数字电路第8章AD转换课件.ppt

1、8.1 概述权电阻网络D/A转换器；倒梯形电阻网络D/A转换器；权电流型D/A转换器；权电容网络D/A转换器；开关树型D/A转换器；D/A转换器类型A/D转换器类型直接A/D转换器并联比较型反馈比较型间接A/D转换器电压时间型(V-T型)电压频率型(V-F型)8.2 D/A转换器8.2.1 权电阻网络权电阻网络D/AD/A转换器转换器结构：图9.2.1 是四位电阻网络D/A转换器，它是由全电阻网络、4个模拟开关和1个求和放大器组成。 S3、S2、S1、S0是4个电子开关它们的状态分别受输入代码d3、d2、d1、d0的取值控制。代码为1时开关接到参考电压VREF上，有支路电流Ii流向求和放大器。

2、代码为0时开关接地，该支路电流Ii为零。求和放大器是一个接成负反馈的运算放大器（近似为理想放大器即输入电阻为无穷大，输出电阻为零）8.2 D/A转换器8.2.1 权电阻网络权电阻网络D/AD/A转换器转换器原理：在认为运算放大器输入电流为零的条件下可得到：V0=RFi = RF(I0+ I1+I2+I3)由于V+=V0 RF=R/2 则得到，V0=)2222(2001122334ddddVREF8.2 D/A转换器8.2.1 权电阻网络权电阻网络D/AD/A转换器转换器 对于n位的权电阻网络D/A转换器，当反馈电阻取为R/2时，输出电压的计算公式可写成V0=)2222(200112211ddd

3、dVnnnnnREF nnREFDV2= 上式表明，输出的模拟电压正比于输入的数字量，从而实现了从数字量到模拟量的转换。 当 Dn=0 时 V0=0，当Dn=1111时 V0=REFnnV212V0的最大变化范围是0 REFnnV212说明：式中的参考电压VERF为正电压时，输出电压V0始终为负值。若想得到正的输出电压，则将VREF取为负值。8.2 D/A转换器8.2.1 权电阻网络权电阻网络D/AD/A转换器转换器特点特点： 电路结构简单电路结构简单 电阻误差大电阻误差大 开关有导通电阻开关有导通电阻 转换时间短转换时间短 电压范围电压范围REFnnV21208.2 D/A转换器8.2.2

4、倒T型电阻网络电阻网络D/AD/A转换器转换器 权电阻网络D/A转换器的优点是结构简单，所用电阻元件数目少。缺点是各个电阻的阻值相差较大，尤其位数较多时这个问题就更加突出。为了克服这一缺点，又研制出了倒T形电阻网络D/A转换器。 d0 d3 d2 d1 LSB M SB S0 S1 S2 I/8 I/16 I/4 2R 2R 2R 2R 2R S3 R R R I/4 I/2 I I/16 I/8 V- V A I/2 R I/2 VREF I 图8-2-2 倒T形电阻网D/A转换器原理：由上图可知，因求和放大器反相输入端V-的电位始终接近于零，所以无论开关S3S2S1S0合到哪一边，都相当于

5、接到地电位上，流过每一支路的电流始终不变。因此，可将图8-2-2电阻网等效为图8-2-3。8.2.2 倒T型电阻网络电阻网络D/AD/A转换器转换器 d0 d3 d2 d1 LSB M SB S0 S1 S2 I/8 I/16 I/4 2R 2R 2R 2R 2R S3 R R R I/4 I/2 I I/16 I/8 V- V A I/2 R I/2 VREF I I/8 I/1 6 I/4 2 R 2 R 2 R 2 R R R R I/4 I/2 I I/1 6 I/8 I/2 VR E F I V 0 2 R D C A A D C B B 图8-2-2 倒T形电阻网络D/A转换器图8

6、-2-23 倒T形电阻网络支路电流等效电路8.2.2 倒T型电阻网络电阻网络D/AD/A转换器转换器 d0 d3 d2 d1 LSB M SB S0 S1 S2 I/8 I/16 I/4 2R 2R 2R 2R 2R S3 R R R I/4 I/2 I I/16 I/8 V- V A R I/2 VREF I V0 图8-2-2 倒T形电阻网络D/A转换器如果令di=0时开关Si接地，di=1时Si接V(虚地），可求得I：012316842dIdIdIdII输出电压为：)2222(20011223340ddddVRIVREF对于n位输入的倒T形电阻网络D/A转换器，输出模拟电压为：)2222

