数字电子技术及应用6.ppt

1、第六章模拟/数字和数字/模拟转换电路，6.1模拟/数字转换电路，6.2模拟/数字转换电路，6.3集成模数转换器和数模转换器及其应用，图61，6 . 1 . 1模数转换器1采样和保持采样(也称为采样或采样)的基本工作原理是将时间上连续变化的信号转换为时间上离散的信号，即，将时间上连续变化的模拟信号转换为一系列等间隔的脉冲。在图中，UI(t)是输入模拟信号，S(t)是采样脉冲，O(t)是采样输出信号。6.1模数转换电路，图611，图612 (a)采样保持电路原理图；(b)输出波形图，图613 (a)不适合该方法；6.1.2采用舍入和输入的方法，逐次逼近型模数转换器的结构框图如图614所示，包括四个

2、部分：电压比较器、数模转换器、逐次逼近型寄存器和控制逻辑。例6-1-1的3位逐次逼近型模数转换器如图6-1-5所示，并对其工作原理进行了分析。图6-1-5、6.1.3由双积分模数转换器电路组成的双积分模数转换器的转换原理是先将模拟电压UI转换成与其大小成正比的时间间隔T，然后利用参考时钟脉冲通过计数器将T转换成数字量。图616是双积分模数转换器的原理框图，由积分器、零比较器、时钟门G和计数器(计数定时电路)组成。图61-6，1)积分器，2)零值比较器，图6-1-7，(612)，(2)比较阶段：开关转到UR后，积分器对参考电压进行负积分，积分器的输出为，(613)，其解为，(614)，从上述公式

3、可以看出，分辨率=，2转换速度转换速度指完成转换所需的时间。转换时间是从接收转换开始信号到在输出端获得稳定数字信号所经过的时间。模数转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型，不同类型模数转换器的转换速度差异很大。双积分模数转换器的转换速度最慢，大约需要几百毫秒。逐次逼近型模数转换器转换速度快，转换速度为几十微秒；并行模数转换器的转换速度最快，只需几十纳秒。3相对精度(转换误差)在理想条件下，输入模拟信号的所有转换点应在一条直线上，但实际特性无法实现。相对精度是指实际转换点偏离理想特性的误差。显然，误差越小，相对精度越高。数模转换器的基本工作原理是将输入的二进制数字信号转换成模拟信号，并以电压或

4、电流的形式输出，因此数模转换器可以看作是一个解码器。一般来说，通常使用线性数模转换器，其输出模拟电压与输入数字量成比例，即UkD，其中K是常数。数模转换器的总体结构如图621所示。在图中，数据锁存器用于临时存储输入数字信号。这些数字信号控制数字位模拟开关，将参考电压逐位切换到电阻解码网络中成为加权电流，然后通过运算放大器求和输出相应的模拟电压，完成数模转换过程。图621，6.2.2倒T形电阻网络数模转换器图622显示了一个四位倒T形电阻网络数模转换器(根据相同的结构可以扩展到任何位)。它由数据锁存器、数字位模拟开关、R2R倒T型电阻网络、运算放大器和参考电压源UREF组成。在图62-2中，数字

5、位模拟开关S3、S2、S1和S0分别由数据锁存器输出的数字信号D3、D2、D1和D0控制。当某个数字信号为1时，相应的数字位模拟开关连接到运算放大器的反相输入端；如果为0，则连接到同相输入端，开关S3、S2、S1和s 0在运算放大器的求和点和地之间切换。因此，无论数字信号如何变化，以下结论始终成立：(1)从右边的虚线A、B、C和D看，两端网络的等效电阻都是r(2)无论模拟开关是连接到运算放大器的反相输入端(地)还是非反相输入端(虚拟地)，也就是说，无论输入数字信号是1还是0，每个支路的电流都是恒定的。(3)从UREF看到的等效电阻是R，无论数字是0还是1，开关S1都等效于接地。因此，流出URE

6、F的总电流为IREFREF/R，而流入2R支路的电流减少2的倍数。流入运算放大器的电流为0，(621)，运算放大器的输出电压为0，(622)，从基准电压端输入的电流为0，(623)、(621)。6 . 2 . 3数模转换器1分辨率的主要技术指标用输入二进制数的有效位数表示。在具有N位分辨率的数模转换器中，输出电压可以区分2n个不同的输入二进制码状态，并给出2n个不同电平的输出模拟电压。分辨率也可以用数模转换器的最小输出电压ULSB与最大输出电压UFSR之比来表示，即(624)，10位数模转换器的分辨率为0，数模转换器的转换精度与转换误差有关。在实际应用中，转换精度通常分为绝对精度和相对精度。绝

