数字电路第11章2013教材

《数字电路第11章2013教材》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字电路第11章2013教材（58页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第十一章 数-模和模-数转换 第十一章 数-模和模-数转换 11-1 11-1 概述 11-2 D/A11-2 D/A转换器转换器 11-3 A/D11-3 A/D转换器转换器 11-4 A/D11-4 A/D与与D/AD/A应用知识 第十一章 数-模和模-数转换 第一节 概 述 大多数物理量都可以转换为模拟电信号，它们必须经ADC 转换为数字信号后才能送计算机进行处理。同样，计算机输出 的数字信号必须经DAC转换为模拟信号后才能被某些类型的执 行机构所接收。 模数转换器和数模转换器是沟通模拟电路和数字电路 的桥梁，是数字电子技术中的重要组成部分 第十一章 数-模和模-数转换 D/A转换器的作

2、用是将数字量转换为相应的模拟量。 例如：对于0 5V的直流电压，计算机用8位数字量来描 述时：最小值（00000000）B = 0对应0V， 最大值（11111111）B = 255 对应 5V， 中间值（01111111）B = 127 对应2. 5V 等等。 D/A的任务是接收到一个数字量后，给出一个相应的 电压。比如收到（00111111）B ，应给出幅度为1.25V 的 电压。 第二节 D/A转换器 第十一章 数-模和模-数转换 第二节 D/A转换器 一、权电阻网络D/A转换器 这是一个4位D/A 转换器，图上的 开关Si是受数字位 di控制的，当di=0 时开关接地，否 则，开关接V

3、REF 由于电路是线性 电路，所以可以 用叠加原理进行 分析。 数模转换转换 就是将离散的数 字量转换为连续变转换为连续变 化的模拟拟 量，实现该实现该 功能的电电路或器 件称为为数模转换电转换电 路，通常 称为为D/A转换转换 器或 DAC(Digital Analog Converter)。 DAC电电路应应由以下几部分 构成：参考电压电压 源、求和运算 放大器、权产权产 生电电阻网络络。 权电权电 阻网络络D/A转换转换 器、倒梯形电电阻网络络D/A转换转换 器、权电权电 流 型D/A转换转换 器、权电权电 容网络络D/A转换转换 器以及开关树树型D/A转换转换 器等。 第十一章 数-模

4、和模-数转换 当仅d0接有参考电压，其余接地时，电路如图。 第十一章 数-模和模-数转换 第十一章 数-模和模-数转换 如果增加数码的位数，在权电阻网络D/A转换器的电路中 的电阻数值差别就会加大，IC制造工艺很难确保其精度。 二、倒T形电阻网络D/A转换器 这是一个4位 D/A转换器， 图上的开关Si 是受数字位di 控制的，当 di=0时开关接 地，否则，开 关接V 第十一章 数-模和模-数转换 分别从 AA，BB， CC，DD端口 向左看过去的 等效电阻都是 R，显然DD 端口的电压为 VREF， CC端 口的电压为 VREF/2， BB 端口的电压为 VREF/4， AA 端口的电压为

5、 VREF/8。 运放的反向输入端是“虚地”的，所以不论开关Si合到那一 边，转换网络都可以等效为下面的电路。 第十一章 数-模和模-数转换 在分析电阻网络D/A转换器的时候，都把模拟开关当作理 想开关处理，其实开关导通电阻会影响转换精度。 第十一章 数-模和模-数转换 三、权电流型D/A转换器 这是一个4位D/A转换器，图上的开关Si是受数字位di控制的 ，当di = 0时开关接地，否则，开关接运放的反向输入端。 每个恒流源电流的数值与输入的二进制数对应位的“权”成正比。 第十一章 数-模和模-数转换 为了电流恒定，应当 确保REi两端的电压恒定. 显然: 恒流源常采用图示结构 第十一章 数

6、-模和模-数转换 四、 DAC的主要技术指标 分辨率用来表示DAC能够分辨输出最小电压的能力。分辨 率也可用DAC输出的最小电压与输出最大电压之比表示。输出 最小电压是指输入数字量只有最低有效位为1时的输出电压。输 出最大电压是指输入数字量各位全为1时的输出电压。 DAC的位数越高，它的分辨率就越小。分辨率小说明在相 同条件下，输出最小电压小。 l、分辨率 n为被转换的二进制数的位数 分辨率可用DAC的位数表示。n位DAC的输出电压能够给 出2n个不同的数量等级。当然DAC的位数高，它的输出电压等 级就多，每个电压等级对应的电压值就越小。这从理论上讲可 以表示DAC的精度。 （一）转换精度 第

