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1、数字电路与系统1第1页，本讲稿共38页第十一章第五版 习题第五版n11.3;11.5;11.8;11.9n11.14;11.16第四版n9.1;9.2;9.5;9.6n9.10;9.13第2页，本讲稿共38页概述n功能：不言自明（DAC和ADC）n芯片成本：明显高于数字电路芯片，同样精度的芯片ADC要高于DAC。n性能转换精度 和 转换速度第3页，本讲稿共38页概述n应用：例如：计算机控制第4页，本讲稿共38页11.1 D/A转换器nD/A转换器基本原理 n几种D/A转换器nD/A转换器的精度与速度第5页，本讲稿共38页11.1 D/A转换器nD/A转换器基本原理n将模拟量A与数字量D 相对应
2、，需要一个模拟参考量R，使得：A=DR；如果 max(A)=R，则 0D1n数字量D 是一个二进制数：D/A转换器DA第6页，本讲稿共38页11.1 D/A转换器Dn A二进制整数乘以一个基本单位，称为量化单位,A为量化单位的整数倍量化单位就是输入数字Dn的一个最低有效位LSB所对应的模拟量电路中常用一个参考电压VREF作模拟参考量D/A转换器DnAVREF第7页，本讲稿共38页11.1 D/A转换器nD/A变换器的分类权电阻网络倒T形（梯子形状）电阻网络权电流权电容开关树型n“权”砝码；Weight；加权第8页，本讲稿共38页11.1 D/A转换器n运算放大器的若干特点开环放大倍数非常大（1
3、05-107）输出Vo受电源电压限制，绝对值一般在15V以下，故：两输入端的差值非常小:输入阻抗ri非常大（几百k以上）输入端的电流非常小：输出阻抗ro非常小(几十 几百)输出端驱动能力较大，可以带一定的负载，类似于电压信号源(虚短路,虚地)（虚断路）+-VoI-I+V+V-第9页，本讲稿共38页11.1 D/A转换器n运算放大器加法器如：反相输入电压并联负反馈（线性电路）独立作用原理OP-+RFVREFR2R1VOUT虚地i第10页，本讲稿共38页11.1.1 权电阻网络DACn权电阻网络DAC反相输入端并联权电阻，电阻的阻值等比于2的幂次数字量输入：“1”加入一份(1/2j)电流到 i输出
4、的模拟电压正比于输入的数字量OP-+RF(R/2)VREFR2RVOUT4R8R20212223d0d1d2d323i0i1i2i3LSBMSBi第11页，本讲稿共38页结构简单，所用电阻元件少各阻值相差大，难以保证精度 权电阻网络DAC的变化范围第12页，本讲稿共38页11.1.2 倒T形电阻网络DAC注意i：（不论是权电阻，还是倒T）找一种方法，使i可以被有选择地按2的各次幂的比例关系（联想称量，砝码）一份一份地累加起来要求：这种方法的实现电阻值尽可能单一q 倒T形电阻网络DAC第13页，本讲稿共38页11.1.2 倒T形电阻网络DACn倒T形电阻分流网络电阻分流网络的输入电阻虚地，不论开
5、关合在哪一端，相当于接在“地”电位OP-+RF(R)VREFRVOUTd0d1d2d3虚地RR2R2R2R2R2R(LSB)(MSB)II/16I/16I/8I/8I/4I/4I/2I/2第14页，本讲稿共38页11.1.2 倒T形电阻网络DACn倒T形电阻分流网络的输入电阻每个“梯子蹬儿”（除了最顶端）看过去的输入阻抗全是R每过一个梯子节（见图中标出的节点，电流被二分）VREFRRR2R2R2R2R2R第15页，本讲稿共38页11.1.2 倒T形电阻网络DACOP-+RF(R)VREFRVOUTd0d1d2d3虚地RR2R2R2R2R2R(LSB)(MSB)II/16I/16I/8I/8I/
6、4I/4I/2I/2n有：第16页，本讲稿共38页11.1 D/A转换器其它类型的DACn权电流型n开关树型n权电容型（自学）第17页，本讲稿共38页11.1.3 DAC的量程与分辨力n量程与VREF成比例一般使量程0|VREF|（约等于|VREF|）基准源：不能带载，准，温飘小、精密昂贵如果极性、量程不能满足：输出加运放如果输出有功率要求：功率放大器n如果不考虑集成电路（IC）制造的精度，分辨力与位数有关8位、10位、12位1/256、1/1024（千分之一）、0.025%第18页，本讲稿共38页11.1 DAC芯片的使用nDAC芯片的结构D/2ndn-1d0数字地电阻网络模拟地VREF隔离
7、电平转换数字地I-I+-+RF第19页，本讲稿共38页11.1 DAC芯片的使用nDAC芯片的使用想象芯片内部的结构想象芯片内部的结构例：输出08V，代表物理量-1010，精度0.1%；如何编码，如何连接DAC，编码的LSB代表物理量多少？精度12位（假设找不到10位DAC）编码，用补码0的位置（4V）数码加偏移量800h数码最低位代表物理量第20页，本讲稿共38页11.1 DAC芯片的使用n例：输出的模拟电平偏移习题p549题11.7第五版 p495 题9.4第四版第21页，本讲稿共38页11.2 A/D转换器nA/D转换器基本原理 n直接A/D转换器n间接A/D转换器nA/D转换器的精度与
