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1、数字电路康华光模数与数模转换器第1页，此课件共55页哦A/D 转换器器 D/A 转换器器 模模拟 控制器控制器 工工业生生产过程控制程控制对象象 模模 拟 传感器感器 ADC和和DAC已成已成为计算机系算机系统中不可缺少的接口中不可缺少的接口电路。路。将温度、压力、流量、应力等物理量转换为模拟电量。计算机进行数字处理（如计算、滤波）、保存等用模拟量作为控制信号数字控制数字控制 计算机算机概述概述第2页，此课件共55页哦第3页，此课件共55页哦9.1 D/A转换器器9.1.1 D/A转换的基本原理转换的基本原理9.1.2 倒倒T形形电阻网阻网络D/A转换器器9.1.4 D/A转换器的器的输出方式
2、出方式9.1.3 权电流流D/A转换器器9.1.5 D/A转换器的技器的技术指指标9.1.6 D/A转换器的器的应用用第4页，此课件共55页哦将数字量转换为与之成正比模拟量。n位位数字量数字量1.概述概述DAC9.1 D/A转换器器模模拟量量1、数、数/模模转换器器:A=K D O=K NB 第5页，此课件共55页哦 数字量是用代码按数位组合而成的，对于有权码，每位代码都有一定的权值，如能将每一位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后，将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的模拟量，从而实现数字量-模拟量的转换。实现D/A转换的基本思想 NDb424b323b222b121b020 124
3、123022021120将二将二进制数制数ND(11001)B转换为十十进制数。制数。9.1.1 D/A转换的基本原理第6页，此课件共55页哦 D/A转换器的组成:DAC的数字数据可以并行的数字数据可以并行输入也可串行入也可串行输入入用存放在数字寄存器中的数字量的各位数码由输入数字量控制产生权电流将权电流相加产生与输入成正比的模拟电压第7页，此课件共55页哦 实现D/A转换的原理电路，,第8页，此课件共55页哦 D/A转换器的分类:按解按解码网网络结构分构分类 T型型电阻网阻网络DAC倒倒T形形电阻网阻网络DAC权电流流DAC 权电阻网阻网络DAC 按模按模拟电子开关子开关电路分路分类 CMO
4、S开关型开关型DAC双极型开关型双极型开关型DAC 电流开关型流开关型DAC ECL电流开关型流开关型DAC D/A 转换器第9页，此课件共55页哦9.1.2 倒倒T形形电阻网阻网络D/A转换器器Di=0,Si则将将电阻阻2R接地接地Di=1,Si接运算放大器反相端，接运算放大器反相端，电流流Ii流入求和流入求和电路路 电阻网络模拟电子开关求和运算放大器输 出模拟电压输入4位二进制数根据运放根据运放线性运用性运用时虚地的概念可知，无虚地的概念可知，无论模模拟开关开关Si处于何于何种位置，与种位置，与Si相相连的的2R电阻将接阻将接“地地”或虚地或虚地。1、4位倒位倒T形形电阻网阻网络D/A转换
5、器器基准电压 电阻网阻网络 模模拟电子开关子开关 求和运算放大器求和运算放大器第10页，此课件共55页哦D/A转换器的倒器的倒T形形电阻网阻网络基准基准电源源VREF提供的提供的总电流流为：I=？流流过各开关支路的各开关支路的电流：流：I3=？I2=？I1=？I0=？I/4I/8I/16RRRRI/2I/4I/8I/16I/2I3I2I1I0流入每个流入每个2R电阻的阻的电流从高位到低位按流从高位到低位按2的整数倍的整数倍递减。减。I3=VREF/2RI2=VREF/4RI1=VREF/8RI0=VREF/16 R第11页，此课件共55页哦流入运放的流入运放的总电流：流：i I0+I1+I2+
6、I3输出模出模拟电压：第12页，此课件共55页哦4 位倒位倒T形形电阻阻网网络DAC的的输出模出模拟电压：n 位倒位倒T形形电阻网阻网络DAC有：有：令：令：则 O=K NB 在在电路中路中输入的每一个入的每一个二二进制数制数NB，均能得到与之成正比的模，均能得到与之成正比的模拟电压输出。出。第13页，此课件共55页哦AD7533D/A转换器器使用使用:1)要外接运放，要外接运放，2)运放的反运放的反馈电阻可使用内部阻可使用内部电阻阻，也可采用外接也可采用外接电阻阻）2.集成集成D/A转换器器10位位CMOS电流开关型流开关型D/A转换器器 第14页，此课件共55页哦关于关于D/A转换器器精度
