数电课件第8章-数模与模数转换共58页文档.ppt

1、数模转换：数模转换：将数字量将数字量 (Digital)转换为模拟量转换为模拟量(Analog)，简称，简称 D/A转换。转换。模数转换模数转换：将模拟量：将模拟量(Analog)转换为数字量转换为数字量(Digital)，简，简称称 A/D转换。转换。被控对象被控对象传感器传感器ADC计算机计算机DAC驱动电路驱动电路8.1 概述概述主要指标：转换精度；转换速度。主要指标：转换精度；转换速度。ADC直接转换型直接转换型并联比较型并联比较型间接转换型间接转换型双积分型（双积分型（VT变换型）变换型）逐次渐进型逐次渐进型分类分类:DAC倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器权电流型权电流型

2、D/A转换器转换器双极型双极型D/A转换器转换器(1)了解了解D/A和和A/D转换器在数字系统中的作用及分类转换器在数字系统中的作用及分类方法。方法。(2)掌握掌握D/A转换器的功能、类型，电路组成特点，电转换器的功能、类型，电路组成特点，电路性能特点，计算公式；路性能特点，计算公式； (3)掌握掌握A/D转换器的功能、类型、转换步骤、取样定转换器的功能、类型、转换步骤、取样定理，电路组成特点，电路性能特点，转换时间，使用理，电路组成特点，电路性能特点，转换时间，使用条件。条件。(4)了解了解D/A和和A/D转换器转换精度和转换速度，影响转换器转换精度和转换速度，影响因素和相关概念。因素和相关

3、概念。本章基本要求本章基本要求作业作业：【8.1】【】【8.2】【】【8.4】【】【8.5】 【8.7】 【8.8】【】【8.9】n位二进制数位二进制数Dn接到接到DAC的输入端时，的输入端时，D/A转换器的输出电压值：转换器的输出电压值：8.2 数模转换数模转换DAC8.2.1 DAC的基本原理的基本原理K为比例系数，为比例系数，VREF为参考基准值。为参考基准值。vo = K(dn-12n-1+ dn-22n-2+ + d121 + d020 )VREF = KDnVREF图图8-2 DAC原理框图原理框图电路组成：由四部分组成：电路组成：由四部分组成：倒倒T形电阻网络；形电阻网络；求和放

4、大器；求和放大器；模拟开关；模拟开关；参考电源；参考电源；倒倒T形电形电阻网络阻网络求和放大器求和放大器Least Significant BitMost Significant Bit模拟模拟开关开关8.2.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络DAC图图8-3 倒倒T形电阻网络形电阻网络DAC电阻网络特点：电阻网络特点：任意节点向左看的等效任意节点向左看的等效电阻皆为电阻皆为R。模拟开关模拟开关Si不论接何位置不论接何位置,都相当于接地。都相当于接地。原理原理:任务任务:求出输出模拟电压求出输出模拟电压vO与输入数字量与输入数字量d3d2d1d0间的关系。间的关系。IRVREF I =vo= Ri

5、 R VREF 2 vO= R( + + + )d3 4 d2 8 d1 16 d0 VREF 24 vO= (d323+ d222+ d121 + d020 )vO = (dn-12n-1+ dn-22n-2+ + d121 + d020 )VREF 2n = Dn2n VREF 2 I i= d3 + d2 + d1+ d04 I 8 I 16 I 图图8-5 CB7520电路原理图电路原理图需需外外接接运运放放需外接基需外接基准电压源准电压源可外接反可外接反馈电阻馈电阻R倒倒T型型D/A转换器转换器CB7520芯片芯片CB7520是片内没有集成放大器的是片内没有集成放大器的10位位DAC

