數(shù)字電路基礎(chǔ)課件(重慶工商大學(xué))CH9

3、正確了解D/A、A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)。1、掌握倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器(DAC)、集成D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理及相關(guān)計(jì)算。2、了解并行比較、逐次比較、雙積分A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)的工作原理及其特點(diǎn)。教學(xué)基本要求目前一頁\總數(shù)三十八頁\編于七點(diǎn)A/D

轉(zhuǎn)換器

D/A

轉(zhuǎn)換器

模擬

控制器

工業(yè)生產(chǎn)過程控制對象

模

擬

傳感器

ADC和DAC已成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中不可缺少的接口電路。將溫度、壓力、流量、應(yīng)力等物理量轉(zhuǎn)換為模擬電量。計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字處理（如計(jì)算、濾波）、保存等用模擬量作為控制信號數(shù)字控制

計(jì)算機(jī)概述目前二頁\總數(shù)三十八頁\編于七點(diǎn)9.1D/A轉(zhuǎn)換器9.1.1D/A轉(zhuǎn)換的基本原理9.1.2倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器9.1.4D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式9.1.3權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器9.1.5D/A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)9.1.6D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用目前三頁\總數(shù)三十八頁\編于七點(diǎn)將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為與之成正比模擬量。n位數(shù)字量DAC9.1D/A轉(zhuǎn)換器模擬量數(shù)

/

模轉(zhuǎn)換器:A

=KDO=–KNB

目前四頁\總數(shù)三十八頁\編于七點(diǎn)數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合而成的，對于有權(quán)碼，每位代碼都有一定的權(quán)值，如能將每一位代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字量成正比的模擬量，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字量--模擬量的轉(zhuǎn)換。①實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的基本思想ND＝b4×24＋b3×23＋b2×22＋b1×21＋b0×20

＝1×24＋1×23＋0×22＋0×21＋1×20將二進(jìn)制數(shù)ND＝(11001)B轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。9.1.1D/A轉(zhuǎn)換的基本原理目前五頁\總數(shù)三十八頁\編于七點(diǎn)②

D/A轉(zhuǎn)換器的組成:DAC的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可以并行輸入也可串行輸入用存放在數(shù)字寄存器中的數(shù)字量的各位數(shù)碼由輸入數(shù)字量控制產(chǎn)生權(quán)電流將權(quán)電流相加產(chǎn)生與輸入成正比的模擬電壓目前六頁\總數(shù)三十八頁\編于七點(diǎn)③實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的原理電路

目前七頁\總數(shù)三十八頁\編于七點(diǎn)④D/A轉(zhuǎn)換器的分類:按解碼網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分類T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC權(quán)電流DAC權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC按模擬電子開關(guān)電路分類CMOS開關(guān)型DAC雙極型開關(guān)型DAC電流開關(guān)型DACECL電流開關(guān)型DACD/A轉(zhuǎn)

換

器目前八頁\總數(shù)三十八頁\編于七點(diǎn)9.1.2倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器Di=0,Si則將電阻2R接地Di=1,Si接運(yùn)算放大器反相端，電流Ii流入求和電路

電阻網(wǎng)絡(luò)模擬電子開關(guān)求和運(yùn)算放大器輸出模擬電壓輸入4位二進(jìn)制數(shù)根據(jù)運(yùn)放線性運(yùn)用時虛地的概念可知，無論模擬開關(guān)Si處于何種位置，與Si相連的2R電阻將接“地”或虛地。1、4位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)電壓電阻網(wǎng)絡(luò)模擬電子開關(guān)求和運(yùn)算放大器目前九頁\總數(shù)三十八頁\編于七點(diǎn)D/A轉(zhuǎn)換器的倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)電源VREF提供的總電流為：I=？流過各開關(guān)支路的電流：I3=？I2=？I1=？I0=？I/4I/8I/16RRRRI/2I/4I/8I/16I/2I3I2I1I0流入每個2R電阻的電流從高位到低位按2的整數(shù)倍遞減。I3=VREF/2RI2=VREF/4RI1=VREF/8RI0=VREF/16R目前十頁\總數(shù)三十八頁\編于七點(diǎn)流入運(yùn)放的總電流：i＝I0+I1+I2+I3輸出模擬電壓：

目前十一頁\總數(shù)三十八頁\編于七點(diǎn)4位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC的輸出模擬電壓：n位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC有：令：則O=–KNB

