電子電路第十一章

1、2021-12-71數(shù)-模 和 模-數(shù) 轉換數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-72北航 電子信息工程學院本章習題： 11.3; 11.5 11.14; 11.16數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-73北航 電子信息工程學院 計算機技術飛速發(fā)展與普及，在現(xiàn)代控制、通信及檢測領域中，對信號的處理廣泛采用了數(shù)字技術 實際處理對象往往是模擬量（如溫度、壓力、位移、圖像等），經(jīng)處理后的輸出信號往往也需要為模擬信號才能為執(zhí)行機構所接收 數(shù)模和模數(shù)轉換器是連接模擬和數(shù)字世界的紐帶 概述數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-74北航 電子信息工程學院 轉換器的關鍵功能和性能功能： 在數(shù)字位流中準確表示模擬信號 提供數(shù)字信號處

2、理電路的平滑接口性能： 速度，轉換器能夠進行轉換的取樣速率（每秒取樣數(shù)量） 精度，轉換信號的精確程度，以位數(shù)來計量的分辨率概述數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-75北航 電子信息工程學院11.1 D/A轉換器 11.2 A/D轉換器 數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-76北航 電子信息工程學院 D/A轉換器基本原理 幾種D/A轉換器 D/A轉換器的精度與速度11.1 D/A轉換器數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-77北航 電子信息工程學院n D/A轉換器基本原理將模擬量A與數(shù)字量D 相對應，需要一個模擬參考量R，使得： A=DR ；如果 max(A)=R，則 0D1數(shù)字量D 是一個二進制數(shù)：nnndddD

3、22202211D/A轉換器DA數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-78北航 電子信息工程學院Dn A 二進制整數(shù)乘以一個基本單位，稱為量化單位, A為量化單位的整數(shù)倍 量化單位就是輸入數(shù)字Dn的一個最低有效位LSB所對應的模擬量 電路中常用一個參考電壓VREF作模擬參考量12120120120(222)(222 )22nREFREFnnnnREFnnnREFnnADVVdddVdddVDD/A轉換器DnAVREFn D/A轉換器基本原理數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-79北航 電子信息工程學院n 幾種D/A轉換器+- -VoI- -I+V+V- 集成運算放大器的若干特點開環(huán)放大倍數(shù)非常大（105-1

4、07）輸出Vo受電源電壓限制，絕對值一般在15V以下，故：兩輸入端的差值非常小: 輸入阻抗ri非常大（幾百k以上）輸入端的電流非常?。?輸出阻抗ro非常小(幾十 幾百)輸出端驅動能力大，帶負載能力強VV0II(虛短路,虛地)（虛斷路）數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-710北航 電子信息工程學院 權電阻網(wǎng)絡DAC3210()OFFvR iRIIII 組成： 權電阻網(wǎng)絡 4個模擬開關 一個求和放大器S3S2S1S0 4個電子開關由d3d2d1d0控制n 幾種D/A轉換器數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-711北航 電子信息工程學院 結構簡單，所用電阻元件少 各阻值相差大，難以保證精度 權電阻網(wǎng)絡DAC0

5、301212233222dRVIdRVIdRVIdRVIREFREFREFREF)2222(2)(0011223340123ddddVIIIIRiRvREFFFOOv的變化范圍REF2110Vn數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-712北航 電子信息工程學院倒T形電阻網(wǎng)絡DAC電阻網(wǎng)絡只有R, 2R兩種阻值組成： 倒T形電阻網(wǎng)絡 4個模擬開關 一個求和放大器S3S2S1S0 4個電子開關由d3d2d1d0控制n 幾種D/A轉換器數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-713北航 電子信息工程學院倒T形電阻網(wǎng)絡DAC 從AA、BB、CC、DD看進去的電阻都等效為R 從參考電源流入倒T形電阻網(wǎng)絡的電流為I=VRE

6、F/R 流入每個支路的電流分別為I/2、I/4、I/8和I/16數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-714北航 電子信息工程學院倒T形電阻網(wǎng)絡DAC電阻值少，較常用012316842dIdIdIdIi)2222(2001122334ddddVRivREFO數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-715北航 電子信息工程學院CB7520的電路原理圖數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-716北航 電子信息工程學院權電流型DAC 在權電阻網(wǎng)絡和倒T形轉換器中，模擬開關的導通電阻和導通電壓會引起轉換誤差，影響轉換精度 解決這個問題的方法之一是使用恒流源數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-717北航 電子信息工程學院2343210

