數(shù)字電子技術(shù)課件-第七章 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

第七章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路7.1D/A轉(zhuǎn)換器7.2A/D轉(zhuǎn)換器概述小結(jié)概述一、數(shù)/模和模/數(shù)器是模擬、數(shù)字系統(tǒng)間的橋梁模

/

數(shù)（A

/

D）轉(zhuǎn)換:AnalogtoDigitalConverter（ADC）數(shù)

/

模（D

/

A）轉(zhuǎn)換:DigitaltoAnalogConverter（DAC）數(shù)字計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)A/DD/A二進(jìn)制二進(jìn)制線性線性存儲分析控制物理生物化學(xué)二、常見數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用系統(tǒng)舉例壓力傳感器溫度傳感器流量傳感器四路模擬開關(guān)數(shù)字控制計(jì)算機(jī)DAC……模擬控制器模擬控制器液位傳感器DAC…DAC…模擬控制器模擬控制器生產(chǎn)控制對象

DACADC物理量二進(jìn)制信號模擬信號三、A

/

D、D

/

A轉(zhuǎn)換器的精度和速度精度保證轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性速度保證適時(shí)控制7.1D/A轉(zhuǎn)換器（DAC）7.1.1D/A轉(zhuǎn)換的基本要求1.D

/

A轉(zhuǎn)換思路…d0d1dn-1DACuO或iOn位二進(jìn)制如(1101)2可利用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)運(yùn)算2.轉(zhuǎn)換特性DuO/V7654321001010011100101110111一、輸入、輸出關(guān)系框圖二、D/A轉(zhuǎn)換的電路組成RRR2R2R2R2RUREFS0S1S2d0d0d1d2d1d2電子開關(guān)電阻網(wǎng)絡(luò)求和運(yùn)放當(dāng)d2d1d0=100,II

/

2I

/

4I

/

8I/2I=UREF/RuO三、工作原理當(dāng)d2d1d0=110,IRRR2R2R2R2RUREFuOI

/

2I

/

4I

/

8當(dāng)d2d1d0=111,IRRR2R2R2R2RUREFuOI

/

2I

/

4I

/

8表達(dá)的一般形式四、輸入為n位二進(jìn)制數(shù)時(shí)的表達(dá)式當(dāng)D=dn-1dn-2

…d1

d0

Ku—轉(zhuǎn)換比例系數(shù)7.1.2DAC的轉(zhuǎn)換精度、速度和主要參數(shù)一、轉(zhuǎn)換精度指D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出產(chǎn)生的最小電壓變化量與滿刻度輸出電壓之比，也可用輸入的位數(shù)表示。為實(shí)際輸出與理想輸出模擬電壓間的最大誤差。ULSBUFSR=12n–1分辨率=LSB

—LeastSignificantBit2.轉(zhuǎn)換誤差可用占輸出電壓滿刻度值的百分?jǐn)?shù)表示或可用最低有效位（LSB）的倍數(shù)表示。如:?（LSB）=輸入為0…01時(shí)輸出模擬電壓的一半。1.分辨率（Resolution）FSR

—FullScaleRange二、轉(zhuǎn)換速度1.建立時(shí)間tsts為在大信號工作下（輸入由全0變?yōu)槿?，或由全1變?yōu)槿?）,輸出電壓達(dá)到某一規(guī)定值所需時(shí)間

。不包含UREF和運(yùn)放的單片DAC最短ts<0.1s；包含UREF和運(yùn)放的單片DAC最短t

s<1.5s。2.轉(zhuǎn)換速率SR用大信號工作狀態(tài)下模擬電壓的變化率表示TTR=ts+

tr（tf）上升時(shí)間下降時(shí)間完成一次轉(zhuǎn)換所需時(shí)間TTR（max）=ts+UO（max）/SR三、主要參數(shù)D/A轉(zhuǎn)換器5G7520的主要參數(shù)參數(shù)名稱單位參數(shù)值分辨率位10非線性度全量程的%≤0.05%轉(zhuǎn)換時(shí)間ns≤500UREFV–25+25電源電壓V515功耗mW

20溫度系數(shù)電源FSR10–6/oC50增益FSR10–6/oC10非線性FSR10–6/oC2四、集成DAC芯片舉例1.5G7520的電路結(jié)構(gòu)UREFIO1IO2d45G752012345678161514131211109VDDd3d2d1d0d5d6d7d8d9RfGNDuORIO1參考電壓源，可正可負(fù)。2.應(yīng)用電路單極性輸出uOUREFIO1IO25G7520223416151413VDDd0

d9Rf1–VEERRW1RW2RW3輸入從00000000001111111111變化時(shí)，uO從0（1023

/

1024）UREF輸出與輸入的關(guān)系數(shù)碼輸入模擬輸出d9d8d7d6d5d4d3d2d1d0uO1111111111

1111111110…00000000010000000000–（1023/1024）UREF–（1022/1024）UREF

…–（1/1024）UREF0UREF>0，uO<03.分辨率單極性輸出：分辨率分辨率

=5G7520為10位D

/

A轉(zhuǎn)換器，分辨率

=當(dāng)UREF

=

10V時(shí)，最小輸出電壓

uO

=9.76mV雙極性輸出：對于5G7520分辨率=當(dāng)UREF

=

10V時(shí)，最小輸出電壓uO=19.6mV7.2A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）7.2.1A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟和取樣定理一、模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換過程uI(t)CADC的量化編碼電路dn-1d1d0…uI(t)S模擬量數(shù)字量量化編碼取樣：把時(shí)間連續(xù)變化的信號變換為時(shí)間離散的信號。保持：保持取樣信號,使有充分時(shí)間將其變?yōu)閿?shù)字信號。取樣保持（S