6、倒倒T型型D/A转换器特点：转换器特点：1.电阻种类少，便于集成；电阻种类少，便于集成；2.开关切换时，各点电位不变。因此，速度快，减少尖峰脉冲。开关切换时，各点电位不变。因此，速度快，减少尖峰脉冲。 常用常用CMOS开关开关 倒倒T形电阻网络形电阻网络DAC的集成电路还有的集成电路还有DAC1210（12位）、位）、AK7546（16位高精度）等。位高精度）等。图图8-6 权电流型权电流型DAC 在权电阻网络在权电阻网络D/A转换器和倒转换器和倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器中，转换器中，若若模拟开关不是理想开关模拟开关不是理想开关，其，其导通电阻导通电阻和和导通压降导通压降将影响转换将

7、影响转换精度。权电流型精度。权电流型D/A转换器可解决这一问题。转换器可解决这一问题。8.2.3 权电流型权电流型DAC 恒流源如图。但电阻恒流源如图。但电阻REi的种类多。因此，经常用的种类多。因此，经常用倒倒T型电阻网络型电阻网络的分流作用来实现。的分流作用来实现。模拟开关模拟开关REiVB VEE VBE Ii vO= iRF 2 I =RF( d3 + d2 + d1+ d0)22 I 23 I 24 I RFI 24 = (d323+ d222+ d121 + d020 )电路特点电路特点：T3T0均采用了多发射均采用了多发射极晶体管。极晶体管。目的目的：T3T0的发射极电流密度相的

8、发射极电流密度相等，可使各发射结电压相同，发等，可使各发射结电压相同，发射极处于相同电位。射极处于相同电位。 A1、TR和和RR、R组成了组成了基准基准电流发生电路电流发生电路I电阻电阻网络网络RRVREF I REF = = I RFI 24 vO= (d323+ d222+ d121 + d020 )24RR = (d323+ d222+ d121 + d020 )RFVREF 2nRR vO = (dn-12n-1+ dn-22n-2+ +d121 + d020 )RFVREF 2nRR = DnRFVREF REiVB VEE VBE Ii 图图8-7 采用倒采用倒T形电阻网络的权电流

9、型形电阻网络的权电流型DAC若取若取VREF=10V、RR=RF=5K 则：则：此时，输出模拟电压范围为：此时，输出模拟电压范围为：09.96V。权电流型集成数模转换器权电流型集成数模转换器DAC0808参考公式：参考公式：有：有：双极型电路；双极型电路；8位数字量输入；位数字量输入；外接求和放大器；外接求和放大器；外接电阻。外接电阻。输入数输入数字量字量需需外外接接运运放放需外需外接接RR2nRR vO = DnRFVREF vO = DnRFVREF 28RR 28 vO = Dn10 集成权电流型集成权电流型D/A转换电转换电路还有路还有AD1408、DAC0806等。采用了双极型工艺制

10、作，等。采用了双极型工艺制作，工作速度较高。工作速度较高。例：输入为例：输入为3位二进制补码。最高位为符号位，正数为位二进制补码。最高位为符号位，正数为0，负数为，负数为1补码输入补码输入对应的对应的十进制十进制要求的要求的输出输出 d2 d1 d0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V8.2.4 数模转换输出极性的扩展数模转换输出极性的扩展符号位符号位当输入当输入数字量有数字量有极性时，希望输出的极性时，希望输出的模拟电压也对应为模拟电压也对应为。原理原理：带符号数以补码形式给出。输出为正、负极性的模拟电压

11、。：带符号数以补码形式给出。输出为正、负极性的模拟电压。绝对值绝对值 输入输入对应的对应的输出输出偏移后偏移后的输出的输出 d2 d1 d0111+7V+3V110+6V+2V101+5V+1V100+4V0V011+3V-1V010+2V-2V001+1V-3V0000V-4V补码输入补码输入对应的对应的十进制十进制要求的要求的输出输出 d2 d1 d0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V*将符号位反相后接至高位输入将符号位反相后接至高位输入*将输出偏移将输出偏移4V，使输入为，使输入为100时，输出为时

