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1、第11章 D/A与A/D转换数字电子技术 Digital Electronics Technology海南大学数字电子技术课程组海南大学数字电子技术课程组教学网址：教学网址：http:/讨论空间：讨论空间：E-mail:Digital Electronics Technology1/9/202311.1 概述概述1.模模-数转换数转换n定定义义：模模拟拟信信号号到到数数字字信信号号的的转转换换称称为为模模-数数转转换换，或或称为称为A/D（Analog to Digital）。）。n把实现把实现A/D转换的电路称为转换的电路称为A/D转换器（转换器（Analog Digital Convert
2、er ADC）。）。2.数数-模转换模转换n定定义义：模模拟拟信信号号到到数数字字信信号号的的转转换换称称为为模模数数转转换换，或或称为称为A/D（Analog to Digital）n把把实实现现D/A转转换换的的电电路路称称为为D/A转转换换器器（Digital Analog Converter DAC）。）。Digital Electronics Technology1/9/2023典型数字控制系统框图11.1 概述概述Digital Electronics Technology1/9/2023DAC网络网络DAC权电阻权电阻倒梯形电阻网络倒梯形电阻网络DACADC直接直接ADC间接间接
3、ADC权电流型权电流型DAC权电容型权电容型DAC开关树型开关树型DAC输入输入/输出方输出方式式并行并行串行串行11.1 概述概述3.分类分类Digital Electronics Technology1/9/202311.2 D/A转换器转换器1.权电阻型权电阻型D/A转换器转换器 模拟开关，受Di控制。Di=1时，模拟开关左拨；Di=0时，模拟开关右拨。权电阻网络求和放大器MSBLSBDigital Electronics Technology1/9/2023运算放大器总的输入电流为运算放大器总的输入电流为 运算放大器的输出电压为运算放大器的输出电压为 若若RF=1/2R，代入上式后则得
4、，代入上式后则得 11.2 D/A转换器转换器 输出电压正比于输入的数字量输出电压正比于输入的数字量D=Dn-1Dn-2 D1=D0，从而实现了从数字量到模拟量的转换。从而实现了从数字量到模拟量的转换。Digital Electronics Technology1/9/2023当当D=Dn-1D0=0时时,uo=0 因而因而uo 的变化范围是：的变化范围是：当当D=Dn-1D0=111时，时，最大输出电压最大输出电压：电路简单，器件少。但精度由电阻的精度定，此电电路简单，器件少。但精度由电阻的精度定，此电路中阻值差别大，对集成不利。路中阻值差别大，对集成不利。特点：特点：11.2 D/A转换器
5、转换器自学内容：自学内容：双级权电阻网络双级权电阻网络D/A转换器转换器Digital Electronics Technology1/9/2023Di=1，Si将电阻接到运放反向输入端将电阻接到运放反向输入端Di=0，Si将电阻接到运放同向输入端将电阻接到运放同向输入端都是虚地，各支路都是虚地，各支路电流不会变化电流不会变化11.2 D/A转换器转换器2.倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器 流流入入2R支支路路的的电电流流是是依依2的倍速递减。的倍速递减。Digital Electronics Technology1/9/2023流入运算放大器的电流为：流入运算放大器的电流为：11
6、.2 D/A转换器转换器运算放大器的输出电压为：运算放大器的输出电压为：Digital Electronics Technology1/9/2023 若若RF=R，并将，并将I=UR/R代入上式，代入上式，则有则有 可见，输出模拟电压正比于数字量的输入。可见，输出模拟电压正比于数字量的输入。11.2 D/A转换器转换器3.八位集成八位集成DAC0832（1）引脚排列图）引脚排列图 Digital Electronics Technology1/9/202311.2 D/A转换器转换器（2）内部结构图）内部结构图 Digital Electronics Technology1/9/202311.
7、2 D/A转换器转换器（3）DAC0832的三种工作方式（的三种工作方式（1）Digital Electronics Technology1/9/202311.2 D/A转换器转换器（3）DAC0832的三种工作方式（的三种工作方式（2）Digital Electronics Technology1/9/202311.2 D/A转换器转换器（3）DAC0832的三种工作方式（的三种工作方式（3）Digital Electronics Technology1/9/2023 由于模拟量时间和（或）数值上是连续的，而数字量在由于模拟量时间和（或）数值上是连续的，而数字量在时间和数值上都是离散的，所以
8、转换时要在时间上对模拟时间和数值上都是离散的，所以转换时要在时间上对模拟信号离散化（采样），还要在数值上离散化（量化），一信号离散化（采样），还要在数值上离散化（量化），一般步骤为：般步骤为：采样采样保持保持量化量化编码编码11.3 A/D转换器转换器1.A/D转换器的基本原理转换器的基本原理 Digital Electronics Technology1/9/2023（1）采样定理采样定理 模拟信号采样信号 取取样样频频率率fS必必须须大大于于等等于于输输入入模模拟拟信信号号包包含含的的最最高高频频率率fmax的两倍，即：的两倍，即：11.3 A/D转换器转换器Digital Electro
9、nics Technology1/9/2023（2）量化和编码量化和编码量化：量化：将采样电压转化为数字量最小数量单位的整数倍的过程。将采样电压转化为数字量最小数量单位的整数倍的过程。用用 表示表示编码：编码：将量化结果用代码表示出来。将量化结果用代码表示出来。量化误差：量化误差：由于模拟量不一定能被由于模拟量不一定能被 整除。整除。11.3 A/D转换器转换器Digital Electronics Technology1/9/2023例如：例如：要将要将0 1V的模拟电压转换为三位二进制代码。的模拟电压转换为三位二进制代码。方法方法1：取取 1/8 V，0 1/8 V 的电压以的电压以0 表
