《数字电子技术基础》第五版 阎石 第11章 课件PPT

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第 十一 章

数－模和模－数转换

教学内容

§11.1 概述 §11.2 D/A转换器 §11.3 A/D转换器

教学要求

1、掌握DAC和ADC的定义及应用； 2、了解DAC的组成、倒T型电阻网络、集 成D/A转换器、转换精度及转换速度； 3、了解ADC组成、逐次逼近型A/D转换器、 积分型A/D转换器、转换精度及转换速度。

11.1

概述

模－数转换（A/D转换）：将模拟信号转换为数 数转换（ 转换）：将模拟信号转换为数 转换）： 字信号。实现 转换的电路称为A/D转换器，简 转换器， 字信号。实现A/D转换的电路称为 转换的电路称为 转换器 写为ADC(Analog-Digital Converter) 写为 转换）： 数－模转换（D/A转换）：将数字信号转换为模 模转换（ 转换）：将数字信号转换为模 拟信号。实现 转换的电路称为D/A转换器，简 转换器， 拟信号。实现D/A转换的电路称为 转换的电路称为 转换器 写为DAC(Digital-Analog Converter) 写为

11.2

D/A转换器 转换器

将数字信号转换为模拟信号的电路。 将数字信号转换为模拟信号的电路。

例如：对于 的直流电压， 例如：对于0 ~ 5V的直流电压，计算机用 位数字 的直流电压 计算机用8位数字 量来描述时： 量来描述时： 最小值（ 对应0V， 最小值（00000000）B = 0对应 ， ） 对应 最大值（ 最大值（11111111）B = 255 对应 5V， ） ， 中间值（ 对应2. 中间值（01111111）B = 127 对应 5V 等 ） D/A的任务是接收到一个数字量后，给出一个 的任务是接收到一个数字量后， 的任务是接收到一个数字量后 ） 相应的电压。比如收到（00111111）B ，应给出幅 相应的电压。比如收到（ 度为1.25V 的电压。 的电压。 度为

一、权电阻网络D/A转换器 权电阻网络 转换器

求和放大 器 电阻网络

模拟电子开关

参考电压

集成运放通过R 接入负反馈，有虚短， 集成运放通过 F接入负反馈，有虚短，V-≈V+=0

vo = ? RF iΣ = ? RF ( I 3 + I 2 + I1 + I 0 )

VREF I3 = d3 R VREF I1 = 2 d1 2 R VREF I2 = d2 2R

VREF I 0 = 3 d0 2 R

取RF=R/2

VREF 3 2 1 0 vo = ? 4 (d32 +d2 2 +d12 +d0 2 ) 2

n位权电阻网络 位权电阻网络D/A转换器，当反馈电阻取为 转换器， 位权电阻网络 转换器 R/2时，输出电压的计算公式： 时 输出电压的计算公式：

VREF n ?1 n?2 1 0 vo = ? n (d n ?1 2 + d n ? 2 2 + „„ + d1 2 + d 0 2 ) 2

输出电压的变化范围: 输出电压的变化范围

2 ?1 0 ~ ? n VREF 2

n 优点：结构简单，所用的电阻元件数很少。 优点：结构简单，所用的电阻元件数很少。

缺点：各电阻的阻值相差较大， 缺点：各电阻的阻值相差较大，不能保证有很 高的精度。 高的精度。

形电阻网络D/A转换器 二、倒T形电阻网络 形电阻网络 转换器

求和放大 器

模拟电子开关

电阻网络

由于V-≈V+=0,所以开关 合到哪一边，都相当 所以开关S合到哪一边 由于 所以开关

合到哪一边， 于接到了“ 电位， 于接到了“地”电位，流过每条电路的电流始终不 可等效为： 变。可等效为：

I I I I iΣ = d 3 + d 2 + d1 + d 0 2 4 8 16

取RF=R

VREF I= R

VREF 3 2 1 0 vo = ?R Σ = ? 4 (d32 +d2 2 +d12 +d0 2 ) i 2

n位输入的倒 形电阻网络 位输入的倒T形电阻网络 转换器， 位输入的倒 形电阻网络D/A转换器，当反馈 转换器 电阻取为R时，输出电压的计算公式： 电阻取为 时 输出电压的计算公式：

VREF n ?1 n?2 1 0 vo = ? n (d n ?1 2 + d n ? 2 2 + „„ + d1 2 + d 0 2 ) 2

优点： 优点： 两种阻值的电阻， （1）只有 和2R两种阻值的电阻，可达到较高的 ）只有R和 两种阻值的电阻 精度； 精度； （2）各支路电流恒定不变，在开关状态变化时， ）各支路电流恒定不变，在开关状态变化时， 不需电流建立时间，所以电路转换速度高， 不需电流建立时间，所以电路转换速度高，使用 广泛。 广泛。

CB7520电路原理图 电路原理图

三、权电流型D/A转换器 权电流型 转换器

恒流源

恒流源模型： 恒流源模型：

VB ? VEE ? VBE Ii ≈ REi

只要电路工作时保证V 稳定不变， 只要电路工作时保证 B和VEE稳定不变，则 三极管的集电极电流即可保持恒定， 三极管的集电极电流即可保持恒定，不受开关内 阻的影响。 阻的影响。

vo = iΣ RF I I I I = RF ( d 3 + 2 d 2 + 3 d1 + 4 d 0 ) 2 2 2 2 RF I = 4 (d 3

23 + d 2 2 2 + d1 21 + d 0 20 ) 2

为减少电阻阻值的种类，在实用的权电流型 为减少电阻阻值的种类，在实用的权电流型D/A转换器 转换器 中，经常利用倒T形电阻网络的分流作用产生一组所需的恒 经常利用倒

形电阻网络的分流作用产生一组所需的恒 流源。 流源。

按比例加大发射结的面积

DAC0808电路结构框图 电路结构框图

已知VREF=10V 已知

RR = 5k? RF = 5k?