/

H—Sample

/

Hold）二、取樣定理當(dāng)滿足fs

≥

2fimax時(shí),取樣信號可恢復(fù)原信號。fs

—取樣頻率。fimax

—

信號的最高頻率分量。

tOusfOfs–fimax

fimaxuI

tO三、量化和編碼量化單位數(shù)字信號最低位LSB所對應(yīng)的模擬信號大小，用表示（即1）。量化把取樣后的保持信號化為量化單位的整數(shù)倍。量化誤差因模擬電壓不一定能被整除而引起的誤差。編碼把量化的數(shù)值用二進(jìn)制代碼表示。劃分量化電平的兩種方法01V1/82/83/84/85/86/87/8000001010011100101110111模擬電平二進(jìn)制代碼代表的模擬電平0=01=1/82=2/83=3/84=4/85=5/86=6/87=(7/

8)V1V1/153/155/157/159/1511/1513/150000010100111001011101110模擬電平二進(jìn)制代碼代表的模擬電平0=01=2/152=4/153=6/154=8/155=10/156=12/157=(14/15)V最大量化誤差=

=

(1

/

8)V=

/

2=(1/15)V7.2.2取樣-保持電路一、電路組成及工作原理當(dāng)uL

為高電平：RfChRiuIuOuLTRf=RiT導(dǎo)通，Ch

充電至：uO=uI=uC當(dāng)uL為低電平：T截止，Ch

基本不放電。uO

保持矛盾：為使Ch

充電快，Ri越小越好；為使電路輸入電阻高，Ri越大越好。二、改進(jìn)電路(LF198)及工作原理R2ChR1uIuOuLuO300

30

kD1D2S當(dāng)uL=1，

S閉合

uO=uO=uI，uC

=uI

當(dāng)uL=0，

S斷開

uO

保持D1、D2的作用：限制uO

在uI+uD以內(nèi)，起保護(hù)作用。6

2145387uOuIuLChLF198一、基本工作原理電路7.2.3逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器D/AuI逐次漸近寄存器比較器參考電源時(shí)鐘信號MSBLSBMSBLSB并行數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換控制信號3.2V10008V101004V00102V000113V00011讀出控制控制邏輯電路逐次漸近寄存器比較器二、轉(zhuǎn)換過程舉例3位D/AQ1S1Rd0+CPd1d2≥1Q1S1RFFBFFC≥1d0d1d2uIuOuCC5位環(huán)行移位寄存器Q1Q2

Q3Q4Q5QFFA1S1R/2輸出偏移Q

n+111100100功能RSQ

n10不用保持置1置0不許CP12345Q1

Q2Q3

Q4

Q5QA

QB

QCuI/VuO/VuO/VuCd2d1

d000001

0005.90–0.5000010

00010043.500000100011065.50000001

0011176.510000001011065.5000000001

11065.501107.2.4雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器一、電路組成和工作原理CO＝

1(uo≤0)

0(uo>0)S2CS1uI邏輯控制門C定時(shí)器n位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器&dn–1d0uｏＴCPCP基準(zhǔn)電壓<0正向積分：對被測信號uI進(jìn)行定時(shí)積分，完成一次2n進(jìn)制計(jì)數(shù)。

反向積分：對基準(zhǔn)電壓積分至uｏ=0，計(jì)數(shù)結(jié)果與uI成正比。S2CS1uI邏輯控制門C定時(shí)器3位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器&d2d0uｏCP基準(zhǔn)電壓<0電容C

放電CO＝

10000010100111001011101111以3位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器為例說明雙積分過程。0000010100111000二、定量分析uI積分器輸入ＵIuｏ(t)積分器輸出固定時(shí)間t1t2N1ＴCPN2ＴCPt1=N1TCP=2nTCPt2=N2TCP=DTCP=UI/單位電壓ＵREF&&&&&&7.2.5并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器R/2RRRRRRR/2UREFuI比較器1D1D1D1D1D1D1DCP寄存器d2d1d0編碼器0000000110010010000uI0000001110010011001uI0000011110010101010uI0000111110011101011uI0001111110101101100uI0011111111100101101uI0111111101100101110uI1111111001100101111uI7.2.6A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度一、轉(zhuǎn)換精度分辨率1.用二進(jìn)制或十進(jìn)制位數(shù)表示(設(shè)計(jì)參數(shù))LSB變化一個(gè)數(shù)碼時(shí)，對應(yīng)輸入模擬量的變化量

(測量參數(shù))如最大輸出電壓為5

V的8位A/D的分辨率為：轉(zhuǎn)換誤差：表示實(shí)際輸出與理想輸出數(shù)字量的差別以相對誤差的形式（LSB的倍數(shù)）給出。如：相對誤差不大于（1/2）LSB二、轉(zhuǎn)換速度并聯(lián)比較型>逐次比較型>雙積分型7.2.7幾種A/D轉(zhuǎn)換器的性能比較一、A/D類型：直接A/D反饋比較型：逐次比較型，計(jì)數(shù)型。間接A/D電壓-時(shí)間變換型（V

-T）：雙積分型電壓-頻率變換型（V-

F）并聯(lián)比較型二、性能比較：優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)并聯(lián)比較型轉(zhuǎn)換速度高轉(zhuǎn)換精度差逐次比較型分辨率高、誤差低轉(zhuǎn)換速度較快雙積分型性能穩(wěn)定轉(zhuǎn)換精度高抗干擾能力強(qiáng)轉(zhuǎn)換速度低第七章

小結(jié)一、D/A轉(zhuǎn)換器1.