第九章数模与模数转换电路

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模与模/ 第九章 数/模与模/数转换电路9.1 D/A转换器 转换器D/A转换器的基本原理 转换器的基本原理 倒T型电阻网络 型电阻网络D/A转换器 型电阻网络 转换器 D/A转换器的主要技术指标 转换器的主要技术指标

9.2 A/D转换器 转换器A/D转换器的基本原理 转换器的基本原理 并行比较型A/D转换器 转换器 并行比较型 逐次比较型A/D转换器 转换器 逐次比较型 双积分型A/D转换器 转换器 双积分型

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9.1 D/A转换器 转换器一. D/A转换器的基本原理 转换器的基本原理对于有权码， 对于有权码，先将每位代码按其权的大小转换成相应的 模拟量，然后相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量， 模拟量，然后相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量， 从而实现数字/模拟转换。 从而实现数字/模拟转换。vo/VD0 D17 6 5 4 3 2 1 0 000 001

. . .Dn-1 输入

voD/A转换器 输出

010 011 100 101

110 111 D

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形电阻网络D/A转换器(4位) 转换器( 位 二. 倒T形电阻网络 形电阻网络 转换器图中S 为模拟开关，由输入数码D 控制， 图中 0~S3为模拟开关，由输入数码 i控制， 接运算放大器反相输入端(虚地) 电流I 流入求和电路； 当Di=1时，Si接运算放大器反相输入端(虚地),电流 i流入求和电路； 时 将电阻2R接地 接地。 当Di=0时，Si将电阻 接地。 时 所以，无论 处于何种位置， 相连的2R电阻均接 电阻均接“ 地或虚地) 所以，无论Si处于何种位置，与Si相连的 电阻均接“地”(地或虚地)。(LSB) D0 D1 D2 (MSB) D3 Rf

iΣA+

vo

S0 2R 2R I 16 R I 16 I 8 2R

S1 I 8 R I 4 2R

S2 I 4 R I 2 2R

S3 I 2 +V REF I

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分析计算： 分析计算：

基准电流: 基准电流 I=VREF/R, ,

流过各开关支路(从右到左) 流过各开关支路(从右到左)的电流分别为 I/2、I/4、I/8、I/16。 、 、 、 。

VREF D0 D1 D2 D3 VREF 3 ( 4 + 3 + 2 + 1) = 4 总电流： 总电流： i∑ = ∑ ( Di 2i ) R 2 2 2 2 2 × R i =0

R 输 出 电 压 ： v O = i ∑ R f = f V REF R 24将输入数字量扩展到n位 则有： 将输入数字量扩展到 位，则有：

( Di 2 i ) ∑i =0

3

R f VREF n 1 vO = n [∑ ( Di 2 i )] R 2 i =0可简写为： 可简写为：vO=-KNB -其中： 其中：

R f VREF K= n R 2

EWB演示 演示——D/A转换器 演示 转换器

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权电流型D/A转换器 三. 权电流型 转换器为进一步提高D/A转换器的转换精度， 可采用权电流型 转换器的转换精度，可采用权电流型D/A转换器。 转换器。 为进一步提高 转换器的转换精度 转换器 图示为一4位权电流 转换器原理电路。 图示为一 位权电流D/A转换器原理电路。这组恒流源从高位到 位权电流 转换器原理电路 低位电流的大小依次为I/2、 、 、 低位电流的

大小依次为 、I/4、I/8、I/16。 。(LSB) D0 (MSB) D3 Rf

D1

D2

iΣA+

vo

S0 I 16

S1 I 8

S2 I 4

S3 I 2

V REF

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四. D/A转换器应用举例 转换器应用举例DAC0808是8位权电流 是 位权电流 型 D/A 转 换 器 ， 其 中 D0 ~ D7 是数字量输入 端。 使用时 使用 时 ， 需要外接运D3 (LSB)D0 D1 D2 5 6 7 8 9 10 11 12 3 V =-15V EE 16 0.01µF DAC0808 2 4 + A 5k Rf V =+5V CC 13 14 15 R1 5k V REF 5k

算放大器和产生基准 电流用的电阻R 电流用的电阻 1。 当VREF=10V、 、 R1=5kΩ、 Ω Rf=5kΩ时， Ω 输出电压为： 输出电压为：

D4 D5 D6 (MSB)D7

vO模拟量输出

数字量输入

vO =

R f VREF 28 R1

10 7 Di 2 = 8 ∑ Di 2 i ∑ 2 i =0 i =0i

7

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DAC0808 D/A转换器输出与输入的关系( 设VREF=10V) 转换器输出与输入的关系( 转换器输出与输入的关系 )

