濟南大學(xué)數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)

教學(xué)內(nèi)容§11.1概述§11.2

D/A轉(zhuǎn)換器§11.3

A/D轉(zhuǎn)換器當(dāng)前第1頁\共有47頁\編于星期三\4點

教學(xué)要求1、掌握DAC和ADC的定義及應(yīng)用；2、了解DAC的組成、倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)、集成D/A轉(zhuǎn)換器、轉(zhuǎn)換精度及轉(zhuǎn)換速度；3、了解ADC組成、逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器、積分型A/D轉(zhuǎn)換器、轉(zhuǎn)換精度及轉(zhuǎn)換速度。當(dāng)前第2頁\共有47頁\編于星期三\4點11.1概述模－數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D轉(zhuǎn)換）：將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的電路稱為A/D轉(zhuǎn)換器，簡寫為ADC(Analog-DigitalConverter)數(shù)－模轉(zhuǎn)換（D/A轉(zhuǎn)換）：將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的電路稱為D/A轉(zhuǎn)換器，簡寫為DAC(Digital-AnalogConverter)當(dāng)前第3頁\共有47頁\編于星期三\4點例如：對于0~5V的直流電壓，計算機用8位數(shù)字量來描述時：最小值（00000000）B=0對應(yīng)0V，最大值（11111111）B=255對應(yīng)5V，中間值（01111111）B=127對應(yīng)2.5V等D/A的任務(wù)是接收到一個數(shù)字量后，給出一個相應(yīng)的電壓。比如收到（00111111）B，應(yīng)給出幅度為1.25V的電壓。11.2D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的電路。當(dāng)前第4頁\共有47頁\編于星期三\4點電阻網(wǎng)絡(luò)模擬電子開關(guān)求和放大器參考電壓一、權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器當(dāng)前第5頁\共有47頁\編于星期三\4點集成運放通過RF接入負反饋，有虛短，V-≈V+=0取RF=R/2當(dāng)前第6頁\共有47頁\編于星期三\4點n位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，當(dāng)反饋電阻取為R/2時，輸出電壓的計算公式：輸出電壓的變化范圍:優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，所用的電阻元件數(shù)很少。缺點：各電阻的阻值相差較大，不能保證有很高的精度。當(dāng)前第7頁\共有47頁\編于星期三\4點二、倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器電阻網(wǎng)絡(luò)模擬電子開關(guān)求和放大器當(dāng)前第8頁\共有47頁\編于星期三\4點由于V-≈V+=0,所以開關(guān)S合到哪一邊，都相當(dāng)于接到了“地”電位，流過每條電路的電流始終不變。可等效為：當(dāng)前第9頁\共有47頁\編于星期三\4點取RF=R當(dāng)前第10頁\共有47頁\編于星期三\4點n位輸入的倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，當(dāng)反饋電阻取為R時，輸出電壓的計算公式：優(yōu)點：（1）只有R和2R兩種阻值的電阻，可達到較高的精度；（2）各支路電流恒定不變，在開關(guān)狀態(tài)變化時，不需電流建立時間，所以電路轉(zhuǎn)換速度高，使用廣泛。當(dāng)前第11頁\共有47頁\編于星期三\4點CB7520電路原理圖當(dāng)前第12頁\共有47頁\編于星期三\4點三、權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器恒流源當(dāng)前第13頁\共有47頁\編于星期三\4點恒流源模型：只要電路工作時保證VB和VEE穩(wěn)定不變，則三極管的集電極電流即可保持恒定，不受開關(guān)內(nèi)阻的影響。當(dāng)前第14頁\共有47頁\編于星期三\4點當(dāng)前第15頁\共有47頁\編于星期三\4點為減少電阻阻值的種類，在實用的權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器中，經(jīng)常利用倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)的分流作用產(chǎn)生一組所需的恒流源。按比例加大發(fā)射結(jié)的面積當(dāng)前第16頁\共有47頁\編于星期三\4點DAC0808電路結(jié)構(gòu)框圖當(dāng)前第17頁\共有47頁\編于星期三\4點已知VREF=10V當(dāng)前第18頁\共有47頁\編于星期三\4點四、具有雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器接一偏置電流符號位求反當(dāng)前第19頁\共有47頁\編于星期三\4點把輸入的正、負數(shù)的補碼分別轉(zhuǎn)換成正、負極性的模擬電壓。當(dāng)前第20頁\共有47頁\編于星期三\4點五、D/A轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)（1）分辨率：D/A轉(zhuǎn)換器理論上可達到的精度。

