第11章數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換器2011.7

11.1概述數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)：D/A轉(zhuǎn)換器(DAC－Digital

AnalogConverter)有三種形式，詳細(xì)介紹兩種模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)：A/D轉(zhuǎn)換器(ADC－AnalogDigital

Converter)有六種形式，詳細(xì)介紹三種主要指標(biāo)：精度、速度第十一章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換11.2.1權(quán)電阻DAC求和運(yùn)放S0~S3電子開關(guān)d=0,S接地?zé)o電流d=1,S接VREF(基準(zhǔn)電壓源)有電流權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)輸出模擬電壓vO=－RFI∑輸入4位二進(jìn)制數(shù)(n=4)vO=－RFI∑=－RFI0(23d3＋22d2＋21d1＋20d0)=－RF

(23d3＋22d2＋21d1＋20d0)vO=－(2n-1dn-1＋2n-2dn-2～21d1＋20d0)I023d3=23d3

IFRFvovi－＋通式中位數(shù)n=4通常RF=R(11.2.3)R1I(D)4

VREF(R1=8R//4R//2R//1R)第十一章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換圖11.2.111.2D/A轉(zhuǎn)換器=RF基準(zhǔn)★總電流I024=

VREF/

R

vO=－RFI∑=－RFI0(23d3＋22d2＋21d1＋20d0)=－RF

(23d3＋22d2＋21d1＋20d0)vO=－(2n-1dn-1＋2n-2dn-2～21d1＋20d0)11.2.2倒T形DAC1、基本原理結(jié)電阻R支電流I020結(jié)電阻R支電流I021結(jié)電阻R支電流I022結(jié)電阻R支電流I023①di=0,S接實(shí)地(左邊)I∑分量無。②di=1,S接虛地(右邊)I∑分量有。③流進(jìn)節(jié)點(diǎn)電流≡流出節(jié)點(diǎn)電流⑤vO=－RFI∑IFRFvovi－＋④輸入電阻1RR1I(D)4

VREF通式(R1=R=RF)11.2D/A轉(zhuǎn)換器精度高(VREF=5V時(shí)δV≈5mV)2、集成DAC(CB7520/1、4n=10/12、8)RF=R=10K實(shí)踐中vO＜|δV·D10|原因運(yùn)放,開關(guān)不理想解決外接RF優(yōu)點(diǎn):缺點(diǎn):價(jià)格太貴極性可以切換IFRFvovi－＋R1I(D)10

VREFR1=R=RFvO=－

(29dn-1＋28dn-2～20d0)=－δV·D10vO=－(2n-1dn-1＋2n-2dn-2～21d1＋20d0)11.2.2倒T形DAC圖11.2.53、電子模擬開關(guān)（P512圖11.2.6）

didi開關(guān)原理:NMOS管G=1，DS導(dǎo)通(RON)，G=0，DS阻斷(ROFF)。T1T2①腳腳②di∵RON＞0，ROFF<∞，∴v0＜理論當(dāng)di=1時(shí)T1導(dǎo)通S接虛地，同時(shí)di=0T2阻斷；同理di=0時(shí)di=1，T2導(dǎo)通T1阻斷S接實(shí)地。11.2.2倒T形DACVREF

DAC7520

(20個(gè)電阻)

D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0數(shù)

字

量

ViVo741－

＋

I456789101112131(I1)

2(I2)

16(RF)

15

4、其它應(yīng)用（補(bǔ)充）數(shù)控衰減器若VREF端接Vi若VREF端接Vo,RF端接VI,構(gòu)成R1I(D)10

VREFIFRFvovi－

＋

R1=R=RF數(shù)控放大器＋

2(I2)

－

VREF

DAC7520

(20個(gè)電阻)

D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0數(shù)

字

量

ViVo741I456789101112131(I1)

16(RF)

15

作業(yè)11.11作業(yè)11.12⑤vO=RFiO=RFIEO(23d3＋22d2＋21d1＋20d0)

4=n通式：1、原理②若2管VBE1=VBE2則IE1≡IE2(板書)20IE021IE022IE023IE024IE0③24IE0=IREF=④IEO=vO=(2n-1dn-1＋2n-2dn-2～21d1＋20d0)

優(yōu)：快；缺：雙電源、正極性輸出倒T型電阻11.2D/A轉(zhuǎn)換器11.2.3權(quán)電流DAC①vO=RFiO2、DAC典型應(yīng)用圖11.2.10/11若計(jì)數(shù)器用8位（Q7～Q0），形成鋸齒波發(fā)生器若用可逆計(jì)數(shù)器（8位），形成三角波發(fā)生器（板書)通式中n=8Q0Q1Q2Q3計(jì)數(shù)器十六進(jìn)制vO=(2n-1dn-1＋2n-2dn-2～21d1＋20d0)