12、，输出为0双极型双极型DAC功能要求功能要求1d2d2偏移偏移4V表表8-1 补码输入要求的补码输入要求的DAC输出输出 电路实现电路实现:*将输出偏移将输出偏移4V，使输入为，使输入为100时，输出为时，输出为0V。*将符号位反相后接至高位输入，将符号位反相后接至高位输入，补码补码变为变为绝对值绝对值输入。输入。偏移偏移4V，绝对值绝对值输入输入100时时输出为输出为0V。输入输入100时时由于加入偏移电路由于加入偏移电路:IRvO= IRR i= IR+IB vO= (i IB )R=0 IB = i2 I i = d2 + d1 + d04 I 8 I 2 i = = I 2R VREF

13、2 IB = = = I 2R VREFRB VB 图图8-11 具有双极性输出电压的具有双极性输出电压的DAC 用输入数字量的二进制数码位数给出用输入数字量的二进制数码位数给出 用输出模拟电压的用输出模拟电压的非非0的最小值与最大值的比值表示。的最小值与最大值的比值表示。2) 转换误差（实际精度）转换误差（实际精度） 用用最低有效位最低有效位(LSB)的倍数来表示。的倍数来表示。 有时也用绝对误差与输出电压满刻度的百分数来表示有时也用绝对误差与输出电压满刻度的百分数来表示,如：如：0.1FSR。1LSB 它表示实际的它表示实际的D/A转换特性和理想转换特性之间的最大偏差。转换特性和理想转换特

14、性之间的最大偏差。只有最低位只有最低位d0为为1时对应输时对应输出的模拟电压出的模拟电压0.5LSB8.2.5 DAC的主要技术参数的主要技术参数1.转换精度转换精度转换精度是指转换精度是指DAC实际能达到的精确程度。实际能达到的精确程度。1) 分辨率（理论精度）分辨率（理论精度）2n VREF2n VREF(2n 1)2n1 10.1FSR= 0.12n VREF(2n 1)图图8-12 零点漂移误差零点漂移误差 转换误差分析转换误差分析产生原因产生原因： 主主要是输出放大器的零点要是输出放大器的零点漂移产生。漂移产生。 (1)零点漂移误差零点漂移误差 当输入数字量为当输入数字量为0时，时，

15、DAC输出模拟量输出模拟量偏移零点的电压值为偏移零点的电压值为零点漂移误差。零点漂移误差。消除方法消除方法： 可以通过调零措施来抑制可以通过调零措施来抑制（零点调节）。（受温度影响）（零点调节）。（受温度影响）误差特点误差特点： 零点漂移误差在整个转换范零点漂移误差在整个转换范围内是恒定的，叠加在每个理想围内是恒定的，叠加在每个理想输出值上。输出值上。图图8-13 比例系数误差比例系数误差（2）比例系数误差）比例系数误差DAC的实际转换特性与理想转换特性的斜率之差。的实际转换特性与理想转换特性的斜率之差。产生原因：产生原因： 基准参考电压的误差或输基准参考电压的误差或输出放大器的增益误差。出放

16、大器的增益误差。 误差特点误差特点： 误差与输入数字量的大小成误差与输入数字量的大小成正比。正比。消除方法消除方法：通过满度调节来消除。：通过满度调节来消除。调节输出放大器的放大倍数使输出调节输出放大器的放大倍数使输出电压为理想最大值。电压为理想最大值。2n vO = DnVREF （3）非线性误差）非线性误差图图8-14 非线性误差非线性误差 DAC实际输出的模拟量与输入数字量的比值实际输出的模拟量与输入数字量的比值在转换范围内不是常数，特性曲线呈非线性。在转换范围内不是常数，特性曲线呈非线性。产生原因：产生原因： 主要是模拟开关的导通电阻主要是模拟开关的导通电阻及电路元器件误差对权电流精度