1.D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度分辨率也可用D/A轉(zhuǎn)換器能夠分辨出來的最小輸出電壓與最大輸出電壓的比值來表示。10位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為：分辨率可以用輸入二進制數(shù)碼的位數(shù)給出。當(dāng)前第21頁\共有47頁\編于星期三\4點（2）轉(zhuǎn)換誤差：D/A轉(zhuǎn)換器實際上能達到的轉(zhuǎn)換精度。

可以用輸出電壓滿刻度值的百分?jǐn)?shù)表示，也可用最低位有效值的倍數(shù)表示。如：轉(zhuǎn)換誤差為0.5LSB，表示輸出模擬電壓的絕對誤差等于當(dāng)輸入數(shù)字量的LSB＝1時，其余各位均為0時輸出模擬電壓的一半。轉(zhuǎn)換誤差可分為靜態(tài)誤差和動態(tài)誤差。產(chǎn)生靜態(tài)誤差的原因是基準(zhǔn)電源不穩(wěn)定、運放的零點漂移、模擬開關(guān)導(dǎo)通時的內(nèi)阻和壓降及電阻網(wǎng)絡(luò)中阻值的偏差等；動態(tài)誤差則是在轉(zhuǎn)換的動態(tài)過程中產(chǎn)生的附加誤差。當(dāng)前第22頁\共有47頁\編于星期三\4點（1）建立時間tset：指輸入數(shù)字量各位由全0變?yōu)槿?或由全1變?yōu)槿?時,輸出電壓達到某一規(guī)定值所需要的時間。通常建立時間在100ns~幾十s之間。2.D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度（2）轉(zhuǎn)換速率SR：指輸入數(shù)字量各位由全0變?yōu)槿?或由全1變?yōu)槿?時，輸出電壓的變化率。當(dāng)前第23頁\共有47頁\編于星期三\4點11.3A／D轉(zhuǎn)換器A/DUI輸入模擬電壓D7~D0輸出數(shù)字量0~5V00000000~11111111當(dāng)前第24頁\共有47頁\編于星期三\4點一、A/D轉(zhuǎn)換的基本原理當(dāng)前第25頁\共有47頁\編于星期三\4點取樣－保持取樣是對模擬信號進行周期性地抽取樣值的過程，就是把隨時間連續(xù)變化的信號轉(zhuǎn)換成在時間上斷續(xù)、在幅度上等于取樣時間內(nèi)模擬信號大小的一串脈沖。取樣定理：fs≥2fi(max)輸入模擬信號的最高頻率分量的頻率取樣頻率當(dāng)前第26頁\共有47頁\編于星期三\4點量化－編碼將取樣－保持電路的輸出電壓，按某種近似方式歸化到與之相應(yīng)的離散電平上，這一轉(zhuǎn)化過程稱為數(shù)值量化，簡稱量化。量化后的數(shù)值最后還須通過編碼過程用一個代碼表示出來，這一過程稱為編碼。將取樣電壓表示為一個最小單位的整數(shù)倍，所取的最小數(shù)量單位稱為量化單位，用表示。當(dāng)前第27頁\共有47頁\編于星期三\4點最大量化誤差為△，即1／8V最大量化誤差為1/2△，即1／15V取取當(dāng)前第28頁\共有47頁\編于星期三\4點對雙極性模擬電壓的量化和編碼二進制補碼的形式編碼當(dāng)前第29頁\共有47頁\編于星期三\4點二、直接A/D轉(zhuǎn)換器并聯(lián)比較型0≤vi＜VREF/15時，7個比較器輸出全為0，CP到來后，7個觸發(fā)器都置0。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進制代碼為d2d1d0＝000。當(dāng)前第30頁\共有47頁\編于星期三\4點時，7個比較器中只有C1輸出為1，CP到來后，只有觸發(fā)器FF1置1，其余觸發(fā)器仍為0。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進制代碼為d2d1d0=001。當(dāng)前第31頁\共有47頁\編于星期三\4點時，比較器中C1、C2輸出為1，CP到來后，觸發(fā)器FF1、FF2置1，其余觸發(fā)器仍為0。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進制代碼為d2d1d0=011。當(dāng)前第32頁\共有47頁\編于星期三\4點當(dāng)前第33頁\共有47頁\編于星期三\4點反饋比較型逐次比較型A／D轉(zhuǎn)換器其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四個砝碼共重15克，每個重量分別為8、4、2、1克。設(shè)待秤重量Wx=13克，可以用下表步驟來秤量：砝碼重第一次第二次第三次第四次加4克加2克加1克8克砝碼總重<待測重量Wx，故保留砝碼總重仍<待測重量Wx，故保留砝碼總重>待測重量Wx，故撤除砝碼總重＝待測重量Wx，故保留暫時結(jié)果8克12克12克13克