7、(2001122110ddddVVnnnnnREF 特点：特点： 电路结构简单电路结构简单 电阻误差较小电阻误差较小 开关有导通电阻开关有导通电阻 转换时间短转换时间短 电压范围电压范围REFnnV21208.2.3 权电流型权电流型D/A转换电路转换电路10022niiinFDIRv特点：特点： 电路结构较复杂电路结构较复杂转换时间短转换时间短开关的导通电阻开关的导通电阻 影响不大影响不大转换电压精度高转换电压精度高D0Dn-2_+vORFVREF(-)Dn-1I I/2nI/22I/2II8.2.4 开关树型开关树型D/A转换电路转换电路特点：特点： 结构简单结构简单 转换时间短转换时间短

8、 电阻单一电阻单一 对开关内阻对开关内阻要求不高要求不高 易于集成易于集成RvORRRRRRRD0D0D1D1VREFD2D2REFV87REFV86REFV85REFV84REFV83REFV82REFV8110022niiinREFDVv 8.2.5 权电容型权电容型D/A转换电路转换电路10niitCCXiiCC2DVDVDCCVvnREFniniiinREFiitREF22210100特点：特点： 输出的精度仅与电容的比例有关，输出的精度仅与电容的比例有关，与电容的绝对值无关。与电容的绝对值无关。 输出的稳定度不受开关内阻和参输出的稳定度不受开关内阻和参 考电源的影响。考电源的影响。

9、稳态下，电容网络不消耗功稳态下，电容网络不消耗功 率。率。 容易集成（容易集成（cmoscmos可制作电容）可制作电容） 转换时间长转换时间长 集成度不高集成度不高D0Dn-1VREFvOD1S0S1Sn-120CXC0C0Cn-1C120CX21CX2n-1CXSD8.2.6 双极性权电阻型双极性权电阻型D/A转换电路转换电路RVIRVREFBB2D0Dn-2I 2R2R2RI/2n2R_+vORI/2nI/2nI/2n-1I/2I/22I/2IVREF(-8V)Dn-1RBVB(+)IB1 加加偏移电路偏移电路，使输入为使输入为1000时的输出为时的输出为0补码输入补码输入 输出输出0 1

10、 1+3V0 1 0+2V0 0 1+1V0 0 001 1 1-1V1 1 0-2V1 0 1-3V1 0 0-4V原码输入原码输入 输出输出(无偏移无偏移) 输出输出(偏移偏移-4V)1 1 1+7V+3V1 1 0+6V+2V1 0 1+5V+1V1 0 0+4V00 1 1+3V-1V0 1 0+2V-2V0 0 1+1V-3V0 0 00-4V 补码的符号补码的符号位取反位取反，使单，使单极性转换电路极性转换电路通过加入偏移通过加入偏移电路，实现双电路，实现双极性转换。极性转换。8.2.7 D/A转换器的转换精度与速度转换器的转换精度与速度D/A转换的主转换的主要技术指标要技术指标:

11、 转换精度转换精度包括：包括：转换速度转换速度分辨率、转换误差用能分辨的最小电压（LSB）与最大电压（满量程FSR）之比来表示分辨率 由电阻网络、模拟开关、参考电源、运算放大器温漂等环节，造成输出模拟电压存在误差，称其为转换误差 。输入数字量给出的时刻到输出模拟电压进入稳定值所需要的时间，即所谓的建立时间tset。 121n 稳定值 1/2LSB t VO tset 8.2.7 D/A转换器的转换精度与速度转换器的转换精度与速度转换误差转换误差：绝对误差相对误差是指实际输出电压与理想输出电压之间的差值，通常用LSB的多少倍表示相对误差则是指绝对误差与满量程输出电压（FSR）之间的比值 非理想情

12、况 |VOR/VREFRf| 7/8 6/8 5/8 4/8 3/8 2/8 1/8 000 001 011 010100 101 110 理想情况 111 3位D/A转换输入、输出关系示意图 实际情况 |VOR/VREFRf| 7/8 6/8 5/8 4/8 3/8 2/8 1/8 000 001 011 010100 101 110 理想情况 VO 111 3 位D/A转换电路的增益误差示意图 实际情况 |VOR/VREFRf| 7/8 6/8 5/8 4/8 3/8 2/8 1/8 000 001 011 010100 101 110 理想情况 111 3位D/A转换电路的零点漂移误差示

13、意图 8.2.8 集成集成D/A转换器转换器倒T型网络模拟地数字地八位并行输入集成数八位并行输入集成数/模转换器模转换器DAC08328.2.8 集成集成D/A转换器转换器DAC0832中中的的倒T型网络8.2.8 集成集成D/A转换器转换器无缓冲输入方式单缓冲输入方式双缓冲输入方式8.2.8 集成集成D/A转换器转换器DAC0832的性能指标（美国国半）转换速度：1s转换精度：0.2%FSR(满量程）8.2.8 集成集成D/A转换器转换器十位串行输入集成数十位串行输入集成数/模转换器模转换器MAX515SDI是16位串行数据输入端，前4位是数据填充位，最后2位是结束位。8.3.1 A/D转换