7、十一章 数-模和模-数转换 2、转换误差 由于DAC的各环节不可避免地存在参数和性能方面的误差 ，使得DAC也不可避免地存在误差。转换误差常用输出电压满 刻度FSR的百分数表示。 例如AD7520的线性误差等于0.05%FSR，就是说转换误差 等于满刻度的万分之五。 如果给出的转换误差等于1/2LSB，就是说输出电压的绝对 误差小于或等于输入只有最低有效位为1时的输出模拟电压的 一半。 有的也用最低有效位的倍数来表示。 第十一章 数-模和模-数转换 (1) 比例系数误差：VREF波动引起的误差。 DAC产生误差的主要原因有参考电压VREF的波动，运算放 大器的零点漂移，电阻网络中电阻的阻值偏差

8、，模拟开关的导 通电阻和导通电压的变化等。 (2) 漂移误差：由运算放大器的零点漂移引起的。 (3) 非线性误差： (a) 由于模拟开关的导通电阻和导通电压不等于0，而且每 个模拟开关的导通电阻和电压也不等，模拟开关接VREF和接地 时的压降也不一定相等。这些原因使得误差电压不仅不是常数 ，而且又不与输入数字量成正比。这种性质的误差叫做非线性 误差。 (b) 电阻网络中的电阻值存在偏差。每个支路的阻值偏差也 不同。不同支路上的电阻阻值偏差对输出电压的影响也不同。 这也使得误差电压与输入数字量之间不存在线性关系。 第十一章 数-模和模-数转换 一些产品通常规定为输入由全0变为全1(或由全1变为全

9、0) 起，到输出稳定电压的一段时间。建立时间短，说明该DAC的 转换速度快。 通常，不包含参考电压电源和运算放大器的DAC，建立时 间最短可在0.l微秒以内。而包含参考电压电源和运算放大器的 DAC，建立时间最短的可达1.5微秒。 建立时间tset DAC的指标不止这些。在使用DAC时还必须查手册，了解 其他参数。 （ 二）转换速度 从输入数字量发生突变开始，直到输出电压进入与稳态值 相差1/2LSB范围以内的这段时间。 第十一章 数-模和模-数转换 第三节 A/D转换器 一、模数转换的基本过程 模拟拟信号是一种幅度上及时间时间 上都是连续连续 的信号，而数字 信号是一种幅度及时间时间 上皆离

10、散的信号，要将模拟拟信号转换为转换为 数字就需要完成这这两个方面的转换转换 。 首先是将时间时间 上进进行离散化处处理，完成这这一步是通过过取 样样来实现实现 的。 另一步幅度离散是通过过量化来实现实现 的。 A/D转换实际的过程分为： 取样样、保持、量化、编码编码 四个过过程。 第十一章 数-模和模-数转换 取样（Sample） 取样样就是将一个时间时间 上连续连续 的模拟拟信号转换为时间转换为时间 上离 散变变化的信号。具体说说就是将随时间连续变时间连续变 化的信号转换为转换为 一串脉冲，这这个脉冲是等距离的，并且其幅度取决于输输入的模 拟拟量。如下图图所示: 在图图中，如果取样频样频 率

11、较较低时时其输输出的波形将不能严严格 保留输输入信号的信息，如果取样频样频 率较较高时时，其转换转换 的输输出 与输输入波形形状能做到较较好的一致。 第十一章 数-模和模-数转换 在图图中，如果取样频样频 率较较低时时其输输出的波形将不能严严格 保留输输入信号的信息，如果取样频样频 率较较高时时，其转换转换 的输输出 与输输入波形形状能做到较较好的一致。 这频这频 率的选择选择 原则则根据一个著名的定理，即取样样定理。 取样样定理描述了欲将模拟拟信号转变转变 成离散信号，并且从离散 信号中可以恢复出其原始信号所需要的最低取样频样频 率。如果 原始信号的最高频频率为为FH，则则取样频样频 率fs