17、及电路元器件误差对权电流精度的影响。的影响。消除方法：消除方法： 通过反馈控制进行补偿。通过反馈控制进行补偿。注意注意: D/AC分为两种一种为运放和分为两种一种为运放和参考电源为外接，另一种都集成参考电源为外接，另一种都集成在集成在集成D/AC内部。前者内部。前者,在选择在选择外接参考电源和运放时要注意，外接参考电源和运放时要注意，选择稳定性高的，否则会因为误选择稳定性高的，否则会因为误差而降低精度！差而降低精度！图图8-15 DAC的建立时间的建立时间2. 建立时间建立时间DAC输入数字码发生变化到模拟量达到与新的输入数字码发生变化到模拟量达到与新的稳定值相差稳定值相差范围范围以内所需要的

18、时间。反映了以内所需要的时间。反映了DAC的转换速度。的转换速度。 按建立时间的不同，按建立时间的不同，DAC可分为可分为低速、中速、高速和超高速低速、中速、高速和超高速 。类型类型建立时间建立时间 (s) 制造工艺制造工艺低速低速300CMOS中速中速10300CMOS高速高速0.0110TTL或或CMOS超高速超高速0.01高速高速ECLCB7520、DAC0832DAC0808表表8-3 DAC的速度指标的速度指标ECL：非饱和型高速逻辑电路：非饱和型高速逻辑电路 外接运放时，外接运放时，还应考虑运放的还应考虑运放的时间。时间。 输入信号由全输入信号由全0变为全变为全1所需时间最长。所需

19、时间最长。 LSB2 1 1.集成集成D/A转换器的选择转换器的选择1.输入输入2.输出输出3.电源电源4.转换时间转换时间可以选择内部带运放的电压输出型或需要外部运放的可以选择内部带运放的电压输出型或需要外部运放的电流输出型电流输出型 根据电路配置的电源情况根据电路配置的电源情况（单极性、双极性（单极性、双极性） 根据模拟量的输出范围和误差指标选择幅值根据模拟量的输出范围和误差指标选择幅值 根据系统的转换速率选择根据系统的转换速率选择 8.2.6 集成集成DAC根据数字量的编码形式选择根据数字量的编码形式选择 根据分辨率根据分辨率 选择选择 (n越大，价格越高）越大，价格越高）根据系统数据端

20、口的形式根据系统数据端口的形式 选择选择（串行、并行）（串行、并行）根据输入信号电平选择根据输入信号电平选择（TTL、CMPOS、ECL工艺）工艺）2. D/A转换器转换器0832 带有与带有与微机连接微机连接接口接口，可与微机，可与微机CPU直接连接。直接连接。 图图8-16 DAC0832的逻辑框图的逻辑框图片选端片选端写使能写使能外接运算放大器外接运算放大器传输控传输控制端制端输入寄存器输入寄存器使能使能电流输出电流输出 1010V内部反馈内部反馈电阻电阻 属于属于倒倒T形电阻形电阻网络网络DAC。 在在A/D转换器中，由于输入模转换器中，由于输入模拟信号在时间上是连续的，而输拟信号在时

21、间上是连续的，而输出数字信号是离散的，出数字信号是离散的，所以转换所以转换只能在一系列选定的瞬间对输入只能在一系列选定的瞬间对输入模拟信号采样模拟信号采样，然后再把这些采，然后再把这些采样值转换成输出数字量。样值转换成输出数字量。8.3 模数转换模数转换ADCA/D转换的基本步骤：转换的基本步骤： 采样采样保持保持编码编码量化量化由取样保持由取样保持电路完成电路完成由由A/D转换转换电路完成电路完成8.3.1 ADC的基本原理的基本原理图图8-17 输入电压与取样保持信号输入电压与取样保持信号取取样样保保持持1.采样与保持采样与保持 取样定理取样定理：取样信号频率取样信号频率输入信号最输入信号

22、最高频率分量高频率分量 在实际的取样保持电路中有一个取样控制信号在实际的取样保持电路中有一个取样控制信号 VL ，它的频率，它的频率就是取样信号频率。就是取样信号频率。取样保持取样保持电路电路vOvIVLfs 2fi(max) Ts 取样取样保持电路的输出的模拟电压，保持电路的输出的模拟电压，化成某个最小化成某个最小数量单位的整数倍数量单位的整数倍，这个转换过程叫做，这个转换过程叫做量化量化。2. 量化和编码量化和编码所取的最小数量单位称为所取的最小数量单位称为量化单位量化单位，用表示。，用表示。=1LSB将量化的结果用代码表示，称为将量化的结果用代码表示，称为编码编码。 某一模拟电压不是量化

