數(shù)字電路郭建才主講第八章

1、8.1 概述 主要要求： 理解數(shù)模和模數(shù)轉換器的概念和作用。 第一頁，共三十九頁。一、數(shù)模和模數(shù)轉換的概念和作用 數(shù)模轉換即將數(shù)字量轉換為模擬電量(電壓或電流)，使輸出的模擬電量與輸入的數(shù)字量成正比。 實現(xiàn)數(shù)模轉換的電路稱數(shù)模轉換器 Digital - Analog Converter，簡稱 D/A 轉換器或 DAC。 模數(shù)轉換即將模擬電量轉換為數(shù)字量，使輸出的數(shù)字量與輸入的模擬電量成正比。 實現(xiàn)模數(shù)轉換的電路稱模數(shù)轉換器 Analog - Digital Converter，簡稱 A/D 轉換器或 ADC。 第二頁，共三十九頁。模擬量數(shù)字量 模擬量數(shù)字量傳感器 被控對象 自然界物理量為何要進

2、行數(shù)模和模數(shù)轉換？ 第三頁，共三十九頁。二、數(shù)模和模數(shù)轉換器應用舉例數(shù)字信號物理量模擬信號壓力傳感器溫度傳感器流量傳感器四路模擬開關數(shù)字控制計算機DAC模擬控制器模擬控制器液位傳感器DACDAC模擬控制器模擬控制器生 產(chǎn) 控 制 對 象 DACADC二、數(shù)模和模數(shù)轉換器應用舉例 第四頁，共三十九頁。主要要求： 了解數(shù)模轉換的基本原理。 了解常用 D/A 轉換器的類型和主要參數(shù)。 了解 R - 2R 倒 T 形電阻網(wǎng)絡 D/A 轉換器的電路與工作原理。 8.2 D/A 轉換器 第五頁，共三十九頁。一、數(shù)模轉換的基本原理 輸出模擬電壓 uO = D = (Dn-1 2n-1 + Dn-2 2n-2

3、 + + D1 21 + D0 20 ) 可見，uO D，uO 的大小反映了數(shù)字量 D 的大小。DACD0D1Dn-2Dn-1uOn 位二進制數(shù)輸入模擬電壓輸出一、數(shù)模轉換的基本原理 LSB Least Significant Bit 輸入數(shù)字量 D = (Dn-1 Dn-2 D1 D0 ) 2 = Dn-1 2n-1 + Dn-2 2n-2 + + D1 21 + D0 20 是 DAC 能輸出的最小電壓值，稱為 DAC 的單位量化電壓，它等于 D 最低位(LSB)為 1、其余各位均為 0 時的模擬輸出電壓(用 ULSB 表示)。第六頁，共三十九頁。S0+-uOS1S2S3D3D2D1D0i

4、RFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI301111000RRR (一) 電路組成與轉換原理 二、R - 2R 倒 T 形電阻網(wǎng)絡 DAC 由倒 T 型電阻網(wǎng)絡、模擬開關和一個電流電壓轉換電路(簡稱 I/U 轉換電路)組成。模擬開關 Si 打向“1”側時，相應 2R 支路接虛地；打向“0”側時，相應 2R 支路接地。故無論開關打向哪一側，倒 T 型電阻網(wǎng)絡均可等效為下圖：第七頁，共三十九頁。II3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI3RRRABC從 A、B、C 節(jié)點向左看去，各節(jié)點對地的等效電阻均為 2R。因此，I =VREFRI3 =I2= 23 (

5、 )，I24I2 =I32= 22 ( )，I24=I4I1 =I22= 21 ( )，I24=I8I0 =I12= 20 ( )I24=I16可見，支路電流值 Ii 正好代表了二進制數(shù)位 Di 的權值 2i 。即 I3 = 23 I0， I2 = 22 I0， I1 = 21 I0， I0 = 20 I0 第八頁，共三十九頁。模擬開關 Si 受相應數(shù)字位 Di 控制。當 Di = 1 時，開關合向“1”側，相應支路電流 Ii 輸出；Di = 0 時，開關合向“0”側， Ii 流入地而不能輸出。S0+-uOS1S2S3D3D2D1D0iRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI2

6、2RI301111000RRRu0 = - i RF = - D I0 RF = - D i = D3 I3 + D2 I2 + D1 I1 + D0 I0 = ( D3 23 + D2 22 + D1 21 + D0 20 ) I0 = D I0對 n 位 DAC， uO= - D 若取 RF = R， 則uO= - D n 位 DAC 將參考電壓 VREF 分成 2n 份，uO 是每份的 D 倍。調節(jié) VREF 可調節(jié) DAC 的輸出電壓。uO= - D 第九頁，共三十九頁。三、常用 DAC 的類型和主要參數(shù) (一) 常用 DAC 的類型 常用 DAC 主要有權電阻網(wǎng)絡 DAC、 R -

