《《数字电子技术基础》（第四版）课件：第七章_数模和模数转换器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《数字电子技术基础》（第四版）课件：第七章_数模和模数转换器（63页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第七章第七章数数/ /模和模模和模/ /数转换器数转换器江江苏省精品省精品课程程7-1第七章第七章 模模/数和数数和数/模转换模转换器器7.1 概述概述7.2 D/A转换器转换器7.3 A/D转换器转换器7-2一一. 用途用途 模拟量模拟量模拟量模拟量数字量数字量数字量数字量 模拟量模拟量模拟量模拟量数字量数字量数字量数字量传感器传感器传感器传感器 执行机构执行机构执行机构执行机构 控制对象物理量控制对象物理量控制对象物理量控制对象物理量 Analog - Digital Converter，简称简称 A/D 转换器或转换器或 ADC。 温度、压力、流量、温度、压力、流量、温度、压力、流量、温
2、度、压力、流量、速度等非电量速度等非电量速度等非电量速度等非电量电信号电信号电信号电信号 Digital - Analog Converter，简称简称 D/A 转换器或转换器或 DAC。 7.1 概述概述7-3二二. . 分类分类7-47.2 D/A转换器转换器 一一.D/A转换器的工作原理转换器的工作原理 7.2.1 D/A转换器工作原理转换器工作原理 7.2.2 权电阻网络权电阻网络D/A 转换器转换器 7.2.3 倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A 转换器转换器 7.2.4 权电流型权电流型D/A 转换器转换器 7.2.5 具有双极性输出的具有双极性输出的D/A 转换器转换器二二. D/
3、A转换器的主要技术参数转换器的主要技术参数三三. 典型集成典型集成D/A转换器转换器7-57.2.1 D/A转换器工作原理转换器工作原理其中其中K为常数为常数 D/A转换器的一般结构框图转换器的一般结构框图7-67.2.2 权电阻网络权电阻网络DAC一一. . 电路结构和工作原理电路结构和工作原理7-77-8K K7-9（1）优点：电路简单（2）缺点：电阻值相差大，难于保证精度，且大电阻不宜于集成在IC内部二二. . 优缺点优缺点7-107.2.3 倒倒T型电阻网络型电阻网络DAC希望用较少类型的电阻，仍希望用较少类型的电阻，仍然能得到一系列权电流然能得到一系列权电流7-11RRR从各端口向左
4、看去，各端口对地的等效电阻均为从各端口向左看去，各端口对地的等效电阻均为 R。 由于运放由于运放A工作在线性区，其反相输入端虚地，工作在线性区，其反相输入端虚地，故无论开关故无论开关Si接至何种位置，与其相连的接至何种位置，与其相连的2R电阻电阻上端总是接地的，即流经每条上端总是接地的，即流经每条2R电阻支路的电流电阻支路的电流与开关状态无关。与开关状态无关。 7-12K K7-13 各支路电流是同时直接流入到运算放大器的各支路电流是同时直接流入到运算放大器的反相输入端，转换速度快、便于集成，是目前反相输入端，转换速度快、便于集成，是目前D/A转换器中使用最多的电路转换器中使用最多的电路 。7
5、-147.2.4 权电流型权电流型DAC用恒流源来代替电阻网络，各支用恒流源来代替电阻网络，各支路权电流不受开关导通电阻和电路权电流不受开关导通电阻和电压的影响，故转换精度高。压的影响，故转换精度高。7-157.2.5 具有双极性输出的具有双极性输出的DAC补码输入对应的十进制要求的输出D2 D1 D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V设输入为三位二设输入为三位二进制补码。最高进制补码。最高位为符号位，正位为符号位，正数为数为0，负数为，负数为1一一. .基本原理基本原理7-16原码输入对应的输出偏移后的
6、输出D2 D1 D0111+7V+3V110+6V+2V101+5V+1V100+4V0V011+3V-1V010+2V-2V001+1V-3V0000V-4V补码输入对应的十进制要求的输出D2 D1 D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4VD/A* *将符号位反相后接至高位输入将符号位反相后接至高位输入* *将输出偏移使输入为将输出偏移使输入为100100时，输出为时，输出为0 017-17二. 电路实现0 0 07-180 0 17-194.将符号位反相后接至高位输入将符号位反相后接至高位输入0 0 0
7、0V7-204 4.将符号位反相后接至高位输入将符号位反相后接至高位输入0 0 1-4V7-214 4.将符号位反相后接至高位输入将符号位反相后接至高位输入1 1 03V输入输入d2d1d0为补码，输出为补码，输出uo为对应的正负极性的电压。为对应的正负极性的电压。 补码输入对应的十进制要求的输出D2 D1 D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V7-227.2.6 DAC的主要技术参数的主要技术参数一一. . 分辨率（理论精度）分辨率（理论精度）（1）定义：分辨率为D/A转换器对输入量微小变化的敏感程度的
8、描述。（2）表示方法 1)用输入数字量的二进制数码位数给出 2)用输入数字量中最低位（LSB）d0变化所引起的输出电压变化量与满刻度输出电压之比给出 7-23二二. . 转换误差（实际精度）转换误差（实际精度） 用最低有效位的倍数来表示；有时也用绝对误差与用最低有效位的倍数来表示；有时也用绝对误差与输出电压满刻度的百分数来表示。输出电压满刻度的百分数来表示。7-247-257-26解：解：(1)(2)例例7.2.1 10位倒位倒T型型DAC中，若保证由中，若保证由UREF偏差偏差引起的误差小于引起的误差小于0.5LSB，试求，试求UREF的相对稳定度。的相对稳定度。7-27（3）7-28三.