12、应应遵循下面的公式 ： 上面公式给给定了最低的取样频样频 率，实际实际 使用的频频率一般 为为原始信号最高频频率的35倍左右。 那么取样样的频频率如何确定呢？ fs2FH 第十一章 数-模和模-数转换 常见见的几种取样样情况的基带带信号（即原始信号）频频率和 取样频样频 率的对对照表： 第十一章 数-模和模-数转换 保持（Hold） 为为了将采样样后的输输出 信号转换为转换为 数字信号 ，需要一定的时间对时间对 采样值进样值进 行量化和编编 码码，在这这段时间时间 内， 采样值应样值应 保持稳稳定不 变变，这样才可以稳稳定 地进进行量化编码编码 。因 此，采样样后的输输出信 号必须须通过过保持

13、电电路 保持一段时间时间 。 典型的取样样保持电电路原理图图 保持电电路实际实际 上 是使用了电电容的存储储 特性，实际实际 使用时时取 样样与保持两个是合二 为为一的。 当vL为高电平时，T导通。输入经 R1和T向电容CH充电；若取R1= RF， 充电结束后vo= vC= - vi -采样。 当vL为低电平时，T截止。-保持 第十一章 数-模和模-数转换 量化和编码 取样保持后的信号仍然是一个时间上离散的模拟量，它 的取样信号取值是任意的，而数字信号的取值是有限的或离散 的，如用四位二进制数来表示，其只有00001111共十六种状 态，因此要实现幅度数字化就是用具体的数字量来近似表示对 应的

14、模拟值，这个过程就是量化。 在进行A/D转换时，必须把取样电压表示为某个规定的最 小数量单位的整数倍，这个过程是量化。 量化过程中所取最小数量单位称为量化单位，用表示。 在量化过程中，由于取样电压不一定能被整除，所以量 化前后不可避免地存在误差，即量化误差。 在数字电路的量化中采用一种“只舍不入”的量化规则，或 采用“四舍五入”的舍入规则，如图所示。 第十一章 数-模和模-数转换 例：把01V模拟电压转换成3位二进制代码。 第十一章 数-模和模-数转换 量化的方法不同其输出的格式也不同，即输出编码的形式不 同，这就需要进一步编码。即编码就是将量化的结果转换为需 要的代码形式。 二、模数转换的几

15、种方法 模数转换的方法很多，其在转换速度、转换精度、抗干 扰能力方面各有特色。 直接A/D转换 间接A/D转换 A/D转换 并联比较型 反馈比较型 V-T型 V-F型 第十一章 数-模和模-数转换 1、并联比较型ADC 各比较器的输出送到D触发器组成的缓冲存储器中，以 避免由于各比较器响应速度的差异而造成的逻辑误差。 （一）直接型A/D转换 并联比较型ADC，它通过电阻分压方式形成的各种比较 电平作为刻度。 输入的模拟信号经采样保持后的信号与这刻度进行比较 。当高于比较器的比较电平时，该比较器输出高电平，反之为 低电平。 缓冲器的输出送到优先编码器，经过编码器将其输出的状 态转换为三位二进制信

16、号。 第十一章 数-模和模-数转换 输入的模拟信号经采样保持后的信号与这刻度进行比较 。当高于比较器的比较电平时，该比较器输出高电平，反之为 低电平。 各比较器的输出送到D触发器组成的缓冲存储器中，以 避免由于各比较器响应速度的差异而造成的逻辑误差。 缓冲器的输出送到优先编码器，经过编码器将其输出的状 态转换为三位二进制信号。 并行比较型ADC，它通过电阻分压方式形成的各种比较 电平作为刻度。 第十一章 数-模和模-数转换 第十一章 数-模和模-数转换 并行比较型ADC的精度取决于： (1) 量化电平的划分；划分越细（越小），精度越高， 比较器和触发器的数目越多。 从图上可以看出，当输出位数增加一位，其比较器的个数 增加一倍，由于比较器属于模拟电路，其集成度不是很高，给 制造带来不便，价格较高，一般较少使用。但这种转换电路的 最大优点是速度快，这是其它转换电路无法实现的，故在速度 较高的场合，如视频信号的ADC等常有使用。 (2) 参考电压的稳定度。 (3) 分压电阻的精度和比较器的灵敏度。 另外，含寄存器的A/D转