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1、第 十一 章数模和模数转换习题:11.1; 11.2; 11.3; 11.6; 11.7;11.13; 11.141教学内容11.1 概述11.2 D/A转换器11.3 A/D转换器教学要求 1、掌握DAC和ADC的定义及应用；2、了解DAC的组成、倒T型电阻网络、集成D/A转换器、转换精度及转换速度；3、了解ADC组成、逐次逼近型A/D转换器、积分型A/D转换器、转换精度及转换速度。 11.1 概述模数转换（A/D转换）：将模拟信号转换为数字信号。实现A/D转换的电路称为A/D转换器，简写为ADC(Analog-Digital Converter)数模转换（D/A转换）：将数字信号转换为模拟
2、信号。实现D/A转换的电路称为D/A转换器，简写为DAC(Digital-Analog Converter)5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。11.2 D/A转换器将数字信号转换为模拟信号的电路。6电阻网络模拟电子开关求和放大 器参考电压一、权电阻网络D/A转换器7集成运放通过RF接入负
3、反馈，有虚短，V-V+=0取RF=R/28n位权电阻网络D/A转换器，当反馈电阻取为 R/2时，输出电压的计算公式：输出电压的变化范围:优点：结构简单，所用的电阻元件数很少。缺点：各电阻的阻值相差较大，不能保证有很 高的精度。9二、倒T形电阻网络D/A转换器电阻网络模拟电子开关求和放大 器10由于V-V+=0,所以开关S合到哪一边，都相当 于接到了“地”电位，流过每条电路的电流始终不变 。可等效为：11取RF=R12n位输入的倒T形电阻网络D/A转换器，当反馈 电阻取为R时，输出电压的计算公式：优点：（1）只有R和2R两种阻值的电阻，可达到较高的 精度；（2）各支路电流恒定不变，在开关状态变化
4、时， 不需电流建立时间，所以电路转换速度高，使用 广泛。13CB7520电路原理图14三、权电流型D/A转换器恒流源15恒流源模型 ：只要电路工作时保证VB和VEE稳定不变，则三极管的集电极电流即可保持恒定，不受开关内阻的影响。1617为减少电阻阻值的种类，在实用的权电流型D/A转换器中，经常利用倒T形电阻网络的分流作用产生一组所需的恒流源。按比例加大发射结的面积18DAC0808电路结构框图16（COMP） 外接补偿电容 端19已知VREF=10V20四、具有双极性输出的D/A转换器接一偏置电流符号位求反21补码输 入除符号位 的原码对应 的十 进制数要求的 输出电 压原码输 入无偏移 时的
5、输 出偏移负4V 后的输出d2 d1d0 d1 d0 d2 d1d00 1 1 1 1 +3 +3V1 1 1 +7 +3V0 1 0 1 0 +2 +2V1 1 0 +6 +2V0 0 1 0 1 +1 +1V1 0 1 +5 +1V0 0 0 0 0 0 0V1 0 0 +4 0V1 1 1 0 1 -1 -1V0 1 1 +3 -1V1 1 0 1 0 -2 -2V0 1 0 +2 -2V1 0 1 1 1 -3 -3V0 0 1 +1 -3V1 0 01 0 0 -4 -4V0 0 0 0 -4V表11.2.1 输入为3位二进制补 码时要求D/A转换器的输出表11.2.2 具有偏移的
6、D/A转换器的输出22数字输入Dn=100时，要求输出Vo=0，即IR=0 ,VB/RB=i=- VREF Dn /(23R)= - VREF 22/(23R)= - VREF /2RVREF 与VB的极性应相反，符合极性要求时，由下式得VB、RBVB/RB=i=VREF /2R232411.2.4 开关树型D/A转换器（了解）若d2d1d0=011有用路： 3/8VREFS01 S11S20 Vo Vo=3/8VREF2511.2.5 权电容网络D/A转换器（了解）26五、D/A转换器的主要参数（1）分辨率：D/A转换器理论上可达到的精度。 1.D/A转换器的转换精度分辨率也可用D/A转换器
7、能够分辨出来的最小输 出电压与最大输出电压(FSR)的比值来表示。10位 D/A转换器的分辨率为：分辨率可以用输入二进制数码的位数给出。27（2）转换误差：D/A转换器实际上能达到的转换精度。 可以用输出电压满刻度值(FSR)的百分数表示，也可用最低位有效值的倍数表示。如：转换误差为0.5LSB，表示输出模拟电压的绝对误差等于当输入数字量的LSB1时，其余各位均为0时输出模拟电压的一半。转换误差可分为静态误差和动态误差。产生静态误差的原因是基准电源不稳定、运放的零点漂移、模拟开关导通时的内阻和压降及电阻网络中阻值的偏差等；动态误差则是在转换的动态过程中产生的附加误差。28（1）建立时间tset
8、：指输入数字量各位由全0变为全 1或由全1变为全0时,输出电压达到某一规定值所需 要的时间。通常建立时间在100 ns 几十s之间。2.D/A转换器的转换速度（2）转换速率SR：指输入数字量各位由全0变为全 1或由全1变为全0时，输出电压的变化率。2911.3 AD转换器A/DUI输入模拟电压 D7D0输出数字量0 5V000000001111111130一、A/D转换的基本原理 31取样保持 取样是对模拟信号进行周期性地抽取样值的过程，就是把 随时间连续变化的信 号转换成在时间上断 续、在幅度上等于取样时间内模拟信号大 小的一串脉冲。取样定理：fs2fi(max)输入模拟信号的最高 频率分量