在電路中輸入的每一個二進(jìn)制數(shù)NB，均能得到與之成正比的模擬電壓輸出。目前十二頁\總數(shù)三十八頁\編于七點(diǎn)AD7533D/A轉(zhuǎn)換器使用:1)要外接運(yùn)放2)運(yùn)放的反饋電阻可使用內(nèi)部電阻，也可采用外接電阻2.集成D/A轉(zhuǎn)換器10位CMOS電流開關(guān)型D/A轉(zhuǎn)換器

目前十三頁\總數(shù)三十八頁\編于七點(diǎn)Di=1時，開關(guān)Si接運(yùn)放的反相端；Di=0時，開關(guān)Si接地。9.1.3權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器1.4位權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器目前十四頁\總數(shù)三十八頁\編于七點(diǎn)在恒流源電路中，各支路權(quán)電流的大小均不受開關(guān)導(dǎo)通電阻和壓降的影響，這樣降低了對開關(guān)電路的要求，提高了轉(zhuǎn)換精度。目前十五頁\總數(shù)三十八頁\編于七點(diǎn)9.1.5D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)分辨率：其定義為D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級數(shù)。n位DAC最多有2n個模擬輸出電壓。位數(shù)越多D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率越高。分辨率也可以用能分辨的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比給出。n位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率可表示為1、分辨率目前十六頁\總數(shù)三十八頁\編于七點(diǎn)2、轉(zhuǎn)換精度：轉(zhuǎn)換精度是指對給定的數(shù)字量，D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際值與理論值之間的最大偏差。產(chǎn)生原因：由于D/A轉(zhuǎn)換器中各元件參數(shù)值存在誤差，如基準(zhǔn)電壓不夠穩(wěn)定或運(yùn)算放大器的零漂等各種因素的影響。幾種轉(zhuǎn)換誤差：有如比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差和非線性誤差等目前十七頁\總數(shù)三十八頁\編于七點(diǎn)9.1.6集成D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用(1)數(shù)字式可編程增益控制電路

D2

D7

uO

D0

D1

2R

2R

2R

2R

R

R

R

D8

D9

R

R

R

uI

2R

2R

2R

-

+

RF

IOUT1

IOUT2

VREF

目前十八頁\總數(shù)三十八頁\編于七點(diǎn)

D2

D7

uOD0

D1

2R

2R

2R

2R

R

R

R

D8

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R

R

R

uI2R

2R

2R

-

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uO

-

+

R

uIOUT2I

IOUT1

倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)OVIAuu=Iout1＝

I0+I1+I2+…I9根據(jù)虛斷有:目前十九頁\總數(shù)三十八頁\編于七點(diǎn)(2)

脈沖波產(chǎn)生電路74163具同步清零功能74163和與非門構(gòu)成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器：0000~1001目前二十頁\總數(shù)三十八頁\編于七點(diǎn)9.2.6集成A/D轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用9.2A/D轉(zhuǎn)換器9.2.1A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程9.2.2并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器9.2.3逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器9.2.4雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器9.2.5A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)目前二十一頁\總數(shù)三十八頁\編于七點(diǎn)概述ADCDn~D0輸出數(shù)字量輸入模擬電壓能將模擬電壓成正比地轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字量。1.A/D功能:9.2A/D轉(zhuǎn)換器目前二十二頁\總數(shù)三十八頁\編于七點(diǎn)①并聯(lián)比較型

特點(diǎn):轉(zhuǎn)換速度快,轉(zhuǎn)換時間10ns~1s,但電路復(fù)雜。②逐次逼近型

特點(diǎn):轉(zhuǎn)換速度適中，轉(zhuǎn)換時間為幾s~100s，轉(zhuǎn)換精度高，在轉(zhuǎn)換速度和硬件復(fù)雜度之間達(dá)到一個很好的平衡。③雙積分型

特點(diǎn):轉(zhuǎn)換速度慢，轉(zhuǎn)換時間幾百s~幾ms，但抗干擾能力最強(qiáng)。2.A/D轉(zhuǎn)換器分類目前二十三頁\總數(shù)三十八頁\編于七點(diǎn)取樣時間上離散的信號保持、量化量值上也離散的信號編碼模擬信號時間上和量值上都連續(xù)數(shù)字信號時間上和量值上都離散9.2.1A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程

