《数字电子技术 教学课件 ppt 作者 高建新 第7章.数模与模数转换器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字电子技术 教学课件 ppt 作者 高建新 第7章.数模与模数转换器（38页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第7章 数/模与模/数转换器,7.1 D/A转换器,7.1.1 权电阻型D/A转换器,7.1.2 倒T形电阻网络D/A转换器,7.1.3 D/A转换器的主要参数,7.1.4 集成D/A转换器AD7520及其应用,D/A转换器将输入的二进制代码转换成相应的输出模拟电压。它是数字系统和模拟系统的接口。图7-1为一个D/A转换器的框图。一般包括基准电压、输入寄存器、电子模拟开关、由数字代码所控制的电阻网络和运算放大器等几部分组成。,D/A转换器的种类很多，本节只介绍权电阻型D/A转换器和倒T形电阻网络D/A转换器的工作原理。,图7-1 D/A转换器组成框图,7.1.1 权电阻型D/A转换器,电路组成
2、,图7-2所示为n位权电阻型D/A转换器，它主要由电子模拟开关S0Sn-1、权电阻网络、基准电压UREF和求和运算放大器等部分组成。构成权电阻网络的电阻的阻值，与该位的位权值成反比。,图7-2 n位权电阻型D/A转换器,工作原理,在图7-2中，电子开关S0Sn-1都接1端，根据理想运放的“虚短”“虚断”的概念。,模拟开关Si受di控制，因此,式中,故运算放大器的输出电压为,由上式可看出，输出模拟电压的大小直接与输入二进制代码的大小成正比，从而实现了数字量到模拟电压的转换。,权电阻D/A转换器的优点是结构比较简单，直观，转换速度也比较快；它的缺点是输入二进制数代码的位数较多时，各个电阻的阻值相差
3、太大。因此，难以保证对电阻精度的要求，这给电路的转换精度带来很大影响，也不利于集成化。,7.1.2 倒T形电阻网络D/A转换器,电路组成,图7-3 4位倒T型电阻网络D/A转换器,主要由电子模拟开关S0S3、R-2R倒T形电阻网络、基准电压和求和运算放大器等部分组成。,工作原理,电子开关S0S3由输入二进制代码控制，如i位代码di=1时，Si接1端，将电阻2R接运算放大器的虚地点；如di=0时，Si接0端，电阻2R直接接地。因此，无论Si处于何处，电阻2R上端电位为0。因此，从A、B、C、D各点向左看，对地等效电阻都为R。所以，UREF流出的总电流是I=UREF/R，并且每经过一个节点，电流被
4、分流一半。因此，2R上流过的电流 （从数字量高位到低位）分别为I/2、I/4、I/8、I/16。所以，流入求和运算放大器的输入电流为,所以，运算放大器的输出电压为,对于n位倒T形电阻网络D/A转换器，其输出电压为,若取RF=R，则,由上式可看出：输出模拟电压与输入数字量成正比。,由于倒T形电阻网络D/A转换器中各支路的电流恒定不变，直接流入运算放大器的反相输入端，它们之间不存在传输时间差，有效地减小了动态误差，因而提高了转换速度；并且，电阻只有R、2R两种，为集成电路的设计和制作带来了很大的方便。,例7-1 在图7-3所示电路中，RF=R，UREF=5V。试计算： （）输入d3d2d1d0每一
5、位为1时输出电压； （）输入d3d2d1d0全为1时的输出电压。,解：图7-3电路是4位倒T型电阻网络D/A转换器，其输出电压为,因为RF=R，UREF=5V，所以,（1）d3d2d1d0=1000,d3d2d1d0=0100,d3d2d1d0=0010,d3d2d1d0=0001,（2）d3d2d1d0=1111,7.1.3 D/A转换器的主要参数,1.转换精度 在D/A转换器中，一般用分辨率和转换误差来描述转换精度。,(1) 分辨率 分辨率是说明分辨输出最小电压的能力。它是指D/A转换器输入数字量只有最低位为1时对应的输出模拟电压ULSB与最大数字量(1111)对应的最大输出电压UFSR的
