= -

3、R I = - RFVOFIR1负反馈放大器：设A为理想放大器，即A= ¥,i = 0 ,R= 0VIO当接成深度负反馈时， 必有V- » V+ = 0 ，且iI= 0 加法器RV= -F (V+V)0I 1I 2R8.2.1 权电阻DACvo =RF i一、电路结构和工作原理=RF (I 3 + I 2 + I1 + I 0 )模拟开关求和放大器权电阻S S 受输入数字d d3030d = 0时，I= 0iidi= 1时，I i 流向å点权电流：I= VREFiRiVREFI 0=32 RI= VREF12 2 RI= VREF221 RI= VREF32 0

4、Rvo =RF i=RF ( I 3 + I 2 + I1 + I 0 )输出电压：v=R iOF=RF( I 3 +I 2 + I1 + I 0 )VREFVREFVREFVREF=RF(d3+d2+d +R1d )R02 22 3R2 RVREF= RR3210=( 2d3+2 d2+ 2 d1 + 2 d0 )2F2 4优缺点：1、优点：电路简单2、缺点：电阻值相差精度，且大电阻不宜于集成。8.2.2 倒T型电阻D/A转换器希望用较少类型的电阻，仍然能得到一系列权电流T型电阻工作原理di= 1时，Ii流入iI2I4II i= d () + d () + d () + d ()d = 0时

5、，I 流入地端3210816iiVREF- R12 32 2212 0 )v= - Ri=(d+ d+ d+ dO32102 4RVREF= -D42 4VREF取“负”则得vO 为“正”2 n 1D 范围为0 2 n 1,v= 0 -VnO2 nREF对n位输入时，应有VREF1n1n210vO= - Ri = - Rn(dn1 2+ dn2 2+ L+ d1 2+ d0 2 )R2VREF= -D2 nnVREF13210vO= -Ri = -RR2 4 (d3 2+ d2 2+ d1 2+ d0 2 )VREF= -D2 44实例：CB 75208.2.7 DAC的转换精度与速度最小输出

6、值LSB是指输入数字量只有最低有效位为1时，DAC所输出的模拟电压的有效值。对输出量程是指DAC输出模拟电压的最大变化范围。对于n位DAC电路，输出量程FSR为：2 n - 1V=VFSRnREF2于n位DAC电路，最小输出电压为： V= VREFLSBn2一、最小输出值LSB (least signicant bit)和输出量程FSR (full scale range) 二、转换精度 在D/A转换器中通常用分辨率和转换误差来描述转换精度。 1. 分辨率（理论精度） 分辨率是指DAC能够分辩最小电压的能力。分辨率VLSB1对于n位输出电压的DAC- 12 nVFSR 2. 转换误差（实际精度

7、）转换误差是DAC输出模拟信号的理论值与实际值之间差别的一个综合性指标。绝对误差相对误差DAC的转换误差一般有两种表示方式绝对误差：理论值与实际值之间的最大差值。相对误差：绝对误差与输出量程FSR的比值。 3.误差分析 V引起的误差REFVREFVREFv= = D VDO2 nnO2 nn 漂移误差由运算放大器零点漂移导致的曲线漂移 非线性误差模拟开关的导通内阻不为0，电阻的偏差引起* 总误差：几种误差的绝对值相加三、D/A转换器的转换速度通常用建立时间tset来定量描述D/A转换器的转换速度。一般是指输入从全0跳变到全1时的建立时间。四、D/A转换器的应用1. 用于组成波形发生器2. 用于

8、组成增益可编程放大器例：分析图示电路工作原理，画出输出电压的波形图。= VREF1解：D=vDOnn2102 7将CB7520高4位输入D3D2D1D0，对应的输出模拟电压分别是0.5、1.5、3.5、7.5、 画出波形图四、D/A转换器的应用2. 用于组成增益可编程放大器只要以D/A转换器作为可编程电阻取代R1 或RF,就能增益可编程放大器。V= -R I = - RF VOFRI1讨论：有一个8位D/A转换器，满刻度输出为10V，输入数字量为10001100，输出模拟量是多少？2 81满刻度输出VO=VREF VREF82VREF10 5 .5 Vv=D=× 140 VOn2 n