7、精度的的讨论(1)基准基准电压稳定性好；定性好；(2)倒倒T形形电阻网阻网络中中R和和2R电阻比阻比值的精度要高；的精度要高；(3)为实现电流从高位到低位按流从高位到低位按2的整数倍的整数倍递减，模减，模拟开关开关的的导通通电阻也相阻也相应地按地按2的整数倍的整数倍递增。增。为进一步提高一步提高D/A转换器的精度，可采用器的精度，可采用权电流型流型D/A转换器。器。为提高提高D/A转换器的器的精度，精度，对电路参数的要求：路参数的要求：(3)每个模每个模拟开关的开关开关的开关电压降要相等降要相等第15页，此课件共55页哦Di=1时，开关，开关Si接运放的反相端接运放的反相端;Di=0时，开关，
8、开关Si接地接地。9.1.3 权电流流D/A转换器器1.4位位权电流流D/A转换器器第16页，此课件共55页哦在恒流源在恒流源电路中，各支路路中，各支路权电流的大小均不受开关流的大小均不受开关导通通电阻和阻和压降的降的影响，影响，这样降低了降低了对开关开关电路的要求，提高了路的要求，提高了转换精度。精度。第17页，此课件共55页哦实际的的权电流流D/A转换器器电路路电压恒定各BJT的 发射结电压相等基准电流产生电路+-第18页，此课件共55页哦9.1.4 D/A转换器的器的输出方式出方式8位位D/A转换器在器在单极性极性输出出时的的输入入/输出关系出关系00000000100000001111
9、1110000000011000000111111111模模拟拟量量 数字量数字量MSB LSB第19页，此课件共55页哦常用双极性编码十进制数2的补码偏移二进制码模拟量D7D6D5D4D3D2D1D0D7D6D5D4D3D2D1D00/VLSB12701111111111111111271260111111011111110126100000001100000011000000000100000000-11111111101111111-1-1271000000100000001-127-1281000000000000000-128 *表中VLSB=VREF/256第20页，此课件共55页
10、哦 第21页，此课件共55页哦9.1.5 D/A转换器的主要技术指标分辨率：其定分辨率：其定义为D/A转换器模器模拟输出出电压可能被分离的等可能被分离的等级数。数。n位位DAC最多有最多有2n个模个模拟输出出电压。位数越多。位数越多D/A转换器的分辨器的分辨率越高。率越高。分辨率也可以用能分辨的最小分辨率也可以用能分辨的最小输出出电压与最大与最大输出出电压之比之比给出。出。n位位D/A转换器的分辨率可表示器的分辨率可表示为1、分辨率、分辨率第22页，此课件共55页哦2、转换精度：转换精度是指对给定的数字量，D/A转换器实际值与理论值之间的最大偏差。产生原因：由于D/A转换器中各元件参数值存在误
11、差，如基准电压不够稳定或运算放大器的零漂等各种因素的影响。几种转换误差：有如比例系数误差、失调误差和非线性误差等第23页，此课件共55页哦9.1.6 集成D/A转换器的应用(1)数字式可数字式可编程增益控制程增益控制电路路 D2 D7 O D0 D1 2R 2R 2R 2R R R R D8 D9 R R R I 2R 2R 2R-+RF IOUT1 IOUT2 VREF 第24页，此课件共55页哦 D2 D7 OD0 D1 2R 2R 2R 2R R R R D8 D9 R R R I2R 2R 2R-+RF IOUT1 IOUT2 VREF O-+R IOUT2I IOUT1 倒倒T形电阻
12、网络形电阻网络OVIA=Iout1out1 I0 0+I1 1+I2 2+I9 9根据虚断有根据虚断有:第25页，此课件共55页哦(2)脉冲波脉冲波产生生电路路74163具同步清零功能具同步清零功能74163和与非和与非门构成十构成十进制制计数器：数器：00001001第26页，此课件共55页哦9.2.6 集成集成A/D转换器及其器及其应用用9.2 A/D 转换器9.2.1 A/D转换的一般工作的一般工作过程程9.2.2 并行比较型A/D转换器9.2.3 逐次比较型A/D转换器9.2.4 双积分式A/D转换器9.2.5 A/D转换器的主要技术指标第27页，此课件共55页哦概述ADCDnD0输出