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五. D/A转换器的主要技术指标 转换器的主要技术指标 1.转换精度 转换精度转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。 (1)分辨率 )分辨率——D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。 转换器模拟输出电压可能被分离的等级数 输入数字量位数越多，分辨率越高。所以，在实际应用中， 输入数字量位数越多，分辨率越高。所以，在实际应用中，常用数字量的位 数表示D/A转换器的分辨率。 转换器的分辨率。 数表示 转换器的分辨率 此外，也可用D/A转换器的最小输出电压 数字量：00000001)与最大输 转换器的最小输出电压(数字量 此外，也可用 转换器的最小输出电压 数字量： 与最大输 出电压(数字量 数字量： 出电压 数字量：全1)之比来表示分辨率，N位D/A转换器的分辨率可表示 )之比来表示分辨率， 位 转换器的分辨率可表示 为 1/(2n-1)。 ( ) n 1 最小 vO= - KNB = - K×1 × i

vO= - KNB

N B = ∑ ( Di 2 )i =0

最大

vO= - KNB = - K×(2n-1) ×

比例系数误差、 (2)转换误差 )转换误差——比例系数误差、失调误差、非线性误差。 比例系数误差 失调误差、非线性误差。

2.转换速度 转换速度当输入的数字量发生变化时， (1)建立时间 (tset)——当输入的数字量发生变化时， 输出电压变化到相应稳定 )建立时间( 当输入的数字量发生变化时 电压值所需时间。最短可达0.1μ 。 电压值所需时间。最短可达 μS。 在大信号工作状态下模拟电压的变化率。 (2)转换速率(SR)——在大信号工作状态下模拟电压的变化率。 )转换速率( ) 在大信号工作状态下模拟电压的变化率 在输入不变的情况下， 3. 温度系数——在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。 在输入不变的情况下 输出模拟电压随温度变化产生的变化量。 一般用满刻度输出条件下温度每升高1

℃ 输出电压变化的百分数作为温度系数。 一般用满刻度输出条件下温度每升高 ℃,输出电压变化的百分数作为温度系数。

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9.2 A/D转换器 转换器一.A/D转换的一般步骤 转换的一般步骤由于输入的模拟信号在时间上是连续量，所以一般的 转换过程为： 由于输入的模拟信号在时间上是连续量，所以一般的A/D转换过程为： 输入的模拟信号在时间上是连续量 转换过程为 取样、保持、量化和编码。 取样、保持、量化和编码。

CPS

Dn-1 v(t) IS

vI t) (

ADC的 量化编码电路

. . .

D1 D0

ADC 取样保持电路 输入模拟电压 取样展宽信号

数字量输出(n位)

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取样—保持电路 二. 取样 保持电路电路组成及工作原理( 电路组成及工作原理(取Ri=Rf):为高电平时， 导通 导通， 向电容C 当vL为高电平时，T导通，vI经Ri和T向电容 h充电。vO=-vI=vC。 向电容 充电。 - 返回低电平后， 截止 截止。 无放电回路，所以v 的数值可被保存下来。 当vL返回低电平后，T截止。Ch无放电回路，所以 O的数值可被保存下来。vI

Rf Ri

vLCh

o t

vI

T A

vo o vo

vI

t

vLo t

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并行比较型A/D转换器 三. 并行比较型 转换器基本原理： 基本原理：

vI1 0 t

vI11 10 01 00 t

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3位并行比较型 位并行比较型A/D转换器 位并行比较型 转换器VREF R 13 V 15 REF 11 R 15 VREF R C5 R C4 R C7 CO7 Q7

1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1

I7 I6 D2 (MSB) D1

C6

CO6 CO5

Q6

Q5 Q4

I5 优 先 I4 编 码

CO4

C3

CO3

Q3

I3 器

D 0 (LSB)

3 R V 15 REF R 1 V 15 REF R/2

C2

CO2

Q2

I2 I1

C1

CO1

Q1

vICP

电压比较器

寄存器

代码转换器

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并行比较型A/D转换器真值表 转换器真值表 并行比较型输入模拟电压Q7(0~1/15)VREF ~ ) ( 1/15 ~3/15)VREF ) 5/15) ( 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 ) ( 13/15 ~1)VREF ) 0 0 0 0 0 0 0 1

寄存器状态Q60 0 0 0 0 0 1 1

数字量输出 Q2 Q10 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1

Q5 Q4 Q30 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1

D20 0 0 0 1 1 1 1

D1 D00 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1

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集成优先编码器——74148(8线-3线) 74148( 集成优先编码器 74148输 入 输 出

EI I0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1

I1 1

I2 1

I3 1

I4 1

I5 1

I6 1 0 1 1 1 1 1 1

I7 1 0 1 1 1 1 1 1 1

A2 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1

A1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1

A0 GS EO 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1

× × × × × × × ×

× × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × × 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1

P96

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逐次比较型A/D转换器 二. 逐次比较型 转换器 1. 转换原理： . 转换原理：

