电子教案《数字电子技术及应用》第6章课件

1、第 6 章数模和模数转换 D/A 转换器A/D 转换器本章小结主要要求： 了解 D/A 转换和 A/D 转换的概念，理解它们的基本工作原理。引 言一、数模和模数转换器的作用 模拟电量控制操作模拟传感器 生产过程控制对象 数字 量数字 量模拟电量 非电模拟量A/D转换器 数字控制计算机 D/A转换器 执行元件 由此可见，模拟-数字转换器和数字-模拟转换器是数字系统和模拟系统相互联系的桥梁，是数字系统中不可缺少的组成部分。数模转换是把数字量转换为模拟量的过程。 实现数模转换的电路称为数模转换器。 Digital - Analog Converter，简称 D / A 转换器，或称DAC。 模数转换

2、是把模拟量转换为数字量的过程。 实现模数转换的电路称为模数转换器。 Analog - Digital Converter，简称 A / D 转换器，或称ADC。 二、数模和模数转换的概念6.1 D/A 转换器主要要求： 理解数模转换的基本原理。 了解常用 D/A 转换器的主要参数。 理解常用 D/A 转换器的电路组成、工作原理、特点及应用。 模拟开关 Si 打向 1 侧时，相应 2R 支路接虚地；打向 0 侧时，相应 2R 支路接地。故无论开关打向哪一侧，2R 支路中的电流不变。S0+-uOS1S2S3D3D2D1D0iRFII3I2I1I0VREF2RI02RI12RI22RI3011110

3、00RRR6.1.1 R-2R 倒 T 型电阻网络 D/A 转换器一、电路结构电流电压转换电路(简称 I/U 转换电路) 倒 T 型电阻网络模拟开关 从 A、B、C 、D节点向左看去，各节点对地的等效电阻均为 R。VREFR 因此，由 VREF 流出的总电流 I 是固定不变的，其值为 I = ，并且每经过一个节点，电流被分流一半，从数字量高位到低位的电流分别为： 、 、 、 。I3 =I2I2 =I4I1 =I8I0 =I16二、 工作原理 故流入求和运算放大器输入端的总电流 i为 i =I2D3+ I24VREF24R( 23D3+ 22D2+ 21D1+ 20D0 )=I8D1+ I16D

4、0I4D2+( 23D3+ 22D2+ 21D1+ 20D0 ) 对于 n 位倒 T 形电阻网络 D/A 转换器，则有 故运算放大器的输出电压 uO 为 uO = iF RF= -iRF= -RFVREF24R( 23D3+ 22D2+ 21D1+ 20D0 ) uO = -RFVREF2nR( 2n-1 Dn-1+ 2n-2Dn-2+ 21D1+ 20D0 ) 由于倒 T 形电阻网络 D / A 转换器中各支路的电流恒定不变，直接流入运算放大器的反相输入端，它们之间不存在传输时间差，因而提高了转换速度。电路点评： 由于倒 T 型电阻网络中的电阻只有 R 和 2R 两种，因此这两个电阻可以做到

5、精度很高，提高了转换精度。又由于各电阻支路都是直接通过电子开关与求和运算放大器的同相端或反相端相连，在电子开关切换过程中各电阻支路中的电流不变，减少了电流建立时间，提高了转换速度，应用广泛。解：4 位倒T型电阻网络D/A转换器的输出电压为：波形分析举例例 在倒 T 型电阻网络 D/A 转换器中，设VREF=-10V，R=RF，试分别求出：（1）当输入最小数字量 D3D2D1D0=0001 时，输出 uo 最小值；（2）当输入数字量 D3D2D1D0=1001 时，输出 uo 值；（3）当输入最大数字量 D3D2D1D0=1111时，输出 uo 最大值。 uO = iF RF= -iRF= -R