13、数字量出数字量输入模入模拟电压能将模拟电压成正比地转换成对应的数字量。1.A/D功能功能:9.2 A/D 转换器第28页，此课件共55页哦2.A/D转换器分类 并并联比比较型型 特点特点:转换速度快速度快,转换时间 10ns 1 s,但但电路复路复杂。逐次逼近型逐次逼近型 特点特点:转换速度适中速度适中,转换时间 为几几 s 100 s,转换精度高，在精度高，在转换速速度和硬件复度和硬件复杂度之度之间达到一个很好的平衡达到一个很好的平衡。双双积分型分型 特点特点:转换速度慢速度慢,转换时间 几百几百 s 几几ms,但抗干但抗干扰能力最能力最强。第29页，此课件共55页哦取取样时间上离散的信号上
14、离散的信号保持、量化保持、量化量量值上也离散的信号上也离散的信号编码模模拟信号信号时间上和量上和量值上都上都连续数字信号数字信号时间上和量上和量值上都离散上都离散9.2.1 A/D转换的一般工作的一般工作过程程 A/D转换器一般要包括取样，保持，量化及编码4个过程。第30页，此课件共55页哦1.取取样与保持与保持 采采样是将随是将随时间连续变化的模化的模拟量量转换为在在时间离散的模离散的模拟量量。采采样信号信号S(t)的的频率愈高，所采得信率愈高，所采得信号号经低通低通滤波器后愈能真波器后愈能真实地复地复现输入信号。合理的采入信号。合理的采样频率由采率由采样定理定理确定确定。采采样定理：定理：
15、设采采样信号信号S(t)的的频率率为fs，输入模入模拟信号信号 I(t)的最高的最高频率率分量的分量的频率率为fimax，则 fs 2fimaxS(t)=1:开关开关闭合合S(t)=0:开关断开开关断开第31页，此课件共55页哦采得模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，为了给后续的量化编码过程提供一个稳定的值，在取样电路后要求将所采样的模拟信号保持一段时间。采样保持取取样与保持与保持电路及工作原理路及工作原理第32页，此课件共55页哦2.量化与编码数字信号在数数字信号在数值上是离散的。采上是离散的。采样保持保持电路的路的输出出电压还需按某种近需按某种近似方式似方式归化到与之相化到与之相应的离散
16、的离散电平上，任何数字量只能是某个最小数量平上，任何数字量只能是某个最小数量单位的整数倍。位的整数倍。量化后的数量化后的数值最后最后还需通需通过编码过程用一个代程用一个代码表示出来。表示出来。经编码后得到的代后得到的代码就是就是A/D转换器器输出的数字量。出的数字量。量化量化3.编码第33页，此课件共55页哦在量化在量化过程中由于所采程中由于所采样电压不一定能被不一定能被 整除，所以量化前后一整除，所以量化前后一定存在定存在误差，此差，此误差我差我们称之称之为量化量化误差，用差，用 表示。表示。量化量化误差属原理差属原理误差，它是无法消除的。差，它是无法消除的。A/D转换器的位数越器的位数越
17、多，多，各离散各离散电平之平之间的差的差值越小，量化越小，量化误差越小。差越小。两种近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。两种近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。4.量化量化误差：量化前的差：量化前的电压与量化后的与量化后的电压差差5.量化方式量化方式第34页，此课件共55页哦011111101011000110100010000=0 v7=7/8 v6=6/8 v5=5/8 v4=4/8 v3=3/8 v2=2/8 v1=1/8 v输入信号入信号编码量化后量化后电压a)只舍不入量化方式只舍不入量化方式:量化中把不足一个量化量化中把不足一个量化单位的部分舍弃；位的
18、部分舍弃；对于等于或大于一个量化于等于或大于一个量化单位部分按一个量化位部分按一个量化单位位处理。理。最大量化最大量化误差差为：最小量化最小量化单位位1/8V=1LSB=1/8 V例：将例：将01V电压转换为3位二位二进制代制代码第35页，此课件共55页哦b)四舍五入量化方式四舍五入量化方式:量化量化过程将不足半个量化程将不足半个量化单位部分舍弃，位部分舍弃，对于等于或大于半个量化于等于或大于半个量化单位部分按一个量化位部分按一个量化单位位处理。理。最大量化最大量化误差差为：最小量化最小量化单位：位：011111101011000110100010000=0 v7=14/15 v6=12/15
