数字电子技术基础教学课件09数模和模数转换电路

9.1 D/A9.1 D/A转换电路转换电路9.2 A/D9.2 A/D转换电路转换电路9.3 9.3 集成集成D/A与与A/D转换电路及其应用转换电路及其应用第第9 9章章 数数/模和模模和模/数转换电路数转换电路 D/AD/A转换电路按不同的分类方法划分有多转换电路按不同的分类方法划分有多种类型。按转换网络结构区分，有权电阻网种类型。按转换网络结构区分，有权电阻网络、倒络、倒T T电阻网络、权电流网络等电阻网络、权电流网络等D/AD/A转换电转换电路。按半导体器件区分，有单极型路。按半导体器件区分，有单极型CMOSCMOS和双和双极型极型TTL D/ATTL D/A转换电路。转换电路。TTL D/ATTL D/A转换电路的转换电路的转换速度高于单极型转换速度高于单极型CMOS D/ACMOS D/A转换电路，在转换电路，在转换速度要求较高的场合下，可选用双极型转换速度要求较高的场合下，可选用双极型TTL D/ATTL D/A转换电路。转换电路。9.1 D/A 9.1 D/A转换电路转换电路 图图9.1.49.1.4是利用权电阻解码网络构成的是利用权电阻解码网络构成的D/AD/A转换电路。图中包括四个转换电路。图中包括四个主要部分：主要部分：n n个电子开关，个电子开关，n n个权电阻（个权电阻（R/2R/2n-1n-1，R/2R/2n-2n-2，R/2R/2，R R）组成的解码网络，参考电压组成的解码网络，参考电压U UREFREF（或称基准电压），求和运算放大器。（或称基准电压），求和运算放大器。图图9.1.4 9.1.4 权电阻网络权电阻网络D/AD/A转换电路转换电路 9.1 D/A 9.1 D/A转换电路转换电路9.1.1 权电阻网络 n n位倒位倒T T电阻网络电阻网络D/AD/A转换电路原理图如图转换电路原理图如图9.1.59.1.5所示。所示。图图9.1.5 9.1.5 倒倒T T电阻网络电阻网络D/AD/A转换电路转换电路 9.1 D/A 9.1 D/A转换电路转换电路9.1.2 倒T电阻网络 倒倒T T电阻网络电阻网络D/AD/A转换电路中的模拟开转换电路中的模拟开关存在着导通电阻和导通压降，它们会引关存在着导通电阻和导通压降，它们会引起流过各支路的电流变化，产生转换电流起流过各支路的电流变化，产生转换电流误差问题。为了改进倒误差问题。为了改进倒T T电阻网络电阻网络D/AD/A转换转换电路的精度，可以采用恒流源代替各支路电路的精度，可以采用恒流源代替各支路电阻产生电流的权电流电阻产生电流的权电流D/AD/A转换电路。转换电路。9.1 D/A 9.1 D/A转换电路转换电路9.1.3 权电流D/A转换电路1 1 1 1）分辨率）分辨率）分辨率）分辨率2 2 2 2）满量程）满量程）满量程）满量程3 3 3 3）失调误差）失调误差）失调误差）失调误差5 5 5 5）温度系数）温度系数）温度系数）温度系数4 4 4 4）非线性误差）非线性误差）非线性误差）非线性误差 9.1 D/A 9.1 D/A转换电路转换电路9.1.4 D/A转换电路的主要技术指标1.1.转换精度转换精度1 1）建立时间）建立时间2 2）转换速率）转换速率ThemeGallery is a Design Digital Content&Contents mall developed by Guild Design Inc.9.1 D/A 9.1 D/A转换电路转换电路2.2.转换速度转换速度 A/DA/D转换是转换是D/AD/A转换的逆过程，在转换的逆过程，在A/DA/D转换转换电路中，将一个输入连续的模拟信号变换为输电路中，将一个输入连续的模拟信号变换为输出离散的数字信号。若模拟参考量为出离散的数字信号。