6、FVREF24R( 23D3+ 22D2+ 21D1+ 20D0 )（2）uo=- (231+ 220+ 210+ 201) =5.625V （3）uo=UO(max)=- (231+ 221+ 211+ 201 ) =9.375V（1）uo=UO(min)=- (230+ 220+ 210+ 201 ) =0.625V6.1.2 D/A 转换器的主要参数一、分辨率 由此可见，D / A 转换器的位数 n 越多，分辨率值就越小，能分辨的最小输出电压值也越小。对于一个 10 位的 D/ A 转换器，分辨率为 0.000 978。 D / A 转换器的最低位有效数字量（0001）对应输出的模拟电压

7、 ULSB 与最大数字量（1111）输出满刻度电压 UFSR 的比值。二、转换精度要获得较高精度的 D / A 转换器，应选用低漂移高精度的运算放大器，采用高稳定度的 VREF 和选用高分辨率的 D / A 转换器。 指 D / A 转换器在输入数字信号开始转换到输出模拟电压达到稳定值时所需的时间。转换时间越短，转换速度就越高。指 D / A 转换器输出模拟电压与理论输出模拟电压的最大差值。在 D / A 转换过程中，产生误差的原因很多，常见的原因有运放的零点漂移、电子模拟开关接通时的导通压降、基准电压 VREF 的波动、R - 2R 倒 T 形电阻网络中电阻阻值的误差等。 三、转换时间 使用

8、时需外接求和运算放大器和基准电压 VREF 。6.1.3 集成 D/A 转换器的应用举例一、集成 D/A 转换器 AD7520 介绍倒 T 型电阻网络电流开关反馈电阻基准电压二、应用举例由 74163 和非门构成的 9 进制计数器的输出端Q0Q1Q2Q3作为 AD7520 的数据输入端低 4 位，高位数据均为 0 。 根据AD7520的工作原理，很容易得出其输出波形。 由 AD7520 构成的阶梯波发生器工作波形如下：6.2 A/D 转换器主要要求： 理解模数转换的一般过程。 了解常用 A/D 转换器的主要参数。 理解常用A/D转换器的电路组成、工作原理、特点及应用。 6.2.1 A/D 转换

9、的一般过程一、取样-保持电路 为了能较好地恢复原来的模拟信号，根据取样定理，要求取样脉冲 uS 的频率 fs 必须大于等于输入模拟信号 uI 频谱中最高频率 fI(max) 的 2 倍，即 fs 2 fI(max) 当取样脉冲 uS 为高电平时，NMOS管导通，输入电压uI 经其对 C 迅速充电，使电容 C 上的电压 uC 跟随输入电压 uI 变化，在 tW 期间 uC = uI。 当取样脉冲 uS 为低电平时，NMOS管截止，电容 C 上的电压 uC 在 TS - tW 期间保持不变，直到下一个取样脉冲到来。这期间，输出电压 uO 始终跟随电容 C 上的电压 uC 变化。 要将取样-保持电路

10、输出的样值电压变换成与其成正比的数字量，还必须对样值电压进行量化，通常用数字信号最低位（LSB）1 对应的模拟电压作为量化单位，用表示。将样值电压变为量化单位整数倍的过程称为量化。 在量化时，样值电压一般不能被 整除，非整数部分的余数被舍去，必然会产生误差，这个误差称为量化误差。 A / D 转换器的位数越多，量化单位越小，则量化误差也越小。 二、量化与编码6.2.2 并联比较型 A / D 转换器 电阻分压器一、电路组成比较器寄存器优先编码器6.2.2 并联比较型 A / D 转换器 二、工作原理当输入uI (1/15)VREF时，电压比较器C1C7都输出低电平 0，在CP上升沿到来后，FF

11、1FF7被置 0 ，这时优先编码器对I7=Q7=0进行编码，输出D2D1D0=000。uI6.2.2 并联比较型 A / D 转换器 二、工作原理uI当(1/15)VREF uI(3/15)VREF时，只有C7输出高电平1，电压比较器C1C6都输出低电平0，在CP上升沿作用下，FF7置1，FF1FF6被置0，这时优先编码器对I6=Q6=0进行编码，输出D2D1D0=001。 依此类推，当输入电压uI在0VVREF间变化时，寄存器状态和输出数字量的对应关系如下表所示。输入模拟电压uI寄存器状态代码输出Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7D2D1D00uI(1/15)VREF0000000000(1/15

