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1、1,数字电路与系统,第十一章 数-模 和 模-数 转换,2,第十一章第五版 习题,第五版 11.3; 11.5; 11.8; 11.9 11.14; 11.16,第四版 9.1; 9.2; 9.5; 9.6 9.10; 9.13,3,概述,功能：不言自明（DAC和ADC） 芯片成本：明显高于数字电路芯片，同样精度的芯片ADC要高于DAC。 性能 转换精度 和 转换速度,4,概述,应用： 例如：计算机控制,5,11.1 D/A转换器,D/A转换器基本原理 几种D/A转换器 D/A转换器的精度与速度,6,11.1 D/A转换器,D/A转换器基本原理 将模拟量A与数字量D 相对应，需要一个模拟参考量
2、R，使得： A=DR ；如果 max(A)=R，则 0D1 数字量D 是一个二进制数：,7,11.1 D/A转换器,二进制整数乘以一个基本单位，称为量化单位, A为量化单位的整数倍 量化单位就是输入数字Dn的一个最低有效位LSB所对应的模拟量,电路中常用一个参考电压VREF作模拟参考量,8,11.1 D/A转换器,D/A变换器的分类 权电阻网络 倒T形（梯子形状）电阻网络 权电流 权电容 开关树型 “权”砝码；Weight；加权,9,11.1 D/A转换器,运算放大器的若干特点,开环放大倍数非常大（105-107） 输出Vo受电源电压限制，绝对值一般在15V以下，故： 两输入端的差值非常小:,
3、输入阻抗ri非常大（几百k以上） 输入端的电流非常小：,输出阻抗ro非常小(几十 几百) 输出端驱动能力较大，可以带一定的负载，类似于电压信号源,(虚短路,虚地),（虚断路）,10,11.1 D/A转换器,运算放大器加法器 如：反相输入电压并联负反馈 （线性电路）独立作用原理,虚地,i,11,11.1.1 权电阻网络DAC,权电阻网络DAC 反相输入端并联权电阻，电阻的阻值等比于2的幂次 数字量输入：“1”加入一份( 1/2j )电流到 i 输出的模拟电压正比于输入的数字量,LSB,MSB,i,12,结构简单，所用电阻元件少 各阻值相差大，难以保证精度,权电阻网络DAC,的变化范围,13,11
4、.1.2 倒T形电阻网络DAC,注意i：（不论是权电阻，还是倒T） 找一种方法，使i可以被有选择地按2的各次幂的比例关系（联想称量，砝码）一份一份地累加起来 要求：这种方法的实现电阻值尽可能单一,倒T形电阻网络DAC,14,11.1.2 倒T形电阻网络DAC,倒T形电阻分流网络的输入电阻 虚地，不论开关合在哪一端，相当于接在“地”电位,15,11.1.2 倒T形电阻网络DAC,倒T形电阻分流网络的输入电阻 每个“梯子蹬儿”（除了最顶端）看过去的输入阻抗全是R 每过一个梯子节（见图中标出的节点，电流被二分）,16,11.1.2 倒T形电阻网络DAC,有：,17,11.1 D/A转换器,其它类型的
5、DAC 权电流型 开关树型 权电容型 （自学）,18,11.1.3 DAC的量程与分辨力,量程 与VREF成比例 一般使量程0| VREF | （约等于| VREF | ） 基准源：不能带载，准，温飘小、精密昂贵 如果极性、量程不能满足：输出加运放 如果输出有功率要求：功率放大器 如果不考虑集成电路（IC）制造的精度，分辨力与位数有关 8位、10位、12位 1/256、1/1024（千分之一）、0.025%,19,11.1 DAC芯片的使用,DAC芯片的结构,20,11.1 DAC芯片的使用,DAC芯片的使用 想象芯片内部的结构 例：输出08V，代表物理量-1010，精度0.1%；如何编码，如
6、何连接DAC，编码的LSB代表物理量多少？ 精度12位（假设找不到10位DAC） 编码，用补码 0的位置（4V）数码加偏移量800h 数码最低位代表物理量,21,11.1 DAC芯片的使用,例：输出的模拟电平偏移 习题 p549题11.7第五版 p495 题9.4第四版,22,11.2 A/D转换器,A/D转换器基本原理 直接A/D转换器 间接A/D转换器 A/D转换器的精度与速度,23,11.2 A/D转换器,A/D转换器的原理 两步走： 对模拟信号采样（连续离散） 将取样的信号转换成物理量 取样保持电路 各种类型的AD的方法（电路）,24,11.2 A/D转换器,采样定理 信号系统的结论