若模拟参考量为UERFUERF，则，则输出数字量输出数字量D D和输入模拟量和输入模拟量A A之间的关系为之间的关系为 9.2 A/D 9.2 A/D转换电路转换电路 在在A/DA/D转换过程中，转换过程中，有时需要用到采样有时需要用到采样保保持电路，使输入持电路，使输入A/DA/D转转换电路的信号在一次转换电路的信号在一次转换时间内保持不变。换时间内保持不变。所谓采样就是将一所谓采样就是将一个时间上连续变化的模个时间上连续变化的模拟量转换为时间上离散拟量转换为时间上离散的模拟量。图的模拟量。图9.2.39.2.3表表示出了模拟信号与采样示出了模拟信号与采样信号的波形关系。信号的波形关系。图图9.2.3 9.2.3 模拟信号采样过程模拟信号采样过程 9.2 A/D 9.2 A/D转换电路转换电路9.2.1 采样-保持电路 假定被转换的模拟输入电压ui在0UREF范围内变化。量化采用有舍有入方式，利用电阻分压把标准电压UREF分成8段（量化阶梯），其中6段间隔为1/7 UREF，另外两段间隔（最初和最末）为1/14 UREF。因此，输入模拟电压从0到UREF整个范围内，它的最大量化误差都是一样的，即永远不会超过UREF/14，如图9.2.6所示。图图9.2.6 9.2.6 数字输出与模数字输出与模拟输入之间的对应关系拟输入之间的对应关系 9.2 A/D 9.2 A/D转换电路转换电路9.2.2 并行比较A/D转换电路 例9.2.1在图9.2.7电路中，已知UREF=12 V，输入模拟电压4.9 V，确定3位并行比较A/D电路的输出数字量。解：当输入模拟电压4.9 V时，从图9.2.7电路中的比较器输入电压是在5UREF/14到7UREF/14之间，可得出输出C1C2C3C4C5C6C7=1110000。对照表9.2.1或分析电路图9.2.7，得到输出的数字量为011。9.2 A/D 9.2 A/D转换电路转换电路 在图在图9.2.89.2.8电路中，若使量化误差减小，提高精度，可采用电路中，若使量化误差减小，提高精度，可采用有舍有入量化方法。有舍有入量化方法。图图9.2.8 39.2.8 3位逐次比较位逐次比较A/DA/D转换电路图转换电路图 9.2 A/D 9.2 A/D转换电路转换电路9.2.3 逐次比较A/D转换电路1.1.补偿电压电路补偿电压电路 逐次比较逐次比较A/DA/D转换电路转换电路不像并行比较不像并行比较A/DA/D转换电路速转换电路速度快，所以在模拟输入信号度快，所以在模拟输入信号转换到数字信号期间，输入转换到数字信号期间，输入模拟量应该保持不变，输入模拟量应该保持不变，输入端需设采样端需设采样保持电路。保持电路。9.2 A/D 9.2 A/D转换电路转换电路2.2.采样采样-保持电路保持电路 逐次比较逐次比较A/DA/D转换电路中包含转换电路中包含D/AD/A转转换电路，其精度主要取决于换电路，其精度主要取决于D/AD/A转换电路转换电路的精度。模拟信号转换到数字信号的过的精度。模拟信号转换到数字信号的过程中，移位寄存器在时钟的作用下，程中，移位寄存器在时钟的作用下，RSRS触发器不断地翻转，触发器不断地翻转，D/AD/A转换电路的电子转换电路的电子开关不断接通与断开，所有这些都将产开关不断接通与断开，所有这些都将产生时间延迟。生时间延迟。9.2 A/D 9.2 A/D转换电路转换电路3.D/A3.D/A转换电路转换电路 首先为首先为3 3位位D/AD/A转换电路输入转换电路输入3 3位数位数字量，依次从高到低为字量，依次从高到低为100100，由，由D/AD/A转转换电路转换为模拟电压换电路转换为模拟电压u uo o，与，与uiui进行进行比较，若比较，若u uo o较小，则再在次高位二进较小，则再在次高位二进制码上置制码上置1 1，即给，即给D/AD/A转换电路置为转换电路置为110110。若若u uo o较大，则去掉较大，则去掉100100，换上，换上010010。9.2 A/D 9.2 A/D转换电路转换电路4.4.比较器比较器 由由5 5个个D D触发器触发器FAFAFEFE连成模数为连成模数为5 5的环形计数器和门电路组成。