7、2R T 形電阻網(wǎng)絡 DAC、R - 2R 倒 T 形電阻網(wǎng)絡 DAC和權電流網(wǎng)絡 DAC。其中，后兩者轉換速度快，性能好，因而被廣泛采用，權電流網(wǎng)絡 DAC 轉換精度高，性能最佳。 第十頁，共三十九頁。 (二) 主要參數(shù) 1. 分辨率 DAC 的最小輸出電壓變化量，也即 DAC 的最小輸出電壓值 表示滿度輸出電壓值，F(xiàn)SR 即 Full Scale Range指 D/A 轉換器模擬輸出所能產(chǎn)生的最小電壓變化量與滿刻度輸出電壓之比。 UFSR = uO|D = 11 1 = ( 2n 1 ) ULSBn 位均為 1例如，一個 10 位的 DAC，分辨率為 0.000 978。DAC 的位數(shù)越多

8、，分辨率值就越小，能分辨的最小輸出電壓值也越小。第十一頁，共三十九頁。要獲得較高精度的 D/A 轉換結果，除了正確選用 DAC 的位數(shù)外，還要選用低漂移高精度的求和運算放大器。 3. 轉換時間指 DAC 在輸入數(shù)字信號開始轉換，到輸出的模擬信號達到穩(wěn)定值所需的時間。轉換時間越小，轉換速度就越高。2. 轉換精度 指 DAC 實際輸出模擬電壓與理想輸出模擬電壓間的最大誤差。它是一個綜合指標，不僅與 DAC 中元件參數(shù)的精度有關，而且與環(huán)境溫度、求和運算放大器的溫度漂移以及轉換器的位數(shù)有關。 通常要求 DAC的誤差小于 ULSB / 2。第十二頁，共三十九頁。四、集成 DAC應用舉例四、集成 DAC

9、 應用舉例1. 集成 DAC 簡介 常用集成 DAC 有兩類：一類內部僅含有電阻網(wǎng)絡和電子模擬開關兩部分，常用于一般的電子電路。另一類內部除含有電阻網(wǎng)絡和電子模擬開關外，還帶有數(shù)據(jù)鎖存器，并具有片選控制和數(shù)據(jù)輸入控制端，便于和微處理器進行連接，多用于微機控制系統(tǒng)中。 第十三頁，共三十九頁。2. 8 位 CMOS 集成 D/A 轉換器 CDA7524 簡介數(shù)據(jù)鎖存器20 k20 k20 k20 k20 k10 k10 k10 k10 kVDDVREF151213CSWR45611D7(MSB)D6D5D0(LSB)S0S1S2S7OUT112316iRFBOUT2GND基準電壓輸入端 VREF

10、可正可負 片選控制端 電源電壓范圍 + 5 V + 15 V 8 位數(shù)據(jù)輸入端，其電平與 TTL 電平兼容。MSB 表示最高位，LSB 表示最低位。接地端 內部反饋電阻 RF 的引出端 兩個輸出端，一般將 OUT2 接地，OUT1 接運放反向端。 寫信號控制端 第十四頁，共三十九頁。 例右圖為 CDA7524 的單極性輸出應用電路。圖中電位器 R1 用于調整運放增益，電容 C 用以消除運放的自激。已知 ULSB = VREF / 256，試求滿度輸出電壓及滿度輸出時所需的輸入信號。 CDA752445789106111213D7D6D4D3D2D1D5D0CS314VDD151612VREF

11、= 10V+-OUT1OUT2uOC2 kR2R11 k15 pFWR解： 當 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 = 11111111 時，輸出為滿度值。uO = - UFSR - 9.961 V。第十五頁，共三十九頁。主要要求：了解模數(shù)轉換的基本原理。了解 A/D 轉換器的主要參數(shù)。 了解常用 A/D 轉換器。8.3 A/D 轉換器 第十六頁，共三十九頁。一、A /D 轉換的基本原理和一般步驟 “ ”表示取整。 基本原理ADCD0D1Dn-2Dn-1uI模擬輸入信號n 位二進制數(shù)輸出D = Dn-1 Dn-2 D1 D0 可見，輸出數(shù)字量 D 正比于輸入模擬量 uI 。 稱為

12、ADC 的單位量化電壓或量化單位，它是 ADC 的最小分辨電壓。第十七頁，共三十九頁。采樣：把時間連續(xù)變化的信號變換為時間離散的信號。保持：保持采樣信號，使有充分時間轉換為數(shù)字信號。量化：把采樣保持電路的輸出信號用單位量化電壓的 整數(shù)倍表示。編碼：把量化的結果用二進制代碼表示。A /D 轉換的一般步驟 uI(t)C量化編碼電路Dn-1D1D0uI(t)S采樣保持電路輸入模擬量輸出數(shù)字量第十八頁，共三十九頁。第十九頁，共三十九頁。采樣信號是否會丟失原信號的信息呢？對信號進行量化會引起誤差嗎？量化誤差大小與 ADC 的位數(shù)、基準電壓 VREF 和量化方法有關。 采樣定理：當采樣頻率不小于輸入模擬信