△V=vomax/2思考:如何實(shí)現(xiàn)雙極性DAC?（11.2.6講)11.2.3權(quán)電流DAC11.2.4*11.2.5*略作業(yè)11.53位雙極性DAC偏移量ΔV產(chǎn)生方法△V=vomax/211.2.6雙極性DAC(4個(gè)措施)原碼d2d1d0無偏移vO有偏移vO補(bǔ)碼反+1備注111+7V+3V011n=3VREF=-8V1

10+6V+2V010101+5V+1V001負(fù)數(shù)原碼100+4V0V000011+3V-1V111-001010+2V-2V110-010001+1V-3V1

01-0110

000V-4V1

00-100RI(D)max/2

VREFIFRvo－

＋

DA7520/4RB

20K=10VVB=?10V1補(bǔ)碼輸入RB=2RVB=-VREF補(bǔ)碼最高位取反2R?VREFI←=0=0=8V+2-21、轉(zhuǎn)換精度①模擬量最大值/數(shù)字量最大值=單位電壓(V)2、轉(zhuǎn)換誤差1.VREF誤差2.運(yùn)放飄移3.開關(guān)不理想4.電阻R誤差△vO=|△vO1|+|△vO2|+|△vO3|+|△vO4|要求（指標(biāo)）：△vOmax≤單位電壓/2②1/數(shù)字量最大值(%)11.2.7DAC的主要參數(shù)vO=－(2n-1dn-1＋2n-2dn-2～21d1＋20d0)例：Am=5V，Dm=11111111分辨力=5V/255≈0.02V例：Dm=11111111=28-1分辨率=1/2550.4%原因11.2D/A轉(zhuǎn)換器|△VREF|/

|VREF|==[例]

CB7520(n=10、RF/R=1)VREF=－10V，△VREF產(chǎn)生的△vOmax≤單位電壓/2，求VREF的相對(duì)穩(wěn)定度(相對(duì)誤差)。

3、轉(zhuǎn)換時(shí)間（速度）DAC轉(zhuǎn)換時(shí)間Tset：Dn建立至vO±0.5單位電壓出現(xiàn)絕對(duì)誤差|△VREF|=0.049%|VREF|=0.049%10=4.9mV產(chǎn)生Tset原因：1、開關(guān)速度≈0.1微秒(次要的)解：△vomax=|－△

(D10)max|2、運(yùn)放速度≈1.5微秒(主要的)

11.2D/A轉(zhuǎn)換器作業(yè)11.1311.3.1A/D轉(zhuǎn)換基本原理取樣/保持器量化/編碼器u1u2模擬輸入A1數(shù)字輸出Dn組成DAC模擬還原A2量化(取整)①四舍五入②過0取整；編碼：將取整后的模擬量轉(zhuǎn)成二進(jìn)制數(shù)上沿時(shí)取樣下沿后保持一、取樣定理周期性(Ti=1/fi)非正弦波都可以用傅立葉級(jí)數(shù)展開，其頻率成分為：fi、2fi…fi(max)Ti輸入信號(hào)取樣保持信號(hào)取樣脈沖TS取樣脈沖周期TS=1/fS

，A2接近A1條件:fS≧2fi(max)(8.3.1)否則A2劣于A1。11.3A/D轉(zhuǎn)換器第十一章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換t二、量化和編碼（以n=3為例）數(shù)字信號(hào)010110101011100111100取樣脈沖TS(TS)1234567

輸入模擬信號(hào)u1為周期性非正弦波,圖示周期Ti=7TSf…fi2fifi(max)fS頻譜分析U2取樣/保持器輸出信號(hào)15/1513/1511/159/157/155/153/151/150/15基準(zhǔn)電壓(V)量化級(jí)7△=14/156△=12/155△=10/154△=8/153△=6/152△=4/151△=2/150△=0/15代碼111110101100011010001000P526圖11.3.3（b）量化級(jí)△=2/15V量化誤差△/2=1/15V（a）量化誤差=量化級(jí)△=1/8V11.3.1A/D轉(zhuǎn)換基本原理+－11.3.2取樣—保持電路跟隨器跟隨器限幅器比較器CH取樣期：vL=1＞VREF