23、单位的倍数时，则不可避免会某一模拟电压不是量化单位的倍数时，则不可避免会引入引入量化误差量化误差。 0.6V0.92V=0.2V34?5?两种量化方案两种量化方案第一种第一种:只舍不入法只舍不入法量化误差量化误差相当于取整量化相当于取整量化第二种第二种:有舍有入法有舍有入法相当于相当于4舍舍5入量化入量化量化误差量化误差1/2 图图8-20 并联比较型并联比较型ADC将输入模拟电压直接转换为数字量，不经过中将输入模拟电压直接转换为数字量，不经过中间变量。间变量。采用第二种量化方案采用第二种量化方案转换过程转换过程：根据量化方案比：根据量化方案比较输入模拟信号的大小，然较输入模拟信号的大小，然后

24、对比较的结果进行后对比较的结果进行编码编码。特点：特点：速度快，速度快，转换时间转换时间小于小于50ns；需要大量的比较器和需要大量的比较器和触发器触发器；不需要采样保持电路！不需要采样保持电路！直接直接A/D转换器转换器= 2VREF /158.3.2 并联比较型并联比较型ADC量化转换表量化转换表输入模拟电压输入模拟电压VI寄存器状态寄存器状态（代码转换器输入）（代码转换器输入）数字数字量输出量输出（代码转换器输出）（代码转换器输出）Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1d2d1d0 00000000000000001001 00000110100000111011 0001111100 00111

25、1110101111111101111111111REF1(0 )15VREF13()1515VREF35()1515VREF57()1515VREF79()1515VREF911()1515VREF1113()1515VREF1315()1515V表表8-4 图图8-20电路的代码转换表电路的代码转换表10018.3.3 逐次渐近型逐次渐近型ADC数字源数字源直接直接A/D转换器转换器数字源数字源: :二进制加法计数器二进制加法计数器 （一个一个数字量比较，直到相等一个一个数字量比较，直到相等）逐次渐进计数器逐次渐进计数器（一位一位数字量确定）（一位一位数字量确定）基本思想：基本思想： 从输

26、出数字量的最高位起从输出数字量的最高位起, 逐位判断该位的值（逐位判断该位的值（0、1）图图8-21 逐次渐近型逐次渐近型ADC以输出三位数字量以输出三位数字量d2d1d0为例为例:1. 逐次渐近寄存器逐次渐近寄存器 给出给出 100到到DAC， DAC的的 输出输出vO与与vI比较：比较：vI vOvI vO，vB=0，FFA保持保持。vIvO，vB=1，FFA置零置零。确定确定d2，QAQBQC=d210。QAQBQC=10001 0 0第第1个个CLK，Q1Q2Q3Q4Q5=01000第第2个个CLK，移位寄存器为，移位寄存器为00100。第第3个个CLK, 移位寄存器为移位寄存器为00

27、010.0001d2 1 0001000100010000d2 d1 1d2 d1 d000001转换时间转换时间: (n+2)TC输出输出d2d1d0。确定确定d1，QAQBQC=d2d11。确定确定d0 。第第4个个CLK, 移位寄存器移位寄存器为为00001。(中间量为中间量为T,电压时间电压时间变换型）变换型）V-T变换型变换型1.组成组成:积分器积分器比较器比较器计数器计数器控制逻辑控制逻辑波形波形QA=0对对vI积分积分第一次积分第一次积分QA=1对对-VREF积分积分第二次积分第二次积分n位二进制计数位二进制计数器器,2n个个CLK计满计满使使QA由由0变变1.vO 0vc=1控