7、321043210222222222FOFIIIIviddddRR Idddd權電流型DAC數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-718北航 電子信息工程學院EiBEEEBiRVVVI恒流源只要在電路工作時保證VB和VEE的電壓穩(wěn)定不變，則三極管的輸出電流可保持恒定，其大小近似為：權電流型DAC數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-719北航 電子信息工程學院 為了在權電流型D/A轉換器中獲得電流依次減少1/2的恒定電流源，常利用倒T形電阻網(wǎng)絡EiBEEEBiRVVVI相同電位基準電流發(fā)生電路增大發(fā)射結面積權電流型DAC數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-720北航 電子信息工程學院IRVIIRREFEREF323

8、2104321022222FREFORVRvddddR權電流型DAC數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-721北航 電子信息工程學院權電流型電路（DAC0808）IO 是求和電流的輸出端 VR+ 和VR- 接基準電流發(fā)生電路中運算放大器的反相輸入端和同相輸入端 COMP供外接補償電容之用 VCC和VEE為正負電源輸入端 數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-722北航 電子信息工程學院10V 權電流型電路（DAC0808）7807880221010222iFREFOiiRiiniR VvDRDD當輸入的數(shù)字量在全0和全1之間變化時，輸出模擬電壓的變化范圍為09.96V 數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-723北

9、航 電子信息工程學院開關樹型DAC組成：電阻分壓器樹狀開關網(wǎng)絡12321021032102222222REFREFREFOREFVVVvdddVddd數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-724北航 電子信息工程學院具有雙極性電壓輸出的DAC通常將帶符號的二進制數(shù)值表示成補碼的形式希望D/A轉換器將以補碼形式輸入的數(shù)表示成正/負極性的模擬電壓例：3位二進制補碼可以表示+3到-4之間的任何整數(shù)與十進制數(shù)的對應關系及希望得到的輸出：數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-725北航 電子信息工程學院前面的D/A轉換器都是單極性的，只能輸出正電壓。在D/A轉換電路中增加偏移電路：在輸入100時，輸出電壓為0要求IB與

10、 相等i將補碼符號位求反后輸入轉換器即可得到需要的輸出電壓數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-726北航 電子信息工程學院n D/A轉換器的精度與速度DAC的轉換精度 D/A轉換器的轉換精度通常用分辨率和轉換誤差來描述 分辨率 D/A轉換器模擬輸出電壓可能被分離的等級數(shù)；由轉換器位數(shù)，或者能夠分辨的最小電壓和最大電壓的比表示 轉換誤差 參考電壓的波動，運放零點漂移，模擬開關導通內阻和壓降，電阻網(wǎng)絡電阻偏差，三極管特性不一致等原因導致；絕對誤差是指輸入端加入最大數(shù)字量（全1）時，D/A轉換器的理論值與實際值之差，該誤差值應低于LSB/2 數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-727北航 電子信息工程學院n D

11、/A轉換器的精度與速度轉換速度 建立時間 從輸入數(shù)字量發(fā)生突變開始，到輸出電壓進入與穩(wěn)態(tài)值相差 0.5LSB 范圍內的時間； D/A轉換器的建立時間較快，單片集成D/A轉換器建立時間最短可達 0.1S 以內 數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-728北航 電子信息工程學院 A/D轉換器基本原理 直接A/D轉換器 間接A/D轉換器 A/D轉換器的精度與速度A/D轉換器數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-729北航 電子信息工程學院n A/D轉換器基本原理ADC輸入的模擬信號在時間上連續(xù)，數(shù)值上連續(xù)；而輸出的數(shù)字信號在時間上離散，數(shù)值上離散數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-730北航 電子信息工程學院n A/D轉

12、換器基本原理取樣-保持：時間上離散 取樣定理：采樣頻率必須大于等于輸入模擬信號的最高頻率的2倍； 取樣后的樣點值必須保存下來，并在取樣脈沖結束之后到下1個取樣脈沖到來之前保持不變，以便ADC電路將該樣點值轉換成數(shù)字量量化：數(shù)值上離散 將取樣保持后的樣點值（模擬信號）轉化成最小數(shù)量單位（量化單位）（）的整數(shù)倍，有量化誤差編碼：量化結果用代碼表示數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-731北航 電子信息工程學院劃分量化電平的兩種方法111110101100011010001000111110101100011010001000輸入信號1V7/8V6/8V5/8V4/8V3/8V2/8V1/8V0二進制代碼

