(哈工大)数字电路课件11

1
1 0
CP
三位并行A/D转换器
逻辑状态关系表
输入电压 Vi
(0～1/15) VREF (1/15～3/15) VREF (3/15～5/15) VREF (5/15～7/15) VREF (7/15～9/15) VREF (9/15～11/15) VREF (11/15～13/15) VREF
寄存器状态
12.4 A/D转换器
如何进行A/D转换？ 时间上幅度上 连续的模拟量 vs 时间上幅度上 离散的数字量 t t vi
12.4.1 A/D转换的基本原理
A/D转换的一般步骤
A/D转换一般包括采样、保持、量化、编码四个步骤。 采样保持：完成对模拟信号时间上的离散化。 量化：将采保电路得到的模拟信号转换为相应的数字信号。 编码：将数字信号按照一定的编码形式输出。
VREF 3 2 1 0 ( 2 d 2 d 2 d 2 d0 ) 3 2 1 4 2
12.3.1 倒T型电阻解码网络的D/A转换器
R d0 d1 d2 d3 + S0 2R 2R S1 2R R S2 2R R S3 2R R
I

uO
I 16
I 8
I 4
I 2
VREF
I 16
I 8
I 4
DR
图12.4.6 8位逐次逼近型A/D转换器结构简图
例12.4.1：在图12.4.6的逐次逼近型A/D转换器中， uI=5.27V，VREF=-8V，求其转换的结果。 解：
TCP
CP STRT D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
8
0 0 0 0 0 0 0 0
1 0 0 0 0 0 0 0
A KDn K dn1 2n1 dn2 2n2 d1 21 d0 20
权电阻网络D/A转换器
输出电压：VO RF i RF ( I 3 I 2 I1 I 0 ) RF ( VREF V V VREF d 3 REF d 2 REF d d0 ) 1 2 3 R 2R 2 R 2 R
5.3125
5.28125
5.25
t
9TCP
转换后的数字量为：10101000。
2. 逐次逼近型集成A/D转换器ADC0809
START IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 8 通 道 模 拟 开 关 CLOCK 控制与时序 三 态 输 出 锁 存 缓 冲 器 EOC
SAR 比较器
分辨率 U LSB 1 n VREF Um n 2n 1 2 1 2 VREF n 1 2
例如：某10位D/A转换器的分辨率为
1 0.000978 10 2 1 1023 1
转换误差：用以说明DA转换器实际上能达到的转换精度。 表示实际的DA转换特性和理想转换特性之间的最大偏差。 用输出电压满度值的百分数表示。 用最小输出电压ULSB的倍数表示。 转换误差产生的原因： 参考电压的波动； 运算放大器的零点漂移； 模拟开关的导通电阻和导通压降，电阻网络中电阻阻 值的偏差以及三极管的特性的不一致等。
I 2
I
I I I VREF I uo RI R 1 d3 2 d2 3 d1 4 d0 4 d3 23 d2 22 d1 21 d0 20 2 2 2 2 2
当VREF=10V，n=4时
输入数字量
1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 1000 0111 0110 0101 0100 0011 0010 0001 0000
D/A转换器是利用电阻网络和模拟开关将多位二进制数 转换为与之成比例的模拟量的一种转换电路。
输入：n位二进制数
对应十进制数
D dn1dn2
d1d0
Dn d n 1 2n 1 d n 2 2n 2
d1 21 d 0 20
输出：与之成比例的模拟量
8 克 12 克 12 克
13 克
加 4克
加 2克 加 1克
12.4.3 逐次逼近型A/D转换器
1. 工作原理
uI + 时钟 振荡器 STRT D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 输出 寄存器 VREF 8位D/A转换器 uO
Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 Q0
逐次逼近寄存器(SAR)
RFB
1 2 3 4 5 6 7 8
16 15 14
RFB VREF VDD WR CS DB0 DB1 DB2
OUT2 GND DB7 DB6 DB5 DB4 DB3
10kΩ
1 2
OUT1 OUT2 GND
AD7524
13 12 11 10 9
CS WR
12 13
数据锁存器 .
4 5 6
3
. .
.