6、比值。因此，n位D/A转换器的分辨率为,如果输出模拟电压满量程为10V，那么，8位D/A转换器能够分辨的最小电压为,(2) 转换误差 转换误差是指D/A转换器实际输出模拟电压与理论输出模拟电压的最大差值。这个转换误差是一个综合性误差，它包括基准电压UREF的波动、运算放大器的零点漂移、倒T形电阻网络中的电阻阻值的误差等多种因素。因此，要获得高精度的D/A转换器，应选用低温漂高精度的运算放大器，采用高稳定度的UREF和选用高分辨率的D/A转换器。,2. 转换时间 转换时间是指D/A转换器从输入数字信号起到输出模拟电压达到稳定值所需的时间，也叫建立时间。这个时间越短，工作速度越高。,如果是10位D
7、/A转换器，则能够分辨的最小电压为,可见，D/A转换器的位数n越多，能分辨的最小输出模拟电压就越小。,7.1.4 集成D/A转换器AD7520及其应用,集成D/A转换器品种很多，其中R-2R倒T型电阻网络D/A转换器较常见。10位D/A转换器AD7520就是R=10k的倒T型电阻网络D/A转换器，内有反馈电阻RF=R。使用时须外接运算放大器和基准电压REF。,1.功能,AD7520各引脚功能见图7-4 ，其中D0D9为数码输入端；Iout1和Iout2为电流输出端；RF为内部反馈电阻输出端；UREF为基准电压输入端；+VDD为芯片工作电源。,图7-4 AD7520的引脚图,2.应用,(1)增益
8、可编程放大器 在图7-5中，输入模拟电压接到AD7520的基准电压端，则构成电压放大电路。它的电压放大倍数由数码输入端d0d9的值决定，故构成增益可编程放大器。,(2)波形发生器,在图7-6中，输出模拟电压的值随74LS161的Q3、Q2、Q1、Q0的变化而发生周期性的变化，故构成波形发生器。,图7-6 波形发生器,图7-5 增益可编程放大器,7. A/D转换器,7.2.1 A/D转换器的转换步骤,7.2.2 逐次逼近型A/D转换器,7.2.3 双积分型A/D转换器,7.2.4 AD转换器的主要参数,7.2.5 集成A/D转换器ADC0801及其应用,7.2.1 A/D转换器的转换步骤,在进行
9、A/D转换时，输入的模拟信号是在时间上是连续的 ，而输出的数字信号是离散的，所以进行转换时只能在一系列选定的瞬间对输入信号取样，然后再把这些取样的值转换为输出的数字量。因此一般的A/D转换过程要经过取样、保持、量化和编码这四个步骤进行。前两个步骤在取样-保持电路中完成，后两个步骤在A/D转换器中完成。,1. 取样定理,取样是对时间上和量值上连续变化的模拟量按一定的时间间隔采取样值，将其转换为在时间上断续变化、在幅度上等于取样期间模拟信号大小的一串脉冲。为了能较好地恢复原来的模拟信号，取样信号必须有足够高的频率。取样信号的频率必须大于等于输入模拟信号频谱中最高频率的2倍，即,2. 取样-保持电路
10、,图7-7所示为取样-保持电路。其中，增强型NMOS管受取样脉冲信号uS的控制，运算放大器构成电压跟随器。,图7-7 取样-保持电路,工作过程如下： 当取样脉冲uS为高电平时，NMOS管导通，存储电容C迅速充电，使电容C上的电压uC跟上输入电压uI变化；当uS为低电平时，NMOS管截止，C上的电压在此期间保持不变，直,到下一个取样脉冲的到来。电压跟随器的输出电压始终跟随存储电容上电压变化。该电路在每次取样结束后A/D转换器输出电压保持一段时间，以便进行量化和编码。输入电压、取样脉冲信号和A/D转换器的输出电压波形如图7-8所示。,图7-8 取样-保持电路工作波形图,3. 量化和编码,要将取样-
11、保持电路输出的取样电压转换成与其成正比的数字量，还必须对样值电压进行量化和编码。通常用数字信号最低位（LSB）1所代表的模拟电压作为量化单位。将取样电压表示为这个量化单位的整数倍的过程称为量化。将量化的结果用二进制代码表示，称为编码。在量化时，取样电压一般不能被整除，因而量化过程不可避免地会引入误差，这个误差称为量化误差。A/D转换器的位数越多，量化单位越小，则量化误差也越小。量化与编码由A/D转换器完成。,7.2.2 逐次逼近型A/D转换器,逐次逼近型A/D转换器的工作原理与用天平称一个物体的重量相似。先放一个最重的砝码与被称物体重量进行比较，如砝码比物体轻，则保留该砝码；如砝码比物体重，则