7、对精度是指实际输出模拟电压值与数模转换器理论值之间的差值，通常应低于数字最低有效位的1/2；相对精度表示任何数字的模拟输出与该范围内的理论值之间的差异，通常用相对于数字量的最低位(LSB:最低位，MSB:最高位)的次数来表示，如LSB/2，1LSB等。转换误差主要指静态误差，包括：(1)非线性误差是由电子开关的压降和电阻值的偏差引起的。(2)标度系数误差：由参考电压UREF的偏差引起。(3)漂移误差：由集成运算放大器的零漂移引起。运算放大器增益的变化也会引起漂移误差。输出建立时间从数字信号输入到输出电压或电流达到稳定值所需的时间称为输出建立时间。通常，当输入在大信号操作下从全0变为全1或从全1

8、变为全0时，输出电压达到某一特定值所需的时间被视为输出建立时间。6.3集成模数转换器及其应用6.3.1八位集成模数转换器有很多种集成模数转换器，其中ADC0809是由COMS工艺制造的八位八通道单片集成模数转换器，属于逐次逼近型模数转换器，适用于高分辨率和中等转换速度的场合。1 ADC0809的结构ADC 0809的结构框图和引脚排列图如图631所示。ADC0809由8合1模拟开关、数据锁存器和解码器、模数转换器和三态输出锁存缓冲器组成。模数转换器由四个主要部分组成：一个由256个电阻组成的电阻网络(256电阻网络)、一个树形开关、逐次逼近寄存器和比较器。树形开关是ADC0809的特点。ADC

9、0809与通用逐次比较型ADC的另一个区别在于，它包含一个八通道单端信号模拟开关和一个地址解码器。地址解码器从八个模拟信号中选择一个发送给模数转换器进行模数转换，适用于数据采集系统。图63-1(a)结构框图；引脚排列图，(1)8合1模拟开关、数据锁存器和解码器。ADC0809可以通过IN0IN7输入八个单端模拟电压。ALE锁存三位地址线ADDC、ADDB和ADDA，然后解码电路选通八个模拟输入之一进行模数转换。地址解码和门控输入之间的关系如表63-1所示。表631地址解码选通表，(2)八位数模转换器。ADC0809由一个树形开关和一个256R网络组成一个八位数模转换器。它的输入是逐次逼近寄存器

10、合成孔径雷达的八位二进制数据，输出是UST，转换器的参考电压是乌尔()和乌尔(-)。(3)逐次逼近寄存器合成孔径雷达和比较器。比较前合成孔径雷达全为零。在转换开始时，合成孔径雷达的最高位最初是1，其余仍然是0。这个数字控制树开关输出UST。UST和模拟输入UIN被送到比较器进行比较。如果是，比较器输出逻辑0，合成孔径雷达的最高位从1变为0；如果是美国科技大学此后，合成孔径雷达的第二最高位被设置为1，剩余的较低位仍被设置为0，而先前比较的较高位保持其原始值。然后将UST和UIN进行比较，随后的过程与上面类似，直到比较最低的位。(4)三态输出锁存缓冲寄存器。转换后，合成孔径雷达数字被发送到三态输出

11、锁存缓冲寄存器进行读取。2引脚功能in0in7: 8模拟输入信号。UR()和UR():参考电压的正极和负极端子，参考电压从这些端子施加。参考电压的中心点应在UCC/2附近，其偏差不应超过0.1V.ADDC:模拟输入门地址输入。(4)ALE:数据锁存允许信号输入，高电平有效。当ALE的上升沿到来时，地址锁存器可以锁定ADDA、ADDB和ADDC。为了稳定锁存地址，也就是说，在模数转换器转换周期期间，模拟多路开关在某个通道中稳定导通。ALE脉冲宽度大于100纳秒。下一个ALE上升沿允许通道地址更新。在实际使用中，要求在模数转换器开始转换之前锁存地址。因此，ALE和START通常连接在一起，并且使用

12、相同的脉冲信号。上升沿锁存地址，下降沿开始转换。(5)D0D7:数字输出。(6)运行经验：输出许可信号，高电平有效。也就是说，当OE1时，输出锁存器的三态门打开，数据被发送出去。(7)CLK:时钟脉冲输入端。通常，500千赫时钟信号加到这个终端。(8)启动：启动信号。为了开始模数转换过程，应该向该引脚施加一个正脉冲。脉冲的上升沿清除所有内部寄存器，模数转换过程从其下降沿开始。(9)EOC:转换信号的输出端。在起始信号上升沿后的18个时钟周期内，起始信号变为低电平。当转换后可以读出数据时，EOC变为高电平。也就是说，EOC0表示转换正在进行，而EOC1表示转换已经结束。根据EOC的这一特性，EOC可以作为微机的中断请求信号或查询信号。显然，只有在EOC1之后才能使OE为高电平，然后读取的数据才是正确的转换结果。结合电路框图，可以将ADC0809的工作时序总结为图632所示的波形。图63-2，6.3.2集成数模转换器根据数模转换器的位数和速度不同，集成数模转换器有多种型号。DAC0832是一种常用的集成数模转换器。它是一个双列直插式单片八位数模转换器，采用互补金属氧化物半导体技术制造。它由一个8位输入寄存器、一个8位数模转换器寄存器和一个8位数模转换器组成。数模转换