8、速度第22页，本讲稿共38页11.2 A/D转换器nA/D转换器的原理两步走：对模拟信号采样（连续离散）将取样的信号转换成物理量 取样保持电路各种类型的AD的方法（电路）第23页，本讲稿共38页11.2 A/D转换器采样定理信号系统的结论采样频率与信号最高（所关心的最高）频率分量的关系ADC芯片有将“取保”电路集成在一起的，也有需要外加“取保”的一般是一套ADC电路（比较昂贵）支持多路的模拟信号采样（多路“取保”）与ADC的转换速度有关第24页，本讲稿共38页11.2 A/D转换器n“取样-保持”电路（书中的例子）当vL为高，vI通过RI向CH充电，若RI=RF，充电结束后，vO=vC=-vI
9、当vL为低，vO在CH电荷作用下，保持不变缺点：充电回路，R1电阻较大，限制了取样速度。第25页，本讲稿共38页11.2 A/D转换器n“取样-保持”电路原理（模拟电路教材）+-+电子开关vIN存储模拟电压值的电容器vIN隔离射随器隔离射随器第26页，本讲稿共38页11.2 A/D转换器n“取样-保持”电路（书中的例子）输入端加入隔离放大器LF198第27页，本讲稿共38页11.2 A/D转换器n量化单位数字信号最低有效位(LSB)的1所代表的数量大小n分辨力受的限制，称为量化误差n例：两种量化方法一、=1/2n，量化误差等于；二、=2/(2n+1-1)，但量化误差等于0.5 ，即1/(2n+
10、1-1)n例：p526第五版p477第四版图，下面举2位二进制码简单例子“三块半”1/41/72/70000011011011011第28页，本讲稿共38页11.2 A/D转换器n对双极性模拟电压的量化和编码第29页，本讲稿共38页11.2 A/D转换器n直接A/D转换器并联比较型A/D转换器n电路构成：电压比较器寄存器比较器输出状态由D触发器保持代码转换器经优先编码器，得到数字量输出n量化单位第30页，本讲稿共38页11.2 A/D转换器n反馈比较型ADC一般地说，ADC中还集成DAC电路；按照一定规律改变DAC的输入数字量，将采样得到的模拟电压值与DAC的输出比较；当两者相等时，就完成了对
11、采样模拟电压量的量化；量化的值就是这时的DAC的输入的数字量。第31页，本讲稿共38页11.2 A/D转换器n逐次渐进型A/D变换器的原理1.使寄存器的值为100.00，2.寄存器的值作为DAC的输入；比较模拟量与DAC的输出：n如果前者小于后者，将寄存器最低的一个是“1”的码元复位成“0”；否则，保留这个1。3.将次低于当前的位置 置1，如 rrrr10000，重复步骤2，直到比较到最低一位。4.最终寄存器中的值就是“取-保”的模拟电平值的编码q反馈比较型ADC：第32页，本讲稿共38页逐次渐进型A/D变换器v原理图：p532第五版图11.3.8，p484第四版图9.3.9v“上述比较过程正
12、如用天平去称量一个未知重量的物体时所进行的操作一样，而所使用的砝码一个比一个重量少一半。”C+-vL转换控制信号来自采样保持电路vINvout(DAC)DAC逐次逼近寄存器控制逻辑脉冲源CPMSBLSB并行数字输出优点：电路简单；缺点：转换速度慢，最长转换时间可达2n-1倍时钟信号周期由比较器、D/A转换器、寄存器、时钟脉冲源、控制逻辑组成 第33页，本讲稿共38页 间接间接A/DA/D转换器转换器V-T变换型ADC：把输入模拟电压信号转换为与之成正比的时间宽度信号，然后在这个时间宽度里对固定频率的时钟脉冲计数，计数结果就是正比于输入模拟电压的数字信号V-F变换型ADC：把输入模拟电压信号转换
13、为与之成正比的频率信号，然后在这个固定时间间隔内对得到的频率信号计数，计数结果就是正比于输入模拟电压的数字信号11.2 A/D转换器n自学n后续课程（选修电子测量）第34页，本讲稿共38页9.2 A/D转换器nADC的采样速度与其精度有一定的互易的关系Flash型ADCn理论基础：信号处理+信息论n后续课程：软件无线电第35页，本讲稿共38页应用n集成A/D转换器的应用举例-数据采集系统第36页，本讲稿共38页本章小结A/D转换器和D/A转换器是数字系统与各种模拟信号源和被控对象之间的桥梁常用的D/A转换器主要有权电阻型和倒T型电阻网络型两种电路；由于倒T型电阻网络型电阻取值较少，易于集成，便于提高精度，因此多为集成D/A转换器所采用A/D转换器：n要求了解的内容倒T型网络DAC的结构DAC 的量程与分辨力，量化误差；芯片的简单的使用方法ADC的基本常识，取样保持电路第37页，本讲稿共38页课程信息n讲师：李峭新主楼 F-710e-Mail:（可预约答疑）n教辅23班：杜毓青（新主F-711）24班：于树沅（新主F-711）25班：王 硕（新主F-712）?数电第38页，本讲稿共38页