数字电路与系统 （第4版） 课件【ch07】数模转换与模数转换

数模转换与模数转换第七章集成电路科学与工程系列教材数字电路与系统(第4版)数模转换电路0101数模转换电路数模转换关系以三位数模转换为例，理想的DAC输入、输出转换关系如图7.1所示，其输出、输入之间为正比例的对应关系。DAC将输入的数字量转换为相应的离散模拟值。任何DAC的使用都是与其数字编码形式密切相关的。图7.1中采用的是自然加权二进制码是一种单极性码。在DAC中，通常将每个数字量表示为满刻度模拟值的一个分数值,称为归一化表示法。01数模转换电路数模转换关系表7.1给出了常用的双极性码以及对应的模拟输出。使用双极性码时，其满刻度值是单极性码满刻度值的二分之一。01数模转换电路权电阻网络DAC三位二进制权电阻DAC电路如图7.2所示，图中MSB(MaximumSignificantBit)为最高有效位。这是一种最简单、最直接的并行转换电路。01矩形脉冲信号的基本参数R-2R梯形电阻网络DACR-2R倒梯形电阻网络DAC最大项与最小项的关系在上面几种电阻网络DAC电路中，模拟开关都串接在电路中，不可避免地产生开关压降，引起转换误差，降低了转换精度。为克服这一缺点，引入电流激励DAC电路。电流激励DAC01矩形脉冲信号的基本参数随着半导体技术的发展，国内外市场上出现了各种形式的集成DAC芯片，转换方式种类繁多，性能指标各异，在转换精度、转换速度、稳定性等方面，与用电阻和开关组成的DAC相比有不同程度的改善。集成数模转换电路最大项与最小项的关系DAC的性能主要用转换精度和转换速度两个参数来表征。1.转换精度DAC的转换精度有三种表达方法:分辨率、转换误差和线性误差。2.转换速度DAC的转换速度也称转换时间或建立时间，主要由DAC网络的延迟时间和运算放大器的电压变化速率决定。DAC的主要技术指标01矩形脉冲信号的基本参数模数转换电路0202模数转换电路1.采样与保持采样是将随时间连续变化的模拟量转换为时间离散的模拟量的过程。采样过程示意图如图7.13所示。所取得的信号经低通滤波器后越能真实通过分析可以看出，采样信号X(t)的频率越高，地复现输入信号。合理的采样频率由采样定理确定。ADC的工作过程02模数转换电路ADC的工作过程02模数转换电路2.量化与编码数字信号不仅在时间上是离散的，而且在幅值上也是不连续的。任何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。为将模拟信号转换为数字量，在模数转换过程中还必须将采样-保持电路的输出电压，按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上，这一转化过程称为数值量化，简称量化。量化后的数值最后还须通过编码过程用一个代码表示出来经编码得到的代码就是模数输出的数字量。ADC的工作过程02模数转换电路1.有舍有入并行比较型ADC图7.16给出了三位并行比较型ADC的电路。2.只舍不入并行比较型ADC只舍不入并行比较ADC型的电路与有舍有入并行比较型ADC的电路(图7.16)基本相同，不同的是8个分压电阻的阻值均为R。并行比较型ADC02模数转换电路并/串型ADC并行比较型ADC属于直接ADC，由于是并行转换，所以转换速度快、精度高。但也有严重的缺点，就是硬件电路庞大，数字量每增加一位，硬件电路就要扩大一倍。02模数转换电路逐次逼近型ADC逐次逼近型ADC又称为逐位比较型ADC。逐次近转换过程与天平称物体质量的过程非常相似。在天平称重过程中，从最大的砝码开始试放，与被称物体进行比较。逐次逼近型ADC的工作原理可以用图7.18所示的图来说明。02模数转换电路双积分型ADC双积分型ADC又称为双斜式积分ADC。02模数转换电路目前，集成ADC的产品型号很多，用于视频信号处理的模数转换单片集成电路大多采用并行比较型ADC或串/并型ADC，用于数字仪表的ADC较多采用双积分型ADC。1.ADC0816ADC0816是一种带16路模拟开关的8位ADC，芯片引脚图如图7.21所示，图7.22给出了芯片的内部结构。从图7.22可以看出，ADCO816由两部分组成，一部分是16选1的模拟开关，一部分是一个完整的8位ADC。集成ADC02模数转换电路集成ADC02模数转换电路2.CC7106/CC7107在集成ADC芯片中，CC7106是一种CMOS双积分型ADC。它能将输入的被测电压转换成4位BCD码并进行段译码后以七段码的形式输出，可直接驱动液晶显示器。其工作电压为5~9V功耗低，只需配备少量的外围元件即可构成数字电压表，因此使用简单方便，在数字仪表中得到广泛应用。集成ADC02模数转换电路集成ADC与之类似但可直接配用LED显示器的有7107、7117等。CC7106的40脚封装引脚排列见图7.23，其引脚功能如下。1脚————V+，电源正极。2~8脚————d1、c1、b1、a1、f1、g1、e1，个位的七段码输出。9~14、25脚————d2、c2、b2、a2、f2、e2、g2，十位码输出。15~18、22~24脚————d3、b3、f3、e3、g3、a3、c3,百位的七段码输出。02模数转换电路集成ADC19脚————a4、b4，千位的a段码和b段码，因为千位只显示1,所以显示器的a段和b段连接在一起，由19脚驱动。20脚————POL，极性显示。21脚————BP，液晶显示器背极板。26脚————V-，电源负极。27脚————INT，积分器外接积分电容的输入端。02模数转换电路28脚————BUFE，缓冲器的输出端，外接积分电阻。29脚————AZ，外接自动调零电容。30脚————IN-，模拟信号(被测信号)的负极输入端。31脚————IN+，模拟信号的正极输入端。32脚————COM，模拟信号(参考电压、被测电压)的公共端。集成ADC02模数转换电路33、34脚————Cref-、Cref+，外接基准电容。35、36脚————Vref-、Vref+，基准电压的负极、正极输入端。37脚————TEST，逻辑电路的共用地端，与其他电路配合使用时，外部逻辑电路的地接向此端。38~40脚————OSC3、OSC2、OSC1，外接振荡电阻和电容，采用的典型时钟频率值为48kHz。集成ADC02模数转换电路ADC的性能参数主要有转换精度和转换速度等，转换精度常用分辨率和转换误差表示。(1)分辨率。分辨率是ADC能够分辨最小信号的能力，一般用输出的二进制位数来表示。如ADC0816的分辨率为8位，表明它能分辨满量程输入的1/2^8。ADC的主要技术指标02模数转换电路(2)转换误差。转换误差是转换结果相对于理论值的误差，常用LSB的倍数表示。如果给出的转换误差小于等于1/2LSB，则表示ADC实际值与理论值之间的差别最大不超过半个最低有效位。ADC的转换误差是由转换电路中各种元器件的非理想特性造成的，它是一个综合性指标，也包括比例系数误差、失调误差和非线性误差等多种类型误差，其成因与DAC类似。ADC的主要技术指标02模数转换电路(2)转换误差。必须指出，由于转换误差的存在，一味地增加输