将环形的环形计数器和门电路组成。将环形计数器中计数器中FAFA先置先置“1 1”，在时钟，在时钟CPCP的的控制下，控制下，“1 1”按按FAFBFCFDFEFAFBFCFDFE循环移位，同时循环移位，同时在比较器输出信号的作用下，控制寄在比较器输出信号的作用下，控制寄存器输出二进制数的变化。存器输出二进制数的变化。9.2 A/D 9.2 A/D转换电路转换电路5.5.控制逻辑电路控制逻辑电路 3 3个边沿个边沿RSRS触发器用来触发器用来暂存变化的二进制数字。暂存变化的二进制数字。1 1号触发器寄存二进制数号触发器寄存二进制数的最低位（的最低位（LSBLSB），），3 3号触号触发器寄存二进制数的最高发器寄存二进制数的最高位（位（MSBMSB）。）。9.2 A/D 9.2 A/D转换电路转换电路6.6.逐次比较寄存器逐次比较寄存器 G GA A、G GB B、G GC C与门组成了输出电与门组成了输出电路，当路，当Q QE E=1=1时，打开输出与门时，打开输出与门 G GA A、G GB B、G GC C，读出经逐次比较后的二进，读出经逐次比较后的二进制数码。制数码。9.2 A/D 9.2 A/D转换电路转换电路7.7.输出电路输出电路 例9.2.2在图9.2.8中3位A/D转换电路中,3位D/A转换电路中参考电压UREF=7 V，若模拟输入电压ui=5.6 V，输出的3位数字量Q2Q1Q0为多少？解：经采样保持电路将输入模拟电压ui=5.6 V转换ui=5.6 V。开始环形计数器的QA=1，则RS触发器输出Q3Q2Q1=100，所以uo=4-0.5=3.5 V。因为uoui，所以CO=0。在第2个时钟脉冲上升沿到来后，QB=1，RS触发器输出Q3=1，Q2=1，此时Q3Q2Q1=110，所以uo=6-0.5=5.5 V。因为uoui，所以CO=0。接着第3个时钟脉冲上升沿到来后，QC=1，RS触发器输出Q3Q2Q1=111，经D/A转换器后uo=7-0.5=6.5 V，使uoui，CO=1。在第4个时钟脉冲上升沿到来后，QD=1，RS触发器Q3Q2Q1变化为110。在第5个时钟脉冲上升沿到来后，QE=1，打开输出门GA、GB、GC，将转换的数字结果读出，即模拟输入电压为5.6 V时,转换为三位二进制码110。9.2 A/D 9.2 A/D转换电路转换电路8.8.工作原理工作原理 图图9.2.109.2.10是一个是一个n n位双积分位双积分A/DA/D转换电路，它由积分器转换电路，它由积分器A A1 1、比、比较器较器A A2 2、n n位二进制计数器和控制逻辑电路四部分组成。位二进制计数器和控制逻辑电路四部分组成。图图9.2.10 9.2.10 双积分双积分A/DA/D转换电路转换电路 9.2 A/D 9.2 A/D转换电路转换电路9.2.4 双积分A/D转换电路 双积分双积分A/DA/D转换电路先把电压转换成中间量转换电路先把电压转换成中间量时间，再将时间转换为数字量，所以也称为时间，再将时间转换为数字量，所以也称为V VT T转换电路。还可以把电压转换成其他物理转换电路。还可以把电压转换成其他物理量，如先把电压转换成频率，再将频率转换为量，如先把电压转换成频率，再将频率转换为数字量，即数字量，即V VF F转换电路。上述介绍的转换方转换电路。上述介绍的转换方法属于间接转换，双积分法属于间接转换，双积分A/DA/D转换电路是间接转转换电路是间接转换方法中应用最为普遍的电路。逐次比较、并换方法中应用最为普遍的电路。逐次比较、并行比较等行比较等A/DA/D转换方法直接将电压转换为数字，转换方法直接将电压转换为数字，属于直接转换法。属于直接转换法。9.2 A/D 9.2 A/D转换电路转换电路1 1）分辨率）分辨率 2 2）量化误差）量化误差 9.2 A/D 9.2 A/D转换电路转换电路9.2.5 A/D转换电路的主要技术指标1.1.转换精度转换精度1 1）转换