12、)VREFuI (3/15)VREF0000001001(3/15)VREFuI (5/15)VREF0000011010(5/15)VREFuI (7/15)VREF0000111011(7/15)VREFuI (9/15)VREF0001111100(9/15)VREFuI (11/15)VREF0011111101(11/15)VREFuI (13/15)VREF0111111110(13/15)VREFuI VREF1111111111电路点评： 并联比较型 A/D 转换器的优点是只需比较一次就可获得输出的数字量，所以转换速度非常高。 缺点是为了实现高精度转换时，需要大量的电压比较器和

13、触发器以及复杂的优先编码器，这导致电路很复杂，成本高。 因此，并联比较型 A/D 转换器多用在要求转换速度高、精度要求不高的场合。6.2.3 双积分型 A / D 转换器 一、电路组成 积分器是 A / D 转换器的核心部分。通过开关 S2 对被测模拟电压 uI 和与其极性相反的基准电压-VREF进行两次方向相反的积分，时间常数相同，均为= RC 。 6.2.3 双积分型 A / D 转换器 一、电路组成 检零比较器在积分器之后，用以检查积分器输出电压 uO 的过零时刻。当 uO 0 时，输出 uC = 0；当 uO 0 时，输出 uC = 1。6.2.3 双积分型 A / D 转换器 一、电

14、路组成 时钟控制门有两个输入端，第一个接检零比较器的输出 uC，第二个接标准时钟脉冲源 CP。当 uC = 1， G打开，计数器对时钟脉冲CP 计数；当 uC = 0 时，G关闭，计数器停止计数。6.2.3 双积分型 A / D 转换器 一、电路组成 当 n 位二进制计数器计到 2n 个时钟脉冲时，计数器由 111 回到 000 状态，并送出进位信号使定时触发器 FFn 置1，即 Qn = 1，开关 S2 接基准电压 -VREF ，计数器由 0 开始计数，将与输入模拟电压 uI 成正比的时间间隔转换成数字量。6.2.3 双积分型 A / D 转换器 二、工作原理转换准备 转换开始前，将开关S2

15、合上，使电容C充分放电，积分器输出uo=0，然后打开S2，同时在清零端 RD 加上低电平，使n 位计数器和定时触发器FFn 清零。6.2.3 双积分型 A / D 转换器 二、工作原理1.第一次积分（取样阶段） 在时间 t = 0时，将开关 S1打到 A 侧，us1=+uI ，如右侧图（a）所示。6.2.3 双积分型 A / D 转换器 二、工作原理1.第一次 积分（取样阶段） 积分器开始对输入模拟电压+uI 进行积分，+uI 经电阻 R 对电容C 充电。由于+uI 在 0t1 时间内为恒定值，积分器输出电压 uo 随时间线性下降，如右图(b)中段所示。6.2.3 双积分型 A / D 转换器

16、 二、工作原理 对应右图(b)中段输出电压uo0，比较器输出uc=1，如右图（c）所示。1.第一次 积分（取样阶段） 此时，时钟控制门G 打开，n 位计数器由0开始对周期为TCP的时钟信号进行计数。6.2.3 双积分型 A / D 转换器 二、工作原理 在时间t=t1时，计满2n个时钟脉冲CP，计数器则由全1变为全0，Qn-1端输出负跃变的进位信号，FFn由0状态变为1状态，使开关S1由A侧打到B侧，uS1=-VREF，如右图(a) 所示。第一次积分结束。1.第一次 积分（取样阶段）6.2.3 双积分型 A / D 转换器 二、工作原理 在t1时刻积分器输出电压uo=|-UP|，也为电容C上的