9、的频率取样频率32量化编码 将取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，这一过程称为编码。将取样电压表示为一个最小单位的整数倍，所取的最小数量单位称为量化单位，用 表示。33最大量化误差为 ，即18V最大量化误差为1/2 ，即115V取 取 34对双极性模拟电压的量化和编码二进制补码的形式编码3511.3.2 取样 - 保持电路取样保持电路的电路图如下所示：工作原理：VL取样控制信号，利用Ch上有Vc并保持一段时间。当VL为高电平时，N沟道管T导通，VI经Ri、T对Ch充电， Vc升
10、 至为VI，Vo= - Vc = -VI。（ 设Ri=Rf)当VL返回为低电平时，MOS管截止， Ch上有Vc并保持在一段 时间内基本不变， Vo保持不变，取样结果被保存下来。36集成取样-保持的步骤：（1）采样时，使UL为高电平，S闭 合，UO=UI，此时，UCh=UI。（2）采样结束时，S断开，由于A2的输入阻抗很高，Ch上的 电压基本保持不变 （3）当下一个采样控制信号到来后，S又闭合，电容Ch上的 电压又跟随此时的输入信号UI而变化。37衡量取样保持性能的两个重要指标：1）获取时间：Vch达稳定值的时间。小好。CH容量小 ，取样时间小。2）保持阶段输出电压的下降率Uo/ T 。小好。C
11、H 容量大、漏电小，保持阶段输出电压的下降率小，（ 但取样时间大）。两个指标都好，矛盾。38A/D转换器的分类：A/D转换器的种类很多，但从转换过程看可以分为两大类：并联比较型A/D转换器 直接型 反馈比较型 计数型逐次渐近型间接型 电压时间变换（U-T）型积分型电压频率变换（U-F）型直接型特点：工作速度高，调整较方便。间接型特点：速度较慢，但精度可以做得较高，且抗干扰性 强。39二、直接A/D转换器 并联比较型0viVREF/15 时，7个比较 器输出全为0 ，CP 到来后 ，7个触发器 都置0。经 编码器编码后 输出的二进制 代码为d2d1d0 000。40时，7个比较器 中只有C1输出
12、 为1，CP到来 后，只有触发 器FF1置1，其 余触发器仍为0 。经编码器编 码后输出的二 进制代码为 d2d1d0=001。41时，比较器中 C1、C2输出为1 ，CP到来后， 触发器FF1、 FF2置1，其余 触发器仍为0。 经编码器编码 后输出的二进 制代码为 d2d1d0=011。4243电路性能及主要参数：转换精度：主要取决于量 化电平的划分， 越小，精度越高，也受VREF稳 定度和分压电阻的相对精度及比较器灵敏度影响 。但越小，比较器、触发器数目增多。 并联ADC最大优点是转换速度快。输出8位的并 联ADC，转换时间50ns以下。并联ADC电路可不附加取样保持电路，比较器和寄存器
13、兼有取 样保持功能。缺点：比较器多，触发器多，位数多时，急剧膨胀。n位 二进制代码出，触发器2n-1个，寄存器2n-1个，组合逻辑电 路也变大。44二、反馈比较型ADC（有计数型和逐次渐近型）1）计数型组成：电压比较器C、DAC、计数器、脉冲源、控制门G、输出 寄存器工作原理：1）起始状态，VL=0，CP=0（无上升沿），G被VL 封锁，计数器不工作，计数器出全0DACV0=0。 452）若VI0，比较器C的VB出1，且VL为高电平，CP= VB x VL x脉冲源=1x1x脉冲源，CP=脉冲源，计数器作计数工作，出QnQn-1Qn-2Q1DACV0。若 V0 = VI ， VB =0，CP=
14、0，脉冲源无法入G门， 即G门被封锁，或说CP=1，无上升沿，计数器停，这时计数 器中所存的数字就是所求的输出数字信号。46计数型ADC最大优点是电路简单、原理简单。输出n位的二 进制数码时，最长的转换时间可达成2n-1倍的Tcp，转换时 间长，对转换速度要求不高的场合才使用。要提高速度，可采用逐次渐近ADC改善。47反馈比较型： 2、逐次比较型AD转换器其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四个砝码共重15克，每个重量分别为8、4、2、1克。设待秤重量Wx = 13克，可以用下表步骤来秤量：砝码重第一次第二次第三次第四次加4克加2克加1克8 克砝码总重 待测重量Wx ，故撤除砝码总重 待测重量W
15、x ，故保留暂时结果8 克12 克12 克13 克结 论4849转换开始前先将所有寄存器清零。开始转换以后，时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为1000。这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压uo，送到比较器中与ui进行比较。若uiuo，说明数字过大了，故将最高位的1清除；若ui uo，说明数字还不够大，应将这一位保留。然后，再按同样的方式将次高位置成1，并且经过比较以后确定这个1是否应该保留。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。50 10001000D / Avi(待转换的模拟电压)vovc控制逻辑数码寄存器移位寄存器时钟清 0、置数清 0、置数CP、(移位命令)“1”状态是否保留 控制端原理框图 51注意：为减小量化 误差，令D/A转换 器的输出产生-/2 的偏移量。图中用 外加- /2的办法 实