输入 信号 1V
二进制 代表的模拟 代码 电压
111
7 =14/15（V） 6 =12/15（V） 5 =10/15（V） 4 = 8/15（V） 3 = 6/15（V） 2 = 4/15（V） 1 = 2/15（V） 0 = 0 (V）
13/15V 6 =6/8（V） 11/15V 5 =5/8（V） 9/15V 4 =4/8（V） 7/15V 3 =3/8（V） 5/15V 2 =2/8（V） 3/15V
ADDA ADDB ADDC ALE
2-1 2-2 2-3 2-4 2-5 2-6 2-7 2-8
地址 译码 与锁 存器 VREF(+)
D/A转换器
VREF(-)
OE
内部结构
逐次逼近寄存器SAR D/A转换器 比较器 8路模拟开关
地址锁存与译码器 控制电路 三态输出锁存缓冲器
1 1 0 0 0 0 0 0
1 0 1 0 0 0 0 0
1 0 1 1 0 0 0 0
1 0 1 0 1 0 0 0
1 0 1 0 1 1 0 0
1 0 1 0 1 0 1 0
1 0 1 0 1 0 0 1
1 0 1 0 1 0 0 0
uOUT / V
6 4 2 0 4
6 5
5.5
5.25
5.375
2
转换速率SR：输入数字量的各位由全0变为全1，或由 全1变为0时，输出电压uo的最大变化率。
uO
U LSB
稳态值
tset
t
12.3.4 由计数器驱动D/A转换器的Multisim仿真
仿真电路
仿真波形
字发生器(XWG1)被设置为16进制加法计数器，对内 部时钟的上升沿计数。 D/A 转换器的输出由虚拟示波器 XSC1测量并显示。
封装管脚
VREF uO 8 DB7 27 DB6 26 2
DB1 21 DB0 20
12.3.3 D/A转换器的转换精度与转换速率
1. D/A转换器的转换精度 分辨率：表示DA转换器在理论上能达到的精度。 用输入二进制数码的位数来表示。输入数字量的位数 越多，输出电压可分离的等级越多，其分辨能力也越高。 用 D/A 转换器所能分辨的最小输出电压 ULSB 与最大输 出电压Um之比来表示。
1 0
1 0 1
1
1
(13/15～1) VREF
12.4.3 逐次逼近型A/D转换器
其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四个砝码共 重15克，每个重量分别为8、4、2、1克。设待秤重量Wx = 13克，可以用下表步骤来秤量：0
砝码重 第一次 第二次 第三次 第四次 8 克
结
论
暂时结果
砝码总重 < 待测重量Wx ，故保留 砝码总重仍 <待测重量Wx ，故保留 砝码总重 > 待测重量Wx ，故撤除 砝码总重 ＝ 待测重量Wx ，故保留
本章主要内容
(1) 模数与数模转换器的基本概念 (2) 倒T型电阻解码网络DAC的结构和工作原 理；集成DAC——AD7524的典型应用电路 (3) 模数转换器的种类、结构、原理 (4) 模数与数模转换器的性能指标 (5) 模拟多路开关的原理与常用集成产品 (6) 简单的多路数据采集系统
12.3 D/A转换器
001 010 011 100 101 110
∆=1/8V
∆=2/15V
12.4.2 并行比较型A/D转换器
电压比较器
VREF
Vi
0 0 0 例：若Vi处于 (3/15～5/15) VREF 之间 0 0 1
寄存器 0 0
代码转换器
1 0
1 1
0 d 2 (MSB) 1 d1 0 d 0 ( LSB )
Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1
编码器输出
d2 0
d1 d0 0 0 1 1 0 0 0 1 0
0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
采样：采样定理
为了能正确无误地用取样信号表示模拟信号，取样 信号必须有足够高的频率。可以证明，为了保证能从取 样信号将原来的被取样信号恢复，必须满足
f s 2 f i (max)
其中 f i (max) 为输入模拟信号的最高频率分量的频率
vi
vs
f i (max)
f s f i (max) f
11
DB7
DB6
DB5
.
.
DB0
内部结构
封装管脚
AD7524典型实用电路
VDD DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 CS WR 14 4 5 15 VREF 6 R 7 16 FB 8 AD7524 9 10 OUT1 1 11 OUT2 2 + 12 13 3
uO
内部结构
12.3.2 集成D/A转换器AD7524
AD7524 是美国模拟器件公司 (Analog Device) 生产的基 于倒T型电阻网络结构的CMOS低功耗8位D/A转换器。
VDD VREF
15
10kΩ 20kΩ S7 S6
10kΩ 20kΩ S5 20kΩ
10kΩ
14
20kΩ S0
20kΩ
16
OUT1
0.000 -0.625 -1.250 -1.875 -2.500 -3.125 -3.750 -4.375 -5.000 -5.625 -6.250 -6.875 -7.500 -8.125 -8.750 -9.375
uO / V
数字量及模拟电压Βιβλιοθήκη Baidu应表
D/A转换器输入输出示例
其它结构形式的D/A转换器：开关树型D/A转换器
采样－保持电路: 基本形式
信号保持精度
取样速度 输入阻抗
改进的采样保持电路—LF198
30k
ui uL
A1 L
u 'o
R1 S R2
A2 300 Ch
uo
讨论：D1和D2两个二极管起到什么作用？
30k
D1
R1 D2 S R2
ui
A1 L
u 'o
A2 300 Ch
uo
uL
量化和编码
划分量化电平的两种方法
要求：将0～1V的模拟电压信号转换成3位二进制代码
输入 信号 1V 7/8V 110 6/8V 101 5/8V 100 4/8V 011 3/8V 010 2/8V 001 1/8V 000 0 0 =0 （V） 0 1 =1/8（V） 1/15V
000
二进制 代表的模拟 代码 电压 111 7 =7/8 （ V）
比例系数误差：由参考电压误差产生
1 vo1 n Dn VREF 2
漂移误差：由运放零点漂移产生
非线性误差：模拟开关的导通电阻和压降不同造成
2. D/A转换器的转换速度 建立时间tset ：它是在输入数字量各位由全0变为全1， 或由全1变为全0，输出电压完全进入与稳态值相差 1 U LSB 内所需要的时间。
数字信号不仅仅在时间上是离散的，而且在幅度上 也是离散的，任何一个数字量的大小只能是某个最 小数量单位的整数倍。将一个取样信号转换为一个 最小数量单位的整数倍这样的过程，称为量化。 这个最小数量单位叫量化单位，用∆表示，数字信号 的最低有效位（LSB）的1所代表的数量大小就为 ∆ 。 连续的模拟信号和离散的数字信号之间的误差称为 量化误差。
第12章 数模与模数转换器
12.1 引言
传 感 器 放 大 器 A/D 转换器 数 电 字 路 D/A 转换器 功 率 放 大 器 执 行 部 件
模拟电路
接口电路
数字电路
接口电路
模拟电路
一般测控系统框图
12.2 数模与模数转换器的基本概念
将模拟量转换为数字量的装置称为A/D转换器(ADC) 将数字量转换为模拟量的装置称为D/A转换器(DAC)