A/D轉(zhuǎn)換器一般要包括取樣，保持，量化及編碼4個過程。目前二十四頁\總數(shù)三十八頁\編于七點(diǎn)1.取樣與保持

采樣是將隨時間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為在時間離散的模擬量。

采樣信號S(t)的頻率愈高，所采得信號經(jīng)低通濾波器后愈能真實(shí)地復(fù)現(xiàn)輸入信號。合理的采樣頻率由采樣定理確定。

采樣定理：設(shè)采樣信號S(t)的頻率為fs，輸入模擬信號I(t)的最高頻率分量的頻率為fimax，則fs≥2fimaxS(t)=1:開關(guān)閉合S(t)=0:開關(guān)斷開目前二十五頁\總數(shù)三十八頁\編于七點(diǎn)采得的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號都需要一定時間，為了給后續(xù)的量化編碼過程提供一個穩(wěn)定的值，在取樣電路后要求將所采樣的模擬信號保持一段時間。采樣保持取樣與保持電路及工作原理目前二十六頁\總數(shù)三十八頁\編于七點(diǎn)2.量化與編碼數(shù)字信號在數(shù)值上是離散的。采樣–保持電路的輸出電壓還需按某種近似方式歸化到與之相應(yīng)的離散電平上，任何數(shù)字量只能是某個最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。量化后的數(shù)值最后還需通過編碼過程用一個代碼表示出來。經(jīng)編碼后得到的代碼就是A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量。量化編碼目前二十七頁\總數(shù)三十八頁\編于七點(diǎn)在量化過程中由于所采樣電壓不一定能被整除，所以量化前后一定存在誤差，此誤差我們稱之為量化誤差，用表示。量化誤差屬原理誤差，它是無法消除的。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，各離散電平之間的差值越小，量化誤差越小。兩種近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。4.量化誤差：量化前的電壓與量化后的電壓差5.量化方式目前二十八頁\總數(shù)三十八頁\編于七點(diǎn)011111101011000110100010000Δ=0v7Δ=7/8v6Δ=6/8v5Δ=5/8v4Δ=4/8v3Δ=3/8v2Δ=2/8v1Δ=1/8v輸入信號編碼量化后電壓a)只舍不入量化方式:量化中把不足一個量化單位的部分舍棄；對于等于或大于一個量化單位部分按一個量化單位處理。最大量化誤差為：最小量化單位＝1/8VΔ=1LSB=1/8V例：將0~1V電壓轉(zhuǎn)換為3位二進(jìn)制代碼目前二十九頁\總數(shù)三十八頁\編于七點(diǎn)b)四舍五入量化方式:量化過程將不足半個量化單位部分舍棄，對于等于或大于半個量化單位部分按一個量化單位處理。最大量化誤差為：最小量化單位：011111101011000110100010000Δ=0v7Δ=14/15v6Δ=12/15v5Δ=10/15v4Δ=8/15v3Δ=6/15v2Δ=4/15v1Δ=2/15v輸入信號編碼模擬電平Δ=1LSB=

2/15V＝1/15V例：將0~1V電壓轉(zhuǎn)換為3位二進(jìn)制代碼目前三十頁\總數(shù)三十八頁\編于七點(diǎn)所加砝碼重量結(jié)果

9.2.3逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器逐次逼近轉(zhuǎn)換過程與用天平稱物重非常相似。第一次8克砝碼總重<待測重量Wx，8克砝碼保留8克第二次再加4克砝碼總重仍<待測重量Wx，4克砝碼保留12克第三次再加2克砝碼總重>待測重量Wx，2克砝碼撤除12克第四次再加1克砝碼總重＝待測重量Wx，1克砝碼保留13克1.轉(zhuǎn)換原理所用砝碼重量：8克、4克、2克和1克。設(shè)待秤重量Wx=13克。目前三十一頁\總數(shù)三十八頁\編于七點(diǎn)1.轉(zhuǎn)換原理

100…0100…0I

≥5V

1A=6.84VVREF=10V第一個CP：目前三十二頁\總數(shù)三十八頁\編于七點(diǎn)1.轉(zhuǎn)換原理

第二個CP：010…0110…010I

<7.5VI=6.84VVREF=10V目前三十三頁\總數(shù)三十八頁\編于七點(diǎn)1.轉(zhuǎn)換原理第三個CP：001…0101…0I

≥6.25V101A=6.84VVREF=10V目前三十四頁\總數(shù)三十八頁\編于七點(diǎn)10000000A=6.84VVREF=10V1010111111000000101000