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1、第九章 数模与模数转换电路第1页，本讲稿共23页二二 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器（转换器（4位）位）所以，无论所以，无论Si处于何种位置，与处于何种位置，与Si相连的相连的2R电阻均接电阻均接“地地”（地或虚地）。（地或虚地）。图中图中S0S3为模拟开关，由输入数码为模拟开关，由输入数码Di控制，控制，当当Di=1时，时，Si接运算放大器反相输入端（虚地），电流接运算放大器反相输入端（虚地），电流Ii流入求和电路；流入求和电路；当当Di=0时，时，Si将电阻将电阻2R接地。接地。第2页，本讲稿共23页可算出，基准电流可算出，基准电流 I=VREF/R，输出电压：输出电压：则流过各开
2、关支路（从右到左）的电流分别为则流过各开关支路（从右到左）的电流分别为 I/2、I/4、I/8、I/16。于是得总电流：于是得总电流：将输入数字量扩展到将输入数字量扩展到n位，则有：位，则有：可简写为：可简写为：vO=KNB 其中：其中：K=第3页，本讲稿共23页三三 权电流型权电流型D/A转换器转换器为进一步提高为进一步提高D/A转换器的转换精度，可采用权电流型转换器的转换精度，可采用权电流型D/A转换器。转换器。第4页，本讲稿共23页采用具有电流负反馈的采用具有电流负反馈的BJT恒流源电路的权电流恒流源电路的权电流D/A转换器：转换器：第5页，本讲稿共23页由倒T形电阻网络分析可知，IE3
3、=I/2，IE2=I/4，IE1=I/8，IE0=I/16，于是可得输出电压为可推得可推得n位倒位倒T形权电流形权电流D/A转换器的输出电压：转换器的输出电压：基准电流：基准电流：第6页，本讲稿共23页四四 D/A转换器应用举例转换器应用举例DAC0808是是8位权电流型位权电流型D/A转换器，其中转换器，其中D0D7是数字量输入端。是数字量输入端。用用这这类类器器件件构构成成的的D/A转转换换器器时时，需需要要外外接接运运算算放放大大器器和和产产生生基基准准电电流流用用的的电电阻阻R1。当当VREF=10V、R1=5k、Rf=5k时，时，输出电压为：输出电压为：第7页，本讲稿共23页DAC0
4、808 D/A转换器输出与输入的关系转换器输出与输入的关系（设设VREF=10V）第8页，本讲稿共23页1.转换精度转换精度 五五 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标（2）转换误差）转换误差此此外外，也也可可用用D/A转转换换器器的的最最小小输输出出电电压压与与最最大大输输出出电电压压之之比比来来表表示示分分辨辨率率，N位位D/A转换器的分辨率可表示为转换器的分辨率可表示为 1/（2n-1）。）。2.转换速度转换速度3.温温度度系系数数在在输输入入不不变变的的情情况况下下，输输出出模模拟拟电电压压随随温温度度变变化化产产生生的的变变化化量量。一一般般用用满满刻刻度度输输出出条件下温
5、度每升高条件下温度每升高1，输出电压变化的百分数作为温度系数。，输出电压变化的百分数作为温度系数。（2）转换速率（）转换速率（SR）在大信号工作状态下模拟电压的变化率。在大信号工作状态下模拟电压的变化率。（1）分辨率）分辨率D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。输输入入数数字字量量位位数数越越多多，分分辨辨率率越越高高。所所以以，在在实实际际应应用用中中，常常用用字字量量的的位位数数表表示示D/A转转换换器器的分辨率。的分辨率。（1）建建立立时时间间（tset）当当输输入入的的数数字字量量发发生生变变化化时时，输输出出电电压压变变化化到到相相应应稳稳
6、定定电电压压值值所所需需时间。最短可达时间。最短可达0.1S。第9页，本讲稿共23页9.2 A/D9.2 A/D转换器转换器一一A/D转换的一般步骤和取样定理转换的一般步骤和取样定理由于由于输入的模拟信号在时间上是连续量，所以一般的输入的模拟信号在时间上是连续量，所以一般的A/D转换过程为：转换过程为：取样、保持、量化和编码。取样、保持、量化和编码。第10页，本讲稿共23页 取样定理：取样定理：因因为为每每次次把把取取样样电电压压转转换换为为相相应应的的数数字字量量都都需需要要一一定定的的时时间间，所所以以在在每每次次取取样样以以后后，必必须须把把取取样样电电压压保保持持一一段段时时间间。可可
7、见见，进进行行A/D转转换换时时所所用用的的输输入入电电压压，实实际际上上是是每每次次取取样样结束时的结束时的vI值。值。式中式中fS为取样频率，为取样频率，fimax为输入信号为输入信号vI的最高频率分量的频率。的最高频率分量的频率。第11页，本讲稿共23页二二 取样取样保持电路保持电路电路组成及工作原理（取电路组成及工作原理（取Ri=Rf）:当控制信号当控制信号vL为高电平时，为高电平时，T导通，导通，vI经电阻经电阻Ri和和T向电容向电容Ch充电。充电。则充电结束后则充电结束后 vO=vI=vC。N沟道沟道MOS管管T作为开关用。作为开关用。当控制信号返回低电平后，当控制信号返回低电平后