14、电路的基本原理转换电路的基本原理一、功能一、功能 在规定时间在规定时间( (转换时间转换时间) )内，把模拟电信号在时刻内，把模拟电信号在时刻t t的幅度值的幅度值（压值（压值) )，转换为一个相应的数据。，转换为一个相应的数据。 8-3 A/D8-3 A/D转换器转换器 A/DA/D转换的过程是首先对模拟电压信号取样，取样结束后进转换的过程是首先对模拟电压信号取样，取样结束后进入保持时间，在这一时间段内将取样的电压量化为数字量，并按入保持时间，在这一时间段内将取样的电压量化为数字量，并按一定的编码形式给出转换结果。然后再进行下一次取样。一定的编码形式给出转换结果。然后再进行下一次取样。 模拟

15、信号 数字信号 取 样 保 持 量化与编码 00 01 10 11 00/01/10/11/ 8.3.1 A/D转换电路的基本原理转换电路的基本原理二、取样定理二、取样定理8-3 A/D8-3 A/D转换器转换器 为了能正确用取样信号Vs表示模拟信号VI取样信号必须满足：为取样频率 输入模拟信号VI的最高频率分量的频率fS 2 fi(max)同常取同常取fS = （35） fi(max)三、量化和编码三、量化和编码 编码编码就是将模拟信号量化的结果用二进制代码表示。就是将模拟信号量化的结果用二进制代码表示。 编码规则：编码规则：如果如果1 1位位二进制数表示二进制数表示 电压幅度，则任电压幅度

16、，则任意电压幅度的量化结果是意电压幅度的量化结果是N N 。 量化单位量化单位tV换言之：换言之：量化就是量化就是使模拟信号在幅度上使模拟信号在幅度上离散。离散。 在在A/DA/D转换时，必须把取样电压表示为转换时，必须把取样电压表示为某一最小单位某一最小单位 的整数倍，这个转化过程叫的整数倍，这个转化过程叫做做量化量化。量化误差：量化误差：因连续的模拟电压不一定能被因连续的模拟电压不一定能被 整除而产生整除而产生误差。误差。要求将要求将01V的模拟电压转换成的模拟电压转换成3位二进制编码。位二进制编码。7/8V6/8V5/8V4/8V3/8V2/8V1/8V二进制编码二进制编码1111101

17、011000110100010000V模拟电压模拟电压1V量化误差量化误差= =1/8V0V模拟电压模拟电压1V14/15V13/15V11/15V9/15V7/15V5/15V3/15V1/15V12/15V10/15V8/15V6/15V4/15V2/15V量化误差量化误差= /2=1/15V量化和编码示例一量化和编码示例一8.3.2 取样取样保持电路保持电路 根据A/D转换器的转换原理，对模拟信号取样后必须保持一段时间，直到完成本次转换后才能进行下一次取样。 V V V0 CH RF VL RI VI A T 图 9-3-1 取样-保持电路的基本形式 模拟电压输入取样控制信号取样信号输出

18、工作原理：当取样信号VL为高电平时MOS管T导通，输入信号VI经电阻RI和T向CH充电。若取RI=RF则充电结束后VO=VCH=-VI。 当VL返回低电平后，T管截止。由于CH没有泄放回路，顾其上的电压可保持一段时间不变，故VO= VCH=-VI 也保持不变。8.3.3 直接直接A/D转换器转换器 一、并联比较型一、并联比较型A/D转换器转换器 VREF 13/15VREF 11/15 9/15 7/15 5/15 3/15 D7 cp D6 cp D3 cp D2 cp D1 cp D5 cp D4 cp 1 1 1 1 1 1 1 1 1/15VREF d1=Q6+Q4Q2 d0=Q7+Q

19、6Q5+Q4Q3+Q2Q1 d2 =Q4 代码转换器 寄存器 电压比较器 x(t) cp 特点：特点：转换时间短转换时间短 可达到可达到50ns50ns。电路规模大，电路规模大，输出输出n n位代码的位代码的A/DA/D须要须要2 2n n-1-1个个比较器、比较器、 2 2n n-1-1触发器和庞大的触发器和庞大的代码转换电路代码转换电路 可不加取样可不加取样- -保持电路保持电路图 9-3-2 并联比较型A/D转换电路二、逐次计数比较二、逐次计数比较A/D转换电路转换电路特点：特点： 转换时间长转换时间长 电路规模小电路规模小 需加取样需加取样- -保持电路保持电路图图9-3-3 9-3-