9、转换时间（1）建立时间tS -输入数据变化量是满度值（输入由全0变为全1或全1变为全0）时，其输出电压量达到距终值0.5LSB时所需的时间。 （2）转换速率）转换速率SR -输出电压的变化率输出电压的变化率 。7-297.2.7 典型集成典型集成DAC1. DAC08328位位DAC两级缓冲两级缓冲倒倒T型电阻网络型电阻网络DAC电流输出，需外接运电流输出，需外接运算放大器算放大器7-30DAC0832的典型应用接线图的典型应用接线图7-312. DAC121012位位DAC两级缓冲两级缓冲三个寄存器：三个寄存器：8位、位、4位、位、12位位电流输出，需外接运电流输出，需外接运算放大器算放大器
10、7-327.3 A/D转换器转换器 一一.A/D转换器的工作原理转换器的工作原理 7.3.1 A/D转换器工作原理转换器工作原理 7.3.2 并联比较型并联比较型A/D 转换器转换器 7.3.3 逐次渐近型逐次渐近型A/D 转换器转换器 7.3.4 双积分型双积分型A/D 转换器转换器 7.3.5 -型型A/D 转换器转换器二二. A/D转换器的主要技术参数转换器的主要技术参数三三. 典型集成典型集成A/D转换器转换器7-337.3.1 A/D转换的基本原理转换的基本原理A/D转换器的一般框图转换器的一般框图7-347-35一. 采样保持电路（S/H电路 Sample-Hold）7-36二.
11、量化和编码1.量化：将取样电压表示为最小数量单位（）的整数倍2.编码：将量化的结果用代码表示出来（二进制，二-十进制）3.量化误差：当采样电压不能被整除时，将引入量化误差最大量化误差最大量化误差 = = (1/8)V最大量化误差最大量化误差 = /2 = (1/15)V7-377.3.2 并联比较型并联比较型ADC一一. .工作原理工作原理量化量化7-38输入输入量化量化 编码编码1111101011000110100010007-39二. 电路特点（1）快，CP触发信号到达到输出稳定建立只需几十ns（2）精度，受参考电压、分压网络等因素影响（3）有存储器，不需要S/H电路（4）电路规模，n位
12、需要2n-1比较器，触发器。7-407.3.3 逐次渐近型逐次渐近型A/D转换器转换器电路不太复杂电路不太复杂转换速度较快转换速度较快反馈比较型反馈比较型一一. .工作原理工作原理7-411 0 0 0 03位：位：5个个CPn位位: ( n+2)个个CP二二. .实现电路实现电路7-427.3.4 双积分型双积分型A/D转换器转换器先将U转换成与之成正比的时间宽度信号，然后在这个时间内用固定频率脉冲计数一一. .工作原理工作原理7-43设设UI为为T1时间内时间内uI的平均值的平均值uI0uO0时，比较器的输出时，比较器的输出uC =1； uB 0时，时， uC =0。比较器将积分器的输出进
13、行了量化，。比较器将积分器的输出进行了量化，得到一个串行的数据流即位串。得到一个串行的数据流即位串。 uC =1时，时，D/A转换器的输出转换器的输出uD =UREF； uC =0时，时， uD =-UREF 。7-49 设uI=0.6V， UREF=1V， uB和uD的初始电压为零，则可得各点采样输出结果如表所示。采样采样（V）(V)(V)10.60.6112-0.40.2113-0.4-0.20-141.61.4115-0.41116-0.40.6117-0.40.2118-0.4-0.20-17-50 设uI=0.6V， UREF=1V， uB和uD的初始电压为零，则可得各点采样输出波形
14、如图所示。式中式中m1为为1的个数，的个数，m2为为0的的个数。个数。7-51二. 电路特点（1）电路简单，不需要有采样）电路简单，不需要有采样-保持电路，易于保持电路，易于集成集成 。（2）采用过采样频率，且闭环负反馈回路有噪）采用过采样频率，且闭环负反馈回路有噪声抑制作用，其信噪比远大于其他声抑制作用，其信噪比远大于其他A/D转换器。转换器。 7-527.3.6 ADC的主要技术参数的主要技术参数一. . 转换精度1. 分辨率：以输出二进制或十进制的位数表示，表征A/D转换器对输入信号的分辨能力。2. 转换误差：通常以输出误差最大值的形式给出，表示实际输出的数字量和理论上应有的输出数字量之