10、示，则：表示，则：模拟电压模拟电压二进制编码二进制编码 代表的模拟电压电平代表的模拟电压电平可见量化误差最大达可见量化误差最大达=1/8 V。11.3 A/D转换器转换器Digital Electronics Technology1/9/2023方法方法2：取取 2/15 V，0 1/15 V 的电压以的电压以0 表示，则表示，则模拟电压模拟电压二进制编码二进制编码代表的模拟电压电平代表的模拟电压电平可见量化误差最大达可见量化误差最大达/2=1/15 V。11.3 A/D转换器转换器Digital Electronics Technology1/9/2023MOS管，做模拟开关采样控制信号保持
11、电容采样输出波形（3）采样保持电路）采样保持电路11.3 A/D转换器转换器Digital Electronics Technology1/9/2023（1）并联比较并联比较型型A/D转换器转换器 11.3 A/D转换器转换器1.直接直接A/D转换器转换器Digital Electronics Technology1/9/2023 寄寄存存器器：由由七七个个D触触发发器器构构成成。在在时时钟钟脉脉冲冲CP的的作作用用下，将比较结果暂时寄存，以供编码用。下，将比较结果暂时寄存，以供编码用。编编码码器器：由由六六个个与与非非门门构构成成。将将比比较较器器送送来来的的七七位位二二进进制制码码转转换换
12、成成三三位位二二进进制制代代码码D2、D1、D0。编编码码网网络络的的逻逻辑关系为辑关系为：11.3 A/D转换器转换器Digital Electronics Technology1/9/2023并联型并联型A/D转换器的转换关系转换器的转换关系 11.3 A/D转换器转换器Digital Electronics Technology1/9/2023 例例如如：假假设设模模拟拟输输入入UIN=3.8V，UR=8V。当当模模拟拟输输入入UIN=3.8V加到各级比较器时，由于加到各级比较器时，由于 因因此此，比比较较器器的的输输出出C6C0为为0001111。在在时时钟钟脉脉冲冲作作用用下下，比比
13、较较器器的的输输出出存存入入寄寄存存器器，经经编编码码网网络络输输出出A/D转换结果：转换结果：D2D1D0=100。优点：优点：转换速度很快。转换速度很快。缺点：缺点：电路复杂，转换精度较低。电路复杂，转换精度较低。11.3 A/D转换器转换器Digital Electronics Technology1/9/2023（2）反馈比较型）反馈比较型A/D转换器转换器 11.3 A/D转换器转换器Digital Electronics Technology1/9/2023（3）逐次渐进型）逐次渐进型A/D转换器转换器 11.3 A/D转换器转换器Digital Electronics Techn
14、ology1/9/2023（1）双积分型）双积分型A/D转换器转换器 11.3 A/D转换器转换器2.间接间接A/D转换器转换器Digital Electronics Technology1/9/2023积分器：积分器：输入端接开关输入端接开关S，S受触发器受触发器Fn的控制。的控制。当当Qn=0 时，时，S接输入电压接输入电压+Ui，积分器对输入信号电压积分器对输入信号电压+Ui（正极性）积分（正向积分）。正极性）积分（正向积分）。当当Qn=1 时，时，S接基准电压接基准电压-UR（负极性），积分器对基负极性），积分器对基准电压准电压-UR积分（负向积分）。积分（负向积分）。积分器输出积分器
15、输出Uo接零值比较器。接零值比较器。11.3 A/D转换器转换器 零值比较器：零值比较器：其输出其输出UC作为控制门作为控制门G的门控信号。的门控信号。当积分器输出当积分器输出Uo0时，比较器输出时，比较器输出UC=1；当积分器输出当积分器输出Uo0时，比较器输出时，比较器输出UC=0。Digital Electronics Technology1/9/2023 当当零零值值比比较较器器输输出出UC=1 时时，G门门开开，标标准准时时钟钟脉脉冲冲通过通过G门加到计数器；门加到计数器；时钟控制门时钟控制门G：当当零零值值比比较较器器输输出出UC=0时时，G门门关关，标标准准时时钟钟脉脉冲冲不能通
16、过不能通过G门加到计数器，计数器停止计数。门加到计数器，计数器停止计数。11.3 A/D转换器转换器计计数数器器：由由n+1个个触触发发器器构构成成，Fn-1F1F0构构成成n位位二二进进制计数器，制计数器，Fn实现对实现对S的控制。的控制。Digital Electronics Technology1/9/202311.3 A/D转换器转换器电压波形电压波形Digital Electronics Technology1/9/2023取样阶段：取样阶段：其中其中=RC为积分时间常数。为积分时间常数。当当+Ui为正极性不变常量时，为正极性不变常量时，Uo（T1）值为：）值为：11.3 A/D转换
17、器转换器比比较较阶阶段段：开开关关转转至至-UR后后，积积分分器器对对基基准准电电压压进进行行负负向向积分，积分器输出为：积分，积分器输出为：Digital Electronics Technology1/9/2023 当当Uo0 时时，零零值值比比较较器器输输出出UC=0，G门门关关，计计数数器器停停止止计计数数，完完成成一一个个转转换换周周期期。假假设设此此时时计计数数器器已已记记录录了了个个脉脉冲冲，则：则：11.3 A/D转换器转换器Digital Electronics Technology1/9/2023（2）八位集成）八位集成ADC0809 11.3 A/D转换器转换器 引脚图引脚图 Digital Electronics Technology1/9/202311.3 A/D转换器转换器 内部结构图内部结构图 Digital Electronics Technology1/9/2023（3）集成）集成AD7520 11.3 A/D转换器转换器Digital Electronics Technology1/9/2023作业作业P.548-55411.1，11.3，11.5，11.11，11.14，11.19