12、去掉，换上一个次重量的砝码，再与被称物体的重量进行比较，保留或去掉。依此类推，直到调整到最轻的砝码为止。所有的砝码重量总和，就是最接近被称物体重量的值。根据这个思路可构成逐次逼近型A/D转换器。,图7-9所示为3位逐次逼近型A/D转换器的电路原理图。它主要由3位D/A转换器，电压比较器，数码寄存器FFA、FFB、FFC，触发器FF1FF5和门电路G1G9组成控制逻辑电路。,1.电路组成,图7-9 3位逐次逼近型A/D转换器,2. 工作原理 转换开始前，先将数码寄存器FFA、FFB、FFC置零，QAQBQC=000，同时将FF1FF5组成的环行移位寄存器置成Q1Q2Q3Q4Q5=10000状态。
13、因Q5=0，故无数码输出，即d2d1d0=000。,转换控制信号uS为高电平时，转换开始：,(1) 第1个CP到来时，由于初态Q1Q2Q3Q4Q5=10000，使FFA置1，FFB、FFC保持 0 状态不变，数码寄存器QAQBQC=100，经D/A转换器后输出的电压uo送到电压比较器与输入的被测电压uI进行比较。同时，环行移位寄存器中的数码向右移一位，其状态为Q1Q2Q3Q4Q5=01000。这时Q5=0，因此无数码输出，d2d1d0=000。,(2) 第2个CP到来时，由于初态Q1Q2Q3Q4Q5=01000，使FFB置1，FFC保持0状态不变。而FFA状态与uC有关，如原来的uC=0，则F
14、FA保留1状态；反之如原来的uC=1，则FFA被置0。比较器的输出uC根据此时的比较结果决定。同时，环行移位寄存器中的数码向右移一位，其状态为Q1Q2Q3Q4Q5=00100。因Q5=0，亦无数码输出，d2d1d0=000。,(3) 第3个CP到来时，由于初态Q1Q2Q3Q4Q5=00100，使FFC置1。而FFB状态与uC有关，如原来的uC=0，则FFB保留1状态；反之如原来的uC=1，则FFB被置0。比较器的输出uC根据此时的比较结果决定。同时，环行移位寄存器中的数码向右移一位，状态为Q1Q2Q3Q4Q5=00010。这时Q5=0，仍无数码输出，d2d1d0=000。,(4) 第4个CP到
15、来时，根据uC的状态确定FFC的1状态是否保留。这时，FFA、FFB、FFC的状态就是所要求转换的结果。同时，环行移位寄存器中的数码向右移一位，状态为Q1Q2Q3Q4Q5=00001。由于Q5=1，因此，FFA、FFB、FFC的状态通过G7、G8、G9输出，即d2d1d0=QAQBQC。,(5) 第5个CP到达后，环行移位寄存器中的数码右移一位，使电路返回到初始状态Q1Q2Q3Q4Q5=10000。由于Q5=0，G7、G8、G9重新被封锁，输出的数码信号消失，d2d1d0=000。,可见，3位逐次逼进型A/D转换器完成一次转换需要5个CP信号周期的时间。如果是n位，则需要n+2个CP信号周期的
16、时间。,7.2.3 双积分型A/D转换器,1. 电路组成,图7-10所示为双积分型A/D转换器的原理图，它由积分器、过零比较器、计数器、定时触发器、基准电压UREF、控制电路等部分组成。,双积分型A/D转换器在一次转换过程中要进行2次积分：第1次，积分器对模拟电压进行定时积分；第2次，对基准电压进行定值积分。故称双积分型A/D转换器。,图7-10 双积分型A/D转换器,2. 工作原理,(1) 转换开始前，转换控制信号uS=0，计数器和定时触发器均被置0，驱动电路将开关S1接入采样保持电压uI。同时，G2输出1，驱动电路使开关S2闭合，令电容C充分放电。,(2) 第一次积分（采样阶段）。当转换控制信号uS由0变为1，G2输出0，开关S2断开，开关S1接入采样保持电压uI一侧，积分器开始对uI进行定时积