7、采样频率与信号最高（所关心的最高）频率分量的关系 ADC芯片有将“取保”电路集成在一起的，也有需要外加“取保”的 一般是一套ADC电路（比较昂贵）支持多路的模拟信号采样（多路“取保”） 与ADC的转换速度有关,25,11.2 A/D转换器,“取样-保持”电路（书中的例子）,当vL为高，vI通过RI向CH充电，若RI=RF，充电结束后， vO=vC=-vI 当vL为低，vO在CH电荷作用下，保持不变 缺点：充电回路，R1电阻较大，限制了取样速度。,26,11.2 A/D转换器,“取样-保持”电路原理（模拟电路教材）,27,11.2 A/D转换器,“取样-保持”电路（书中的例子） 输入端加入隔离放
8、大器 LF198,28,11.2 A/D转换器,量化单位 数字信号最低有效位(LSB)的1所代表的数量大小 分辨力受的限制，称为量化误差 例：两种量化方法 一、 = 1/2n ，量化误差等于 ； 二、 = 2/(2n+1-1) ， 但量化误差等于0.5 ，即1/(2n+1-1) 例：p526第五版p477第四版图， 下面举2位二进制码简单例子,29,11.2 A/D转换器,对双极性模拟电压的量化和编码,30,11.2 A/D转换器,直接A/D转换器 并联比较型A/D转换器 电路构成： 电压比较器 寄存器 比较器输出状态由D触发器保持 代码转换器 经优先编码器，得到数字量输出 量化单位,31,1
9、1.2 A/D转换器,反馈比较型ADC 一般地说，ADC中还集成DAC电路； 按照一定规律改变DAC的输入数字量，将采样得到的模拟电压值与DAC的输出比较； 当两者相等时，就完成了对采样模拟电压量的量化；量化的值就是这时的DAC的输入的数字量。,32,11.2 A/D转换器,逐次渐进型A/D变换器的原理 使寄存器的值为10000， 寄存器的值作为DAC的输入；比较模拟量与DAC的输出： 如果前者小于后者，将寄存器最低的一个是“1”的码元复位成“0”；否则，保留这个1。 将次低于当前的位置 置1，如 rrrr10000，重复步骤2，直到比较到最低一位。 最终寄存器中的值就是“取-保”的模拟电平值
10、的编码,反馈比较型ADC：,33,逐次渐进型A/D变换器,原理图：p532第五版图11.3.8， p484第四版图9.3.9 “上述比较过程正如用天平去称量一个未知重量的物体时所进行的操作一样，而所使用的砝码一个比一个重量少一半。”,优点：电路简单； 缺点：转换速度慢，最长转换时间可达2n-1倍时钟信号周期,由比较器、 D/A转换器、寄存器、时钟脉冲源、控制逻辑组成,34,间接A/D转换器,V-T变换型ADC：把输入模拟电压信号转换为与之成正比的时间宽度信号，然后在这个时间宽度里对固定频率的时钟脉冲计数，计数结果就是正比于输入模拟电压的数字信号,V-F变换型ADC：把输入模拟电压信号转换为与之
11、成正比的频率信号，然后在这个固定时间间隔内对得到的频率信号计数，计数结果就是正比于输入模拟电压的数字信号,11.2 A/D转换器,自学 后续课程（选修电子测量）,35,9.2 A/D转换器,ADC的采样速度与其精度有一定的互易的关系 Flash型ADC 理论基础：信号处理+信息论 后续课程：软件无线电,36,应用,集成A/D转换器的应用举例-数据采集系统,37,本章小结,A/D转换器和D/A转换器是数字系统与各种模拟信号源和被控对象之间的桥梁 常用的D/A转换器主要有权电阻型和倒T型电阻网络型两种电路；由于倒T型电阻网络型电阻取值较少，易于集成，便于提高精度，因此多为集成D/A转换器所采用 A/D转换器： 要求了解的内容 倒T型网络DAC的结构 DAC 的量程与分辨力，量化误差；芯片的简单的使用方法 ADC的基本常识，取样保持电路,38,课程信息,讲师：李峭 新主楼 F-710 e-Mail: （可预约答疑） 教辅 23班：杜毓青 （新主F-711） 24班：于树沅 （新主F-711） 25班：王 硕 （新主F-712）,