L輸出1S合vO

=v0′=vCH=vI保持期vL=0

＜VREF

L輸出0S離CH無放電vO

=vCHCH較大時(shí)，保持狀態(tài)平穩(wěn)，取樣值偏低；CH小時(shí)，則反t送量化編碼器包括：直接ADC(并聯(lián)型、反饋比較型…)；間接ADC(雙積分型…)11.3A/D轉(zhuǎn)換器11.3.3并聯(lián)ADC13△11△9△7△5△3△1△精密電阻23個(gè)精密電壓

vIQ7Q6Q5Q4Q3Q2Q1d2d1d00≤vI＜1△0000000000

1△≤vI＜3△0000001001

3△≤vI＜5△0000011010

5△≤vI＜7△000011101

1

7△≤vI＜9△000

1111100

9△≤vI＜11△0011111101

11△≤vI＜13△01111111

10

13△≤vI＜15△11111111

1

1

條件vIm＜VREF,否則外設(shè)倍率衰減器滿足條件原理①量化級(jí)△=VREF

/15②V+＞V－D=1,V+＜V－D=0③Qn+1=D|CP↑，Qn+1=Qn|CP↑+Q6Q5d2=Q4d0=Q2Q1+Q6d1=Q4Q2+Q4Q3+Q7優(yōu)點(diǎn):快;缺點(diǎn):器件多2n-1套,編碼困難-④代碼表關(guān)鍵在01交界處(紅色碼字)其余部分可作任意項(xiàng)處理P530圖11.3.7R11.3.4反饋比較型ADC1、逐個(gè)漸近ADC

Q7…Q4Q3…Q0

Q7…Q4Q3…Q0Q3Q0Q7Q4D7=Q7…D0=Q0①計(jì)數(shù)器清0、vL=0、不計(jì)數(shù)、Q全0、vO=0、vB=1、

②vL=1、加計(jì)數(shù)、vO上升、當(dāng)vO≥vI時(shí)、vB=0、停計(jì)數(shù)

③此時(shí)數(shù)字量Q7…Q4與vI

成正比，實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換

④逐個(gè)漸近法轉(zhuǎn)換時(shí)間太長(zhǎng)，可用于無速度要求的場(chǎng)合比較器CP控制門啟動(dòng)信號(hào)來自取樣保持電路特別提示vomax>vI否則vI外接衰減器11.3A/D轉(zhuǎn)換器圖11.3.8作業(yè)11.15暫時(shí)結(jié)果4個(gè)砝碼總重1111比較判斷順序CP

18g

10008g<X，8g28g+4g

10012g<X，保留12g38g+4g+2g

1014g>X，撤去12g48g+4g+1g

113g＝X，保留X=13g①按順序施加碼字的一半②當(dāng)vO≥vI時(shí)撤去,施加同時(shí)

③轉(zhuǎn)換周期=CP×n(位數(shù))④組成：比較器，DAC，漸近寄存器，移位寄存器保留2、逐次漸近ADC(難點(diǎn))圖11.3.9圖11.3.10VB電路P534②Qn+1=S+RQn

|

CP↑設(shè)vI=6△d2d1d0110③n+2個(gè)CP轉(zhuǎn)換一次，常用CP初1↑2↑3↑4↑5↑D2=Q1=SA100001D3=Q2=SB010000D4=Q3=SC001000D5=Q4000100D1=Q5000010RA=VB

Q2RB=VB

Q3+Q1RC=VB

Q4+Q1QAQBQCVO（△）VBQA·Q5=d2QB·Q5=d1QC·Q5=d0011000-.500000000013.500000001105.500001116.510000011105.500001105.50000110011Q1→Q2→Q3→Q4→Q5

①

0001111000101110QnQn+1RS作業(yè)11.163、集成A/D轉(zhuǎn)換器CAD571CAD751為10位逐次漸近ADC當(dāng)BOF=0（1）時(shí)，ui為單（雙）極性輸入。當(dāng)B/C有下降沿時(shí)模數(shù)轉(zhuǎn)換開始；上升沿時(shí)轉(zhuǎn)換結(jié)束，并準(zhǔn)備下次轉(zhuǎn)換。DR有下降沿時(shí)10位數(shù)字量輸出。特點(diǎn)：便于與計(jì)算機(jī)接口。13

14

CAD571

D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0數(shù)

字量輸出

uiGRDAGRDD16

1234

5

6

78910

V+V-12BOF15

DR171811B/C11.3.4反饋比較型ADCQnQ001＆CP①條件+vI＜∣?VREF∣②初態(tài)Qn～0=00～0,vC=0,初態(tài)后vI經(jīng)R向C充電并計(jì)數(shù)vo1

－+④n+1位加計(jì)數(shù)Qn=0R0③積分器vo＜0，vo1=1，計(jì)數(shù)至10～0時(shí),S1換向,C經(jīng)R向-VREF快放,vo↑≥0時(shí)vo1=0,計(jì)數(shù)停,輸出啟動(dòng)⑤結(jié)論∣-VREF∣＜+vI時(shí)放電慢的情況+⑥當(dāng)不滿足條件①時(shí)，vo始終