RF I RF VREF 10 vo = 8 Dn = 8 ? Dn = 8 Dn 2 2 RR 2

四、具有双极性输出的D/A转换器 具有双极性输出的 转换器

接一偏置电流 符号位求反

五、D/A转换器的主要参数 转换器的主要参数 1.D/A转换器的转换精度 转换器的转换精度 转换器理论上可达到的精度。 （1）分辨率：D/A转换器理论上可达到的精度。 分辨率：

转换器理论上可达到的精度 分辨率可以用输入二进制数码的位数给出。 分辨率可以用输入二进制数码的位数给出。 分辨率也可用D/A转换器能够分辨出来的最小输 转换器能够分辨出来的最小输 分辨率也可用 出电压与最大输出电压的比值来表示。 位 出电压与最大输出电压的比值来表示。10位D/A转换 转换 器的分辨率为： 器的分辨率为：

转换器实际上能达到的转换精度。 （2）转换误差：D/A转换器实际上能达到的转换精度。 ）转换误差： 转换器实际上能达到的转换精度 可以用输出电压满刻度值的百分数表示，

可以用输出电压满刻度值的百分数表示，也可用 最低位有效值的倍数表示。 最低位有效值的倍数表示。 如：转换误差为0.5LSB，表示输出模拟电压的 转换误差为 ， 绝对误差等于当输入数字量的LSB＝1时，其余各位 ＝ 时 绝对误差等于当输入数字量的 均为0时输出模拟电压的一半。 均为 时输出模拟电压的一半。 时输出模拟电压的一半 转换误差可分为静态误差和动态误差。 转换误差可分为静态误差和动态误差。产生静态误 差的原因是基准电源不稳定、运放的零点漂移、 差的原因是基准电源不稳定、运放的零点漂移、模拟开 关导通时的内阻和压降及电阻网络中阻值的偏差等； 关导通时的内阻和压降及电阻网络中阻值的偏差等；动 态误差则是在转换的动态过程中产生的附加误差。 态误差则是在转换的动态过程中产生的附加误差。

2.D/A转换器的转换速度 转换器的转换速度

指输入数字量各位由全0变为全 （1）建立时间 set：指输入数字量各位由全 变为全 ）建立时间t 1或由全 变为全 时,输出电压达到某一规定值所需 或由全1变为全 或由全 变为全0时 输出电压达到某一规定值所需 要的时间。通常建立时间在 几十μ 之间。 要的时间。通常建立时间在100 ns ~几十μs之间。 几十 之间 （2）转换速率 R：指输入数字量各位由全 变为全 ）转换速率S 指输入数字量各位由全0变为全 1或由全 变为全 时，输出电压的变化率。 或由全1变为全 或由全 变为全0时 输出电压的变化率。

11.3

A／D转换器 ／ 转换器

输入模拟电压 UI

0 ~ 5V

A/D

输出数字量 D7~D0

00000000 ~ 11111111

一、A/D转换的基本原理 转换的基本原理

CPS ui(t) us(t) S C ADC 的 字 数 化 码 路 编 电

„

dn-1 d1 d0 数 量 出 字 输 (n 位 )

输

电

ADC -

电 路

取样－ 取样－保持

取样是对模拟信 号进行周期性地抽取 样值的过程， 样值的过程，就是把 随时间连续变化的信 号转换成在时间上断 续、在幅度上等于取

取样频率 样时间内模拟信号大 小的一串脉冲。 小的一串脉冲。 输入模拟信号的最 高频率分量的频率

取样定理： 取样定理：fs≥2fi(max) 量化－ 量化－编码

将取样－保持电路的输出电压， 将取样－保持电路的输出电压，按某种近似方式 归化到与之相应的离散电平上，这一转化过程称为数 归化到与之相应的离散电平上，这一转化过程称为数 值量化，简称量化。 值量化，简称量化。 量化 将取样电压表示为一个最小单位的整数倍， 将取样电压表示为一个最小单位的整数倍，所 取的最小数量单位称为量化单位，

取的最小数量单位称为量化单位，用 表示。 表示。

量化后的数值最后还须通过编码过程用一个代 码表示出来，这一过程称为编码。 码表示出来，这一过程称为编码。 编码

1 取? = 8

取? =

2 15

最大量化误差为 △，即1／8V ／

最大量化误差为 1/2△，即1／15V △ ／

对双极性模拟电压的量化和编码

二进制 补码的 形式编 码

二、直接A/D转换器 直接 转换器 并联比较型

0≤vi ＜ VREF/15 时，7个比较 器输出全为0， CP 到来后 ， 7 到来后， 个触发器都置 个触发器 都置 0。经 编码器编码后 编码器编 码后 输出的二进制 输出的二 进制 代