13、號頻譜 中最高頻率的兩倍時，采樣信號可以 不失真地恢復為原模擬信號。 量化誤差：因模擬電壓不一定能被 ULSB 整除， 量化時舍去余數(shù)而引起的誤差。 第二十頁，共三十九頁。劃分量化電平的兩種方法最大量化誤差 = = (1/8)V最大量化誤差 = /2 = (1/15)V1 = 1/8V4 = 4/8V0(6/8)V(7/8)V000001010011100101110111模擬電平二進制代碼代表的模擬電平0 = 0V2 = 2/8V3 = 3/8V5 = 5/8V6 = 6/8V7 = 7/8V(5/8)V(4/8)V(3/8)V(2/8)V(1/8)V(8/8)V模擬電平二進制代碼代表的模擬

14、電平0 = 0V1 = 2/15V2 = 4/15V3 = 6/15V4 = 8/15V5 = 10/15V6 = 12/15V7 =14/15V(13/15)V0000001010011100101110111(11/15)V(15/15)V(9/15)V(3/15)V(7/15)V(1/15)V(5/15)V第二十一頁，共三十九頁。VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型 ADC 0000000000uI電阻構成分壓器 第二十二頁，共三十九頁。VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)C

15、P1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型 ADC 0000001001uI第二十三頁，共三十九頁。VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型 ADC 0000011010uI第二十四頁，共三十九頁。VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型 ADC 0000111011uI第二十五頁，共三十九頁。VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1

16、D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型 ADC 0001111100uI第二十六頁，共三十九頁。VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型 ADC 0011111101uI第二十七頁，共三十九頁。VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型 ADC 0111111110uI第二十八頁，共三十九頁。VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1

17、D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型 ADC 1111111111uI第二十九頁，共三十九頁。三、常用 ADC 的類型和主要參數(shù) (一)常用 ADC 的類型 常用 ADC 主要有并聯(lián)比較型、雙積分型和逐次逼近型。其中，并聯(lián)比較型 ADC 轉換速度最快，但價格貴；雙積分型 ADC 精度高、抗干擾能力強，但速度慢；逐次逼近型速度較快、精度較高、價格適中，因而被廣泛采用。 第三十頁，共三十九頁。指 ADC 實際輸出數(shù)字量與理想輸出數(shù)字量之間的最大差值。通常用最低有效位 LSB 的倍數(shù)來表示。 (二) 主要參數(shù) 2. 相對精度(又稱轉換誤差) 指 ADC 輸出數(shù)字量的最低位

18、變化一個數(shù)碼時，對應輸入模擬量的變化量。 1. 分辨率 例如 最大輸出電壓為 5V 的 8 位 ADC 的分辨率為： 5V / 28 = 19.6 mA 分辨率也可用 ADC 的位數(shù)表示。位數(shù)越多，能分辨的最小模擬電壓值就越小。 例如 轉換誤差不大于 1/2 LSB，即說明 實際輸出數(shù)字量與理想輸出數(shù)字量 之間的最大誤差不超過 1/2 LSB。 第三十一頁，共三十九頁。3. 轉換時間 轉換速度比較：并聯(lián)比較型 逐次逼近型 雙積分型 數(shù)十 ns 數(shù)十 s 數(shù)十 ms 指 ADC 完成一次轉換所需要的時間，即從轉換開始到輸出端出現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)字信號所需要的時間。轉換時間越小，轉換速度越高。第三十二頁，

19、共三十九頁。D/A 轉換是將輸入的數(shù)字量轉換為與之成正比的模擬電量。常用的 DAC 主要有權電阻網(wǎng)絡 DAC、R - 2R T 形電阻網(wǎng)絡 DAC、R - 2R 倒 T 形電阻網(wǎng)絡 DAC 和權電流網(wǎng)絡 DAC。其中，后兩者轉換速度快，性能好，因而被廣泛采用，權電流網(wǎng)絡 DAC 轉換精度高，性能最佳。本 章 小 結第三十三頁，共三十九頁。A/D 轉換是將輸入的模擬電壓轉換為與之成正比的數(shù)字量。常用 ADC 主要有并聯(lián)比較型、雙積分型和逐次逼近型。其中，并聯(lián)比較型 ADC 屬于直接轉換型，其轉換速度最快，但價格貴；雙積分型 ADC 屬于間接轉換型，其速度慢，但精度高、抗干擾能力強；逐次逼近型也屬于直接轉換型，其速度較快、精