有效砝码的总重量逐次逼近重物的重量： 有效砝码的总重量逐次逼近重物

的重量： G≈d3g3+ d2g2+ d1g1+ d0g0 di 1 有效 0 无效

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2. 转换框图： . 转换框图：模拟量 9 10 设： 16 VREF < I < 16 VREF v

v

I

vC

vOD/A 转换器 D0 D1 D2 D3 VREF

Q0

Q1 Q2 Q3 数据寄存器

控制 Q0 逻辑 移位寄存器 Q1 Q2 Q3

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9 10 设： 16 VREF < I < V 16 REF

v

8 12 V V REF 16 REF 16D0

3. 逻辑电路 .D1

V vO ' = REF 24D2

∑ (D 2 )i i =0 i

3

vI

vO10 10 1 00

D/A 转换器

D3

VREF D3 (MSB) D2 D1 D0 (LSB)

1 00

11

vC0Q0 R C1 S FF0 Q1 R 1D C1 S FF1 Q2 R 1D C1 S FF2 Q3 R 1D 0 C1 S FF3 Q4 R 1D C1 S FF4

1数据 寄存器

01 1启动脉冲 +5V G1 1

0 11

10 1 1 1

1 11 10 1 0

011

R 1D C1 FF5

Q5 10 & G2 CP CP

QE QD QC QB QA S F 移位寄存器 E D C B A +5V

0

1 0+5V

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五.双积分型A/D转换器 双积分型 转换器它由积分器、过零比较器( ) 时钟脉冲控制门( ) 它由积分器、过零比较器(C)、时钟脉冲控制门(G)和定时 计数器( 等几部分组成。 器、计数器(FF0~FFn)等几部分组成。S2 A B

VREF

+ vI

S1 VS 1

R A

C

vO

C

vC

n级计数器 FFn Qn 1J C1 1K R CR D n-1 (MSB) 1 Qn-1 FFn-1 1J C1 1K R 1 Q1 FF1 1J C1 1K R D1 数字量输出 D0 (LSB) 1 Q0 FF0 1J C1 1K R 1

vG

& CP

...

TC

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工作原理： 工作原理：(1)准备阶段 ) 计数器清零， 计数器清零， 积分电容放电， 积分电容放电， vO=0V。 。 (2)第一次积分阶段 ) t=0时，开关S1与A端 时 开关 端 接通，输入电压v 接通，输入电压 I加到 积分器的输入端。 积分器的输入端。积分 器从0开始积分 开始积分： 器从 开始积分：

Qn (a) 0

vs1(b)

t1+ vI

t

0

t

vo(c) 0

T1

T2

VREFt

vpvc(d) 0 tλ

vO =

∫ v dt τ0 I

1

t

vG(e) 0T1

T2

t

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由于v 打开。 开始计数。 由于 O<0V,过零比较器输出 C=1,控制门 打开。计数器从 开始计数。 ,过零比较器输出v ,控制门G打开 计数器从0开始计数 经过2 个时钟脉冲后，触发器FF 经过 n个时钟脉冲后，触发器 0~FFn-1都翻转到 态，而Qn=1,开关 ， - 都翻转到0态 S1由A点转到 点，第一次积分结束。第一次积分时间为： 点转到B点 第一次积分结束。第一次积分时间为： 点转到 t=T1=2nTC 第一次积分结束时，积分器的输出电压 第一次积分结束时，积分器的输出电压VP为：

VP = (3)第二次积分阶段 )

T1

τ

VI =

2 n TC

τ

VI

转接到B点 基准电压- 加到积分器的输入端； 当t=t1时，S1转接到 点，基准电压-VREF加到积分器的输入端；积分器 开始反向积分。 开始反向积分。

vO ( t 2 ) = VP

τ∫

1

t2

t1

( VREF )dt

同时， 级计数器又从 开始计数。 级计数器又从0开始计数 同时，N级计数器又从 开始计数。 积分器输出电压v 当t=t2时，积分器输出电压 O>0V,比较器输出 C=0,控制门 被关 ，比较器输出

v ,控制门G被关 闭，计数停止。 计数停止。

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在此阶段结束时v 的表达式可写为： 在此阶段结束时 O的表达式可写为：v O ( t 2 ) = VP

τ∫

1

t2

t1

( VREF )dt = 0

VREFT2 2 n TC 于是有： 设T2=t2-t1,于是有： VI =

τ

τ

设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为λ 设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为λ,则：

T2=λTC

2 n TC T2 = VI VREF

可见， 成正比， 就是双积分A/D转换过程的中间变量。 转换过程的中间变量。 可见，T2与VI成正比，T2就是双积分 转换过程的中间变量

T2 2n λ= VI = TC VREF上式表明，计数器中所计得的数λ ),与在取样时间 与在取样时间T 上式表明，计数器中所计得的数λ(λ=Qn-1…Q1Q0),与在取样时间 1内输 入电压的平均值V 成正比。只要V 入电压的平均值 I成正比。只要 I<VREF,转换器就能将输入电压转换为数 字量。 字量。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/u6fj.html