19、 v5=10/15 v4=8/15 v3=6/15 v2=4/15v1=2/15 v输入信号入信号编码模模拟电平平=1LSB=2/15 V1/15V例：将例：将01V电压转换为3位二位二进制代制代码第36页，此课件共55页哦9.2.2 并行比较型A/D转换器电压比较器输入模拟电压精密电阻网络精密参考电压VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15输出数字量1、电路路组成成第37页，此课件共55页哦VI=8VREF/151111000001第38页，此课件共55页哦 vI CO1 CO2 CO3 CO4 CO5 CO6 CO7
20、 D2 D1 D0 7VREF/15 vI 9VREF/15 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 9VREF/15 vI 11VREF/15 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 5VREF/15 vI 7VREF/15 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 3VREF/15 vI 5VREF/15 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 11VREF/15 vI 13VR/15 0 1 1 1 1 1 1 1 1 013VREF/15 vI VREF/15 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 VREF/15 vI 3VREF/15 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 vI
21、 VREF/15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 根据各比根据各比较器的参考器的参考电压值，可以确定，可以确定输入模入模拟电压值与各与各比比较器器输出状出状态的关系。比的关系。比较器的器的输出状出状态由由D触触发器存器存储，经优先先编码器器编码，得到数字量，得到数字量输出。出。第39页，此课件共55页哦3、电路特点：路特点：在并行在并行A/D转换器中，器中，输入入电压 I同同时加到所有比加到所有比较器的器的输入端。入端。如不考如不考虑各器件的延各器件的延迟，可，可认为三位数字量是与三位数字量是与 I输入入时刻同刻同时获得的。所以它的得的。所以它的转换时间最短。最短。缺点是缺点是电路复路
22、复杂，如三位，如三位ADC需需7个比个比较器、器、7个触个触发器、器、8个个电阻。阻。位数越多，位数越多，电路越复路越复杂。为了解决提高分辨率和增加元件数的矛盾，可以采取分了解决提高分辨率和增加元件数的矛盾，可以采取分级并行并行转换的的方法。方法。单片集成并行比片集成并行比较型型A/D转换器的器的产品很多，如品很多，如AD公司的公司的AD9012(TTL工工艺8位位)、AD9002(ECL工工艺，8位位)、AD9020(TTL工工艺，10位位)等。等。第40页，此课件共55页哦所加砝所加砝码重量重量 结果果 9.2.3 逐次比较型A/D转换器逐次逼近逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似程与用
23、天平称物重非常相似。第一次第一次8 克克砝砝码总重重 待待测重量重量Wx，8克砝克砝码保留保留8 克克第二次第二次再加再加4克克砝砝码总重仍重仍 待待测重量重量Wx，2克砝克砝码撤除撤除12 克克第四次第四次再加再加1克克砝砝码总重重 待待测重量重量Wx，1克砝克砝码保留保留13 克克1.转换原理原理 所用砝所用砝码重量：重量：8克、克、4克、克、2克和克和1克。克。设待秤重量待秤重量Wx=13克。克。第41页，此课件共55页哦1.转换原理原理 1 0 0 0 1 0 0 0 I 5V 1 A=6.84VVREF=10V第一个第一个CP：第42页，此课件共55页哦1.转换原理原理 第二个第二个