20、3 逐次计数比较逐次计数比较A/DA/D转换电路转换电路y(t)x(t)+-D/A转换电路转换电路数据输出寄存器时钟时钟转换信号转换信号计数器计数器vB原理原理：转换开始前先用复位信号将计数器置零，等转换信号到转换开始前先用复位信号将计数器置零，等转换信号到达，则计数器计数，达，则计数器计数，D/AD/A转换电路输出模拟电压转换电路输出模拟电压y y( (t t) )并与输入并与输入电压电压x x( (t t) )比较，当比较，当y y( (t t) )大于大于x x( (t t) )时时, , b b为为0 0，使计数器停止计数，使计数器停止计数，这时计数器中所存的数字就是所求的输出数字信号

21、。这时计数器中所存的数字就是所求的输出数字信号。三、逐次渐近比较三、逐次渐近比较A/D转换电路转换电路原理：转换开始先将寄存器复位置0，转换电平变高开始转换，时钟信号先将寄存器的最高位置成1，使寄存器的输出为10000。这个数字量被DAC转换成模拟电压y(t)，并将y(t)与x(t)比较。如果y(t) x(t)，说明数字过大，则这个1应去掉；如果 y(t) x(t)，则说明数字不够大，这个1应保留。然后，再按同样方法将次高位置1，并比较y(t) 、x(t)的大小以确定这一位的1是否保留。这样逐位比较下去，直到最低比较完成为止。这时寄存器里的数字即为所求的输出。图图9-3-3 9-3-3 逐次渐

22、近比较逐次渐近比较A/DA/D转换电路转换电路输入时钟输入时钟x(t)+-D/A转换电路转换电路逻辑控制逻辑控制并行并行数据数据输出输出转换控制转换控制y(t)逐次渐近寄存器逐次渐近寄存器vB特点：特点： 转换时间长转换时间长 电路规模小电路规模小 需加取样需加取样- -保持电路保持电路 x(t) + - D/A转转换换电电路路 y(t) vB S cp R S cp R S cp R QB QA QC 1 1 D Q5 CP D Q4 CP D Q3 CP D Q2 CP D Q1 CP CP VL G9 G1 G3 G4 G2 G5 G5 G5 G5 D2 MSB D1 D0 LSB 3

23、位逐次渐近型 A/D 转换器的电路图 8.3.4 8.3.4 间接间接A/DA/D转换器转换器间接A/D转换器分类电压-时间变换型(简称V-T变换型)电压-频率变换型(简称V-F变换型) 在V-T型A/D转换器中，首先把输入的模拟电压信号转换成与之成正比的时间宽度信号，然后在这个时间宽度里对固定频率的时钟计数，计数的结果就是正比于输入模拟电压的数字信号。 在V-F型A/D转换器中，首先把输入的模拟电压信号转换成与之成正比的频率信号，然后在一个固定时间间隔里对得到的频率信号计数，计数的结果就是正比于输入模拟电压的数字信号 一、双积分型A/D转换器T1T2vO1) S0闭合闭合积分电容放电积分电容

24、放电2) S0打开、打开、S1接通接通x(t)，积分器充电，积分器充电控制逻辑控制逻辑计数器计数器数数据据输输出出+转换转换控制控制x(t)+-VREFS0时钟时钟RCS1vOxRCTdtRtxCvT1001)(1 3) S0打开、打开、S1接通接通- VREF ，积分器放电，且计数器开始计数，直到，积分器放电，且计数器开始计数，直到判断判断vO=0，停止计数。，停止计数。011002 xRCTdtRVCvTREFxVTTREF12 CTTD2 xVTTDREFC1 CNTT 1xVNDREF D为计数结果的数字量TC为时钟的周期若取一、双积分型A/D转换器数据输出数据输出+转换转换控制控制x

25、(t)+-VREFS0时钟时钟RCS1vOJ QC1K RJC2K RJ QC1k RJ QAC1K Rdn-1d1d01图 9-3-5 双积分A/D转换器的控制逻辑电路二、V-F变换型A/D转换器 VCO 计数器 寄存器 VG VI 图 9-3-6 V-F变换型A/D转换器 TG 输入模拟电压信号转换控制信号压控振荡器：输出的脉冲频率随输入模拟电压变化计数器输入脉冲控制闸门在TG期间记录脉冲个数设置输出寄存器，防止转换过程中输出数字跳动特点：特点： 工作稳定工作稳定 抗干扰性强抗干扰性强 对电路元件精度要求不高对电路元件精度要求不高 转换时间长转换时间长 线性误差较大线性误差较大8.3.5 集成集成A/D转换器转换器DAC补充作业题