結(jié)論當(dāng)前第34頁\共有47頁\編于星期三\4點當(dāng)前第35頁\共有47頁\編于星期三\4點轉(zhuǎn)換開始前先將所有寄存器清零。開始轉(zhuǎn)換以后，時鐘脈沖首先將寄存器最高位置成1，使輸出數(shù)字為100…0。這個數(shù)碼被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓uo，送到比較器中與ui進行比較。若ui＜uo，說明數(shù)字過大了，故將最高位的1清除；若ui＞

uo，說明數(shù)字還不夠大，應(yīng)將這一位保留。然后，再按同樣的方式將次高位置成1，并且經(jīng)過比較以后確定這個1是否應(yīng)該保留。這樣逐位比較下去，一直到最低位為止。比較完畢后，寄存器中的狀態(tài)就是所要求的數(shù)字量輸出。當(dāng)前第36頁\共有47頁\編于星期三\4點－＋10001000D/Avi(待轉(zhuǎn)換的模擬電壓)vovc控制邏輯數(shù)碼寄存器移位寄存器時鐘清0、置數(shù)清0、置數(shù)CP、(移位命令)“1”狀態(tài)是否保留控制端原理框圖當(dāng)前第37頁\共有47頁\編于星期三\4點01000000①轉(zhuǎn)換開始前:當(dāng)前第38頁\共有47頁\編于星期三\4點1110000000②轉(zhuǎn)換控制信號變成高電平以后，轉(zhuǎn)換開始。第一個CP:當(dāng)前第39頁\共有47頁\編于星期三\4點③轉(zhuǎn)換控制信號變成高電平以后，轉(zhuǎn)換開始。第二個CP:001000100當(dāng)前第40頁\共有47頁\編于星期三\4點00000100④轉(zhuǎn)換控制信號變成高電平以后，轉(zhuǎn)換開始。第三個CP:當(dāng)前第41頁\共有47頁\編于星期三\4點00001000⑤轉(zhuǎn)換控制信號變成高電平以后，轉(zhuǎn)換開始。第四個CP:當(dāng)前第42頁\共有47頁\編于星期三\4點00010000⑥轉(zhuǎn)換控制信號變成高電平以后，轉(zhuǎn)換開始。第五個CP:當(dāng)前第43頁\共有47頁\編于星期三\4點b、第二個CP脈沖：

置1。若原來，則置0。若原來，則置1。移位積存器右移一位00100c、第三個CP：

置1。若，則。若，則。移位寄存器右移一位00010d、第四個CP：若，則。