24、CP：0 1 0 0 1 1 0 0 10 I 7.5V I=6.84VVREF=10V第43页，此课件共55页哦1.转换原理原理 第三个第三个CP：0 0 1 0 1 0 1 0 I 6.25V 101 A=6.84VVREF=10V第44页，此课件共55页哦10000000 A=6.84VVREF=10V1 10 01 10 01 11 11 11 111000000101000001011000010101000101011001010111010101111第45页，此课件共55页哦小结：1、逐次比逐次比较型型A/D转换器器输出数字量的位数越多出数字量的位数越多转换精度越高；精度越高；
25、2、逐次比、逐次比较型型A/D转换器完成一次器完成一次转换所需所需时间与其位数与其位数n和和时钟脉冲脉冲频率有关，位数愈少，率有关，位数愈少，时钟频率越高，率越高，转换所需所需时间越短越短；第46页，此课件共55页哦9.2.4 双积分式A/D转换器1、双双积分式分式A/D转换器的基本指器的基本指导思想思想 对输入模入模拟电压和参考和参考电压分分别进行两次行两次积分，将分，将输入入电压平均平均值变换成与之成正比的成与之成正比的时间间隔，然后利用隔，然后利用时钟脉冲和脉冲和计数器数器测出此出此时间间隔，隔，进而得到相而得到相应的数字的数字量量输出。双出。双积分式分式A/D转换器也称器也称为电压时间
26、数数字式字式积分器分器。第47页，此课件共55页哦1、电路路组成成第48页，此课件共55页哦0 00 00 00 00 0Cr信号将信号将计数器清零；开关数器清零；开关S2闭合，待合，待积分分电容放容放电完完毕后，断开后，断开S2 使使电容的初始容的初始电压为0。2、工作原理、工作原理准准备阶段：段：第49页，此课件共55页哦经过2n个个CP(2)第一次第一次积分：分：t=t0时，开关，开关S1与与A端相接，端相接，积分器开始分器开始对 I积分。分。经2n个个CP后后,开关切开关切换到到B，=VP。第一第一积分分时间为2nTC第50页，此课件共55页哦VREF加到加到积分器的分器的输入端，入端
27、，积分器反方向分器反方向进行第二次行第二次积分；当分；当t=t2时积分分器器输出出电压 O0，比，比较器器输出出 C=0，时钟脉冲控制脉冲控制门G被关被关闭，计数数停止。停止。(3)第二次第二次积分：分：第51页，此课件共55页哦T1=2nTC T2=Tc T2=t1 t2 在在计数器所数器所计的数的数=Qn-1Q1Q0，就是就是A/D转换器得到的器得到的结果。果。第52页，此课件共55页哦9.2.4 双积分式A/D转换器优点：点：1.由于由于转换结果与果与时间常数常数RC无关，从而消除了无关，从而消除了积分非分非线 性性带来的来的误差。差。2.由于双由于双积分分A/D转换器在器在T1时间内采
28、的是内采的是输入入电压的平均的平均值，因此具有很因此具有很强的抗工的抗工频干干扰的能力。的能力。T1=2nTC3.只要求只要求时钟源在一个源在一个转换周期周期时间内保持内保持稳定即可。定即可。第53页，此课件共55页哦1.转换精度 9.2.5 A/D转换器的主要技术指标 单片集成片集成A/D转换器的器的转换精度是用分辨率和精度是用分辨率和转换误差来描述的。差来描述的。分辨率分辨率:说明明A/D转换器器对输入信号的分辨能力。通常以入信号的分辨能力。通常以输出二出二进制制(或或十十进制制)数的位数表示。数的位数表示。转换误差：差：表示表示A/D转换器器实际输出的数字量和理出的数字量和理论上的上的输出数字出数字量之量之间的差的差别。第54页，此课件共55页哦2.转换时间 指指A/D转换器从器从转换控制信号到来开始，到控制信号到来开始，到输出端得到出端得到稳定定的数字信号所的数字信号所经过的的时间。A/D转换器的器的转换时间与与转换电路的路的类型有关型有关并行比并行比较A/D转换器的器的转换速度最高速度最高,逐次比逐次比较型型A/D转换器次之器次之,间接接A/D转换器器(如双如双积分分A/D)的速度最慢。的速度最慢。并行比并行比较A/D转换器器(8位）位）逐次比逐次比较型型A/D转换器器 间接接A/D转换器器1050 s50ns10ms1000ms第55页，此课件共55页哦