13、輸入信號二進制代碼1V13/15V11/15V9/15V7/15V5/15V3/15V1/15V0代表的模擬電壓7=7/8（V）6=6/8（V）5=5/8（V）4=4/8（V）3=3/8（V）2=2/8（V）1=1/8（V）0 =0 （V）代表的模擬電壓7=14/15（V）6=12/15（V）5=10/15（V）4= 8/15（V）3= 6/15（V）2= 4/15（V）1= 2/15（V）0 = 0 (V）數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-732北航 電子信息工程學院對雙極性模擬電壓的量化和編碼數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-733北航 電子信息工程學院 取樣保持電路當vL為高，vI通過RI向CH

14、充電，若RI=RF，充電結束后， vO=vC=-vI當vL為低，vO在CH電荷作用下，保持不變數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-734北航 電子信息工程學院 并聯(lián)比較型A/D轉換器電路構成：n電壓比較器n寄存器n代碼轉換器量化單位=REFV152 比較器輸出狀態(tài)由D觸發(fā)器保持經(jīng)優(yōu)先編碼器，得到數(shù)字量輸出 n 直接A/D轉換器數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-735北航 電子信息工程學院 并聯(lián)比較型A/D轉換器優(yōu)點：轉換速度快,不用取樣保持電路缺點：需要很多的電壓比較器和觸發(fā)器輸入模擬電壓寄存器狀態(tài)數(shù)字量輸出（代碼轉換器輸入）（代碼轉換器輸出）QQQQQQQ7654321DDD210vI15()15)(

15、1515)(1515)(1515)(1515)(1515)(1515)(11033557799111113131VREFVREFVREFVREFVREFVREFVREFVREF00000011111111111110111001100110110111000100100000000100000001010011100101110111數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-736北航 電子信息工程學院 反饋比較型ADC 思路：給出并調整數(shù)字量，使得該數(shù)字量通過DAC輸出的模擬量和輸入模擬量相等，則該數(shù)字量為轉換結果計數(shù)型A/D轉換器電路由比較器C、D/A轉換器、計數(shù)器、時鐘脈沖源、控制門G、輸出寄存器組

16、成 數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-737北航 電子信息工程學院特點：電路簡單，但轉換速度慢，最長轉換時間可達2n-1倍時鐘信號周期數(shù)字量由計數(shù)器提供Bv10IOvvIOvv=開始輸出vB0 停止計數(shù)數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-738北航 電子信息工程學院逐次漸近型A/D轉換器由比較器、 D/A轉換器、寄存器、時鐘脈沖源、控制邏輯組成 天平稱重的思路：將輸入模擬信號與不同的參考電壓做多次比較，使轉換所得的數(shù)字量在數(shù)值上逐次逼近輸入模擬量的對應值 數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-739北航 電子信息工程學院第一個CP作用時，寄存器的最高位Dn-1置1，其他位置0，輸出10000vIvO ，比較器輸

17、出為0，將Dn-1置0若 vIvO ，比較器輸出為1，數(shù)據(jù)寄存器的Dn-1位1保留第二個CP作用時，寄存器的次高位Dn-2置1，完成上述操作依此類推，經(jīng)n次比較完成轉換逐次漸近型A/D轉換器數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-740北航 電子信息工程學院減小量化誤差移位寄存器初始狀態(tài)：Q1Q2Q3Q4Q5=10000CP1后,移位寄存器為01000，QAQBQC=100CP2后,移位寄存器為00100，QAQBQC= d2 1 0CP3后,移位寄存器為00010，QAQBQC= d2 d1 1CP4后,移位寄存器為00001，QAQBQC= d2 d1 d0Q5=1,輸出 d2 d1 d0轉換速度比

18、并聯(lián)比較型低，但比計數(shù)型高得多電路規(guī)模比并聯(lián)比較型小得多，十分常用數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-741北航 電子信息工程學院 間接A/D轉換器V-T變換型ADC：把輸入模擬電壓信號轉換為與之成正比的時間寬度信號，然后在這個時間寬度里對固定頻率的時鐘脈沖計數(shù)，計數(shù)結果就是正比于輸入模擬電壓的數(shù)字信號V-F變換型ADC：把輸入模擬電壓信號轉換為與之成正比的頻率信號，然后在這個固定時間間隔內對得到的頻率信號計數(shù)，計數(shù)結果就是正比于輸入模擬電壓的數(shù)字信號數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-742北航 電子信息工程學院 雙積分型ADCV-T變換型，由積分器、比較器、計數(shù)器和控制電路組成模擬量轉換為數(shù)字量分兩步