9、256作业11.1（8.1）、11.2 （8.2） 、11.4 （8.4） 、11.5 （8.5）A/D转换器8.38.3.1 A/D转换的基本原理输入连续变化电压，输出为不连续的数字量。D111101A(电压or电流)A/DA/D转换的一般步骤由于输入的模拟信号在时间上是连续量，所以一般的A/D转换过程为：取样、保持、量化和编码。CPDn-1D1 D0Ui(t).ADC的量化编码电路SU (t)iADC数字量输出（n位）取样保持电路取样展宽信号输入模拟电压一、取样与保持取样是周期性地每隔固定时间将模拟信号在时间上离散化。一次模拟信号的值，取样定理, 一般取fSfS2fi (max)=(3 5

10、)fi (max)二、量化和编码量化：将取样电压表示为最小数量的整数倍。（）1.2. 编码：将量化的结果用代码表示出来。（二进制，二-十进制）3. 量化误差：当采样电压不能被整除时，将引入量化误差。模拟信号是连续的，它不一定能被整除，量化过程 不可避免地会引入误差。称为量化误差。划分量化电平的两种采用四舍五入量化，最大量化误差大于/2。8.3.2 取样保持电路8.3.3 直接A/D转换器一、并联比较型量化1315V® 1111111VRR15151113®VV0111111RR1515911® 0011111VVRR151579®VV0001111RR1

11、51557® 0000111VVRR151535® 0000011VR1VR15153V® 0000001VRR1515115V® 00000000 R13VREF1511VREF159VREF157VREF155VREF153VREF151VREF15输入量化 编码1315VR® 1111111111110101100011010001000VR151511V13®V0111111RR1515911V® 0011111VRR151579®VV0001111RR151557® 0000111VVRR151

12、535® 0000011VVRR151513V® 0000001VRR1515115V® 00000000 R优点：转换速度快缺点：电路复杂二、反馈比较型ADC1. 计数型基本原理：取一个二进制数“D”加到DAC上，得到模拟输出电压， 将该值与输入电压比较，如两者不等，则调整D的大小，到相等为止，则二进制数D为所求值。最多需要（2 n - 1）TCLK简单！慢！2、逐次渐近型先置“1”(1)< V , 则保留1ìVOI若ï> V , 则去掉“I1”，íVOï改为“ 0”î( 2 ) 再将次Mn. K置“

13、1”电路不太复杂！较快！只要比较n次就够了3位逐次渐近型ADC电路原理图8.3.4 间接A/D转换器1 . 起始状态：计数器清零2 . VL= 1,转换开始( S 断开)0第一步，S ® v ，1I器作固定时间T 的1T 期间v 不变1I1- vIT1T1òv=dt = -vOICRRC0vOµ vI一、双型（V-T变换型）先将模拟电压V转换成与之成正比的时间变量T，然后在时间T内用固定频率脉冲计数，计数结果就是正比于模拟电压 的数字量。第二步：S ® -VI器作反相REF，至vO= 01VREFvIòT2v=dt -T = 0O1CRvIRC

14、0VREFT1=T Þ T=Tv212IRCRCVREF令计数器在T 期间用固定的频率f (T=1 ) 脉冲计数，2CCfC则D = T2=T1vITCTCVREFD = T2T1=vITCTCVREFN若T = NTÞ D =v1CIVREF电路实现2 n若T ，D =T = 2nv1CIVREF二、V-F变换型8.3.5 ADC的转换速度与转换精度一、 A/D转换器的转换精度转换精度一般用分辨率和转换误差来描述。分辨率以输出二进制数的位数来描述（满量程输入的1/2n）。例如A/D转换器的输出为10位二进制数，最大输入信号为5V，那么这个A/D转换器的分辨率为5V/2104.88mV。二