15、间的差别。二. . 转换速度-取决于电路结构类型并联比较型：1uS逐次逼近型：几100uS/次双积分型：几十mS/次7-537.3.7 典型集成典型集成ADC1. ADC08098位逐次渐近型位逐次渐近型ADC8路模拟通道输入路模拟通道输入三态输出锁存缓冲器三态输出锁存缓冲器 7-542. AD574A12位逐次渐近型位逐次渐近型ADC，也可用作，也可用作8位位ADC输入模拟电压可以是单极性、双极性输入模拟电压可以是单极性、双极性 7-553. MC144333+1/2位双积分型位双积分型ADC速度较慢速度较慢BCD码数据输出码数据输出7-56本章小结（1）本章主要内容）本章主要内容 本章主要
16、介绍数本章主要介绍数/模转换和模模转换和模/数转换的基本原理、数转换的基本原理、主要技术指标及几种常用集成电路。主要技术指标及几种常用集成电路。 7-57（2）D/A 转换原理转换原理 D/A 转换是将输入的数字量转换为与之成正转换是将输入的数字量转换为与之成正比的模拟电量。比的模拟电量。 倒倒T型电阻网络型型电阻网络型D/A转换器中，电阻网络只转换器中，电阻网络只有有R和和2R两种阻值的电阻，适合集成工艺，因此两种阻值的电阻，适合集成工艺，因此在集成在集成D/A转换器中应用得较多，如转换器中应用得较多，如DAC0832。权电流型权电流型D/A转换器中由于使用了恒流源，因此转换器中由于使用了恒
17、流源，因此具有精度高、转换速度快的优点，在双极型单片具有精度高、转换速度快的优点，在双极型单片集成集成D/A转换器中用得较多。转换器中用得较多。7-58（3） A/D 转换原理转换原理 A/D 转转换换是是将将输输入入的的模模拟拟电电压压转转换换为为与与之之成成正正比比的数字量。的数字量。 并并联联比比较较型型ADC属属于于直直接接转转换换型型，其其转转换换速速度度最最快快，但但价价格格贵贵；双双积积分分型型ADC属属于于间间接接转转换换型型，其其速速度度慢慢，但但精精度度高高、抗抗干干扰扰能能力力强强；逐逐次次逼逼近近型型也也属属于于直直接接转转换换型型，其其速速度度较较快快、精精度度较较高
18、高、价价格格适适中中，因因而而被被广广泛泛采采用用。-型型A/D转转换换器器采采用用过过采采样样频频率率，不不仅仅取取得得了了高高精精度度，还还能能平平滑滑模模拟拟输输入入电电压压的噪声，在数字音频领域得到了广范应用。的噪声，在数字音频领域得到了广范应用。 7-59（4）A/D 转转换换要要经经过过采采样样 - - 保保持持和和量量化化与与编编码码两步实现。两步实现。 采采样样 - - 保保持持电电路路对对输输入入模模拟拟信信号号抽抽取取样样值值，并并展展宽宽( (保保持持) )；量量化化是是对对样样值值脉脉冲冲进进行行分分级级，编编码码是是将将分分级级后后的的信信号号转转换换成成二二进进制制
19、代代码码。在在对对模模拟拟信信号号采采样样时时，必必须须满满足足采采样样定定理理：采采样样脉脉冲冲的的频频率率 fS 必必须须大大于于输输入入模模拟拟信信号号最最高高频频率率分分量量的的 2 倍倍。这样才能不失真地恢复出原模拟信号。这样才能不失真地恢复出原模拟信号。7-60（5）DAC 和和 ADC 的主要技术指标的主要技术指标 分分辨辨率率和和转转换换精精度度都都与与转转换换器器的的位位数数有有关关，位位数数越越多多，分分辨辨率率和和精精度度越越高高。基基准准电电压压UREF是是重重要要的的应应用用参参数数，要要理理解解基基准准电电压压的的作作用用，尤尤其其是是在在 A/D 转转换换中中，它它的的值值对对量量化化误误差差、分分辨辨率率都都有有影影响响。一一般般应应按按器器件件手手册册给给出出的的范范围围确确定定UREF 值值，并且保证输入的模拟电压最大值不大于并且保证输入的模拟电压最大值不大于UREF 值。值。7-61（6）学习方法）学习方法 从从电电路路基基本本原原理理入入手手理理解解不不同同类类型型DAC和和ADC的优缺点、性能指标及应用场合。的优缺点、性能指标及应用场合。 分析电路结合模拟电路的相关知识。分析电路结合模拟电路的相关知识。7-62 第七章第七章 THE END