8、，T截止。截止。Ch无放电回路，所以无放电回路，所以vO的数值的数值 可被保存下来。可被保存下来。第12页，本讲稿共23页三三 并行比较型并行比较型A/D转换器（转换器（3位）位）第13页，本讲稿共23页 并行比较型并行比较型A/D转换器真值表转换器真值表第14页，本讲稿共23页1 转换原理：转换原理：四四 逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器第15页，本讲稿共23页 2 逻辑电路逻辑电路第16页，本讲稿共23页五双积分型五双积分型A/D转换器转换器它由积分器、过零比较器（它由积分器、过零比较器（C）、时钟脉冲控制门（）、时钟脉冲控制门（G）和定时器、）和定时器、计数器（计数器（FF0FFn
9、）等几部分组成。）等几部分组成。第17页，本讲稿共23页（2）第一次积分阶段）第一次积分阶段工作原理：工作原理：（1）准备阶段）准备阶段计数器清零，计数器清零，积分电容放电，积分电容放电，vO=0V。t=0时，开关时，开关S1与与A端端接通，输入电压接通，输入电压vI加到加到积分器的输入端。积分积分器的输入端。积分器从器从0开始积分：开始积分：第18页，本讲稿共23页由由于于vO0V，比较器输出，比较器输出vC=0，控制门，控制门G被关闭，计数停止。被关闭，计数停止。第19页，本讲稿共23页在此阶段结束时在此阶段结束时vO的表达式可写的表达式可写为：为：设设T2=t2t1，于是有：，于是有：设
10、在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为，则：，则：可见，可见，T2与与VI成正比，成正比，T2就是双积分就是双积分A/D转换过程的中间变量。转换过程的中间变量。上式表明，计数器中所计得的数上式表明，计数器中所计得的数（=Qn-1Q1Q0），与在取样时间），与在取样时间T1内输入电压内输入电压的平均值的平均值VI成正比。只要成正比。只要VIVREF，转换器就能将输入电压转换为数字量。，转换器就能将输入电压转换为数字量。T2=TC 第20页，本讲稿共23页六六 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标（1）分辨率）分辨率说明说明A/D转换器对输入信号的分辨
11、能力。转换器对输入信号的分辨能力。一一般般以以输输出出二二进进制制（或或十十进进制制）数数的的位位数数表表示示。因因为为，在在最最大大输输入入电电压压一一定定时时，输输出出位位数数愈愈多多，量量化化单位愈小，分辨率愈高。单位愈小，分辨率愈高。1.转换精度转换精度例例如如，相相对对误误差差LSB/2，就就表表明明实实际际输输出出的的数数字字量量和和理理论论上上应应得得到到的的输输出出数数字字量之间的误差小于最低位的半个字。量之间的误差小于最低位的半个字。（2）转转换换误误差差它它表表示示A/D转转换换器器实实际际输输出出的的数数字字量量和和理理论论上上的的输输出出数数字字量量之之间间的的差差别别
12、。常用最低有效位的倍数表示。常用最低有效位的倍数表示。2.转转换换时时间间指指从从转转换换控控制制信信号号到到来来开开始始，到到输输出出端端得得到到稳稳定定的的数数字字信信号号所所经经过过的时间。的时间。并行比较并行比较A/D转换器转换速度最高；逐次比较型转换器转换速度最高；逐次比较型A/D转换器次之；间接转换器次之；间接A/D转换器的速度最慢。转换器的速度最慢。第21页，本讲稿共23页本章小结本章小结1 1A/DA/D和和D/AD/A转换器是现代数字系统的重要部件，应用日益广泛。转换器是现代数字系统的重要部件，应用日益广泛。5 5A/DA/D转转换换器器和和D/AD/A转转换换器器的的主主要
13、要技技术术参参数数是是转转换换精精度度和和转转换换速速度度，在在与与系系统统连连接接后后，转转换换器器的的这这两两项项指指标标决决定定了了系系统统的的精精度度与与速速度度。目目前前，A/DA/D与与D/AD/A转转换换器器的的发发展展趋趋势势是是高高速速度度、高高分分辨辨率率及及易易于于与与微微型型计计算算机机接接口口，用用以以满满足足各各个个应应用用领领域域对对信信号号处处理理的的要要求。求。2 2倒倒T T型型电电阻阻网网络络D/AD/A转转换换器器中中电电阻阻网网络络阻阻值值仅仅有有R R和和2 2R R两两种种，各各2R2R支支路路电电流流I Ii i与与D Di i数数码码状状态态无
14、无关关，是是一一定定值值。由由于于支支路路电电流流流流向向运运放放反反相相端端时时不不存存在在传传输输时时间间，因因而而具具有较高的转换速度。有较高的转换速度。3 3在在权权电电流流型型D/AD/A转转换换器器中中，由由于于恒恒流流源源电电路路和和高高速速模模拟拟开开关关的的运运用用使使其其具具有有精精度度高、转换快的优点，双极型单片集成高、转换快的优点，双极型单片集成D/AD/A转换器多采用此种类型电路。转换器多采用此种类型电路。4 4不不同同的的A/DA/D转转换换方方式式具具有有各各自自的的特特点点，并并行行A/DA/D转转换换器器速速度度高高；双双积积分分A/DA/D转转换换器器精精度度高高；逐逐次次比比较较型型A/DA/D转转换换器器在在一一定定程程度度上上兼兼有有以以上上两两种种转转换换器器的的优优点点，因因此此得到普遍应用。得到普遍应用。第22页，本讲稿共23页第23页，本讲稿共23页