17、电压。第一次积分的时间T1为T1=2nTCP可见T1为常数，同时R和C为固定值，因此积分器输出电压uo= =|-UP| 的大小与输入模拟电压uI成正比。1.第一次 积分（取样阶段）6.2.3 双积分型 A / D 转换器 二、工作原理 开关S1由A侧打到B侧时，积分器开始对基准电压 -VREF进行反向积分，电容C经电阻R放电，放电起始电压为此时积分器的输出电压uo=|-UP|，这时积分器输出uo0，比较器输出uC=1，时钟控制门G门打开，计数器又从0开始计数。2.第二次积分（比较阶段）6.2.3 双积分型 A / D 转换器 二、工作原理 由于-VREF在t1t2 时间内为恒定值（如右图（a）

18、所示），为电容C放电提供了恒定电流i C，积分器输出电压uo由|-UP|线性上升，如右图（b）中段所示。2.第二次 积分（比较阶段）6.2.3 双积分型 A / D 转换器 二、工作原理 在时间 t = t2时，C 放电完毕，积分器输出电压uo上升到0，比较器输出uc由1变为0，时钟控制门G关闭，计数器停止计数，这时的计数值为N，第二次积分结束。第二次积分时间T2为： T2=NTCP2.第二次 积分（比较阶段）6.2.3 双积分型 A / D 转换器 二、工作原理 由于-VREF、R和C都为恒定值，所以第二次积分的时间T2取决于|-UP|的大小，在T2时间内计数器中的数字量N与|-UP|成正比

19、，因此输出的数字量与输入的模拟电压uI成正比，从而实现了模拟量到数字量的转换。2.第二次 积分（比较阶段）电路点评： 双积分型 A/D 转换器在第一次积分时间T1内，对输入模拟电压进行积分时，存在于输入信号中的干扰已被积分器滤除掉，因此双积分型A/D转换器具有很强的抗干扰能力、工作稳定。 同时，在前后两次积分过程中，采用了具有相同时间常数 RC 的同一个积分器，因此，R、C参数的变化对转换精度的影响可以忽略不计，所以转换精度高，电路也比较简单。 它的主要缺点是完成一次转换需要进行两次积分，因此转换速度较低。但由于优点十分突出，在对转换精度要求比较高，转换速度要求较低的场合获得了广泛应用。6.2

20、.4 A / D 转换器的主要参数 一、分辨率指 A / D 转换器输出数字量的最低位（LSB）变化一个数码时，对应输入模拟电压的变化量。 例如 最大输出电压为 5V 的 10 位 A / D 转换器的分辨率为 5V / 210 = 4.88 mV 分辨率也可用 A / D 转换器的位数表示。位数越多，能分辨的最小模拟电压值就越小，分辨能力也越高。 指 A / D 转换器实际输出的数字量与理论输出数字量之间的差值。 二、 相对精度三、转换速度例如 相对误差 （1 /2） LSB ，即说明实际输出数字量 和理想上得到的输出数字量之间的误差不大于最低 位 1 的一半。 转换速度是指 A / D 转

21、换器完成一次转换所需的时间，即从接到转换控制信号开始到输出端得到稳定数字量所需的时间。转换时间越小，转换速度越高。6.2.5 集成 A / D 转换器的应用举例 7106 是双积分型 A/D 转换器，它将数字电路和模拟电路集成在一块芯片上，具有输入阻抗高，功耗低，抗干扰能力强，转换精度高等优点。可直接驱动液晶显示器。一、集成A/D转换器7106介绍6.2.5 集成A / D 转换器的应用举例 一、集成 A/D 转换器 7106 介绍 7106的主要引脚功能a1g1、 a2g2、 a3g3个位、十位、百位笔段驱动端；bc4千位b、c笔段驱动端；BP液晶显示器背面公共电极；PM负极性显示输出端；VREF+和VREF-基准电压输入端；BUF缓冲器输出端；INT积分输出端；AZ外接自动调零电容；OSC1OSC3时钟振荡器外接电阻电容端；COM模拟