19、進行： 將電壓轉化為時間T，使T 與輸入電壓成正比 將時間T 轉化為數(shù)字量，使數(shù)字量與T 成正比首先控制電路將計數(shù)器清零，接通S0，使C完全放電數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-743北航 電子信息工程學院第一步：將電壓轉化為時間T2， 使T2與輸入電壓vI成正比 開關S1合到vI一側 I10I1)(1vRCTdtRvCvTO開關S1接到VREF一側 012REFI10REFI12RCTVvRCTdtRVCvRCTvTOIREF12vVTT T1為常數(shù)，T2與vI成正比數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-744北航 電子信息工程學院性能穩(wěn)定 轉換結果與R, C無關，是兩次積分的結果抗干擾能力強 積分器對

20、平均值為0的干擾有很強的抑制能力工作速度低第二步：將時間T2轉化為數(shù)字量， 使數(shù)字量與T2成正比 IREFvVTTTTDC1C2時間T2內對固定頻率(fC=1/TC)脈沖計數(shù)數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-745北航 電子信息工程學院 VF 變換型ADC壓控振蕩器輸出脈沖頻率與輸入電壓有線性關系TG寬度固定，vG高電平期間，計數(shù)脈沖數(shù)正比于fout，正比于vI寄存器可防止輸出數(shù)字跳動影響精度的因素：壓控振蕩器穩(wěn)定度和線性度、計數(shù)器位數(shù)特點：VCO輸出是調頻信號易于傳輸，且抗干擾能力強；適用于遙測、遙控系統(tǒng)由于高精度的VCO不易得到，精度不易提高；另外速度慢數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-746北航

21、 電子信息工程學院n A/D轉換器的精度與速度轉換精度分辨率：用輸出二進制或十進制的位數(shù)表示，說明ADC對輸入信號的分辨能力。N位二進制數(shù)字輸出的ADC能區(qū)分輸入模擬電壓的2n個不同等級大小，能夠區(qū)分輸入電壓的最小差異為1/2n FSR轉換誤差：通常以輸出誤差最大值形式給出，表示實際輸出數(shù)字量和理論輸出數(shù)字量之間的差別，一般多以最低有效位的倍數(shù)給出，如轉換誤差LSB/2 轉換速度取決于電路類型。并聯(lián)型ADC最快(50ns)，逐次漸進型次之(10-100us),間接型ADC轉換速度很低（數(shù)十毫秒到數(shù)百毫秒）數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-747北航 電子信息工程學院 集成A/D轉換器的應用舉例-數(shù)

22、據(jù)采集系統(tǒng)ADC0804CSRDWRINTRCS111RD2WR2RAMD.D07D.D07控制總線微處理器控制器接口8位數(shù)據(jù)總線模擬信號輸入至其他裝置至其他裝置vI數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-748北航 電子信息工程學院 A/D轉換器和D/A轉換器是數(shù)字系統(tǒng)與各種模擬信號源和被控對象之間的橋梁 常用的D/A轉換器主要有權電阻型和倒T型電阻網(wǎng)絡型兩種電路；由于倒T型電阻網(wǎng)絡型電阻取值較少，易于集成，便于提高精度，因此多為集成D/A轉換器所采用 常用的A/D轉換器主要有雙積分型、逐次比較型和并行比較型三種。雙積分型精度高，抗干擾能力強，對元件穩(wěn)定性要求較低，但轉換速率低；逐次比較型轉換精度較高

23、，成本較低，速度適中；并行比較型轉換速率高，但要求集成度高，且易受干擾本章小結數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-749北航 電子信息工程學院第一、二章 邏輯代數(shù)基礎 數(shù)制之間的轉換；原碼、反碼和補碼的運算； 邏輯代數(shù)的基本運算、基本定理、基本公式、基本規(guī)則； 邏輯函數(shù)的標準展開，最小項、最大項及其性質 邏輯函數(shù)的公式化簡法和卡諾圖化簡法，約束項； 邏輯函數(shù)不同表示法的相互轉換總結數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-750北航 電子信息工程學院第三章 門電路 開關器件及開關特性 TTL門電路的基本結構、工作原理、電氣特性（傳輸特性、輸入電流特性、輸入負載特性及輸出電流特性） 電路改進及邏輯擴展 CMOS電路的基本結構、工作原理、電氣特性及邏輯擴展總結數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-751北航 電子信息工程學院第四章 組合邏輯電路 組合邏輯電路的分析方法和設計方法 常用組合電路及典型中規(guī)模集成電路：編碼器（148）、譯碼器（138）、多路數(shù)據(jù)選擇器（153/152）、加法器（283）、比較器的功能及應用 競爭冒險及消除 總結數(shù)字電路與系統(tǒng)2021-12-752北航 電子信息工程學院第五章 觸發(fā)器 RS觸發(fā)器，D觸發(fā)器，T觸發(fā)器，JK觸發(fā)器的結構及工作特點，觸發(fā)方式 描述觸發(fā)器的功能的方法（特