28、制计数脉冲控制计数脉冲控制电子开关控制电子开关S0 、S1位置位置8.3.4 双积分型双积分型ADCvIvcQAvO间接间接A/D转换器转换器图图8-25 双积分型双积分型ADC的控制逻辑电路的控制逻辑电路vL= 0，计数器清零，计数器清零，S0闭合，电容完全放电。闭合，电容完全放电。vL= 1，转换，转换 。T2 = vI VREF T1 第二次积分第二次积分:对参考电源对参考电源-VREF定速定速积积分分,vO的变化速度由的变化速度由VREF，R和和C决定。决定。定时时间：定时时间：T1= 2nTCT2vIDvI2.原理原理第一次积分第一次积分:对输入模拟电压对输入模拟电压定定时时积分积分

29、,时间为时间为T1,由控制逻辑电由控制逻辑电路决定；路决定；初值初值电路电路T2= DTCvO = vIRC T1 VREF = RC T2 vI RC T1 D = vI VREF 2n C vO = Idt 1 0T1= dtCR vI T10vO = dt C 1 0T2R VREF vI = 0 RC T1 DTC = vI VREF 2nTC 图图8-24 双积分双积分ADC波形图波形图3.性能特点：性能特点： 转换结果与转换结果与R，C无关；也与时钟周期无关，这无关；也与时钟周期无关，这是两次积分的结果。是两次积分的结果。性能稳定性能稳定抗干扰能力强抗干扰能力强积分器对平均值为积分

30、器对平均值为0的干扰有很强的抑制能力。的干扰有很强的抑制能力。速度慢。完成一次转换时间约速度慢。完成一次转换时间约 2n+1TC在要求速度不高的场合有广泛的应用。如在要求速度不高的场合有广泛的应用。如数字电压表数字电压表等。等。缺点缺点:因第二次积分期间的计数器值就是因第二次积分期间的计数器值就是A/D转换出的数字量转换出的数字量D。第。第二次积分期间二次积分期间(T2时间段时间段)计数器不可达最大值（否则溢出）。计数器不可达最大值（否则溢出）。波形波形 转换时间转换时间: 2n+1TC双积分双积分A/D转换器小结转换器小结2.使用条件使用条件: vI T2)D = VREF 2n vI 1.

31、 A/D转换器的转换精度转换器的转换精度采用分辨率和转换误差来描述。采用分辨率和转换误差来描述。分辨率：分辨率：能区分的最小输入模拟电压。（理论精度）能区分的最小输入模拟电压。（理论精度）用输出数字量的位数表示。当位数为用输出数字量的位数表示。当位数为n位位 时，能区分的最小电压为时，能区分的最小电压为FSR/2n。转换误差：转换误差： 通常以输出误差最大值的形式给出。表示实际输出通常以输出误差最大值的形式给出。表示实际输出数字量与理论上应有的输出数字量之间的差别。数字量与理论上应有的输出数字量之间的差别。多以最多以最低有效位的倍数表示，低有效位的倍数表示，如转换误差：如转换误差：有时也以满量

32、程的百分数给出，有时也以满量程的百分数给出，如转换误差为如转换误差为 0.05 FSR8.3.5 ADC的主要技术参数的主要技术参数2 LSB1 2. A/D转换器的转换速度转换器的转换速度不同类型间速度相差悬殊。不同类型间速度相差悬殊。并联比较型并联比较型 最快，最快，转换时间小于转换时间小于50ns。双积分型双积分型 速度速度最低，最低，转换时间多在转换时间多在数十毫秒到数百毫秒之间。数十毫秒到数百毫秒之间。公式公式: 2(n+1) TC逐次渐近型逐次渐近型 次之，次之，转换时间多在转换时间多在10100s之间。之间。公式公式: (n+2)TC在速度要求高的场合，还要考虑在速度要求高的场合

33、，还要考虑取样保持取样保持电路的获取电路的获取时间。（微秒数量级）。时间。（微秒数量级）。（1）被测模拟信号的性质）被测模拟信号的性质（极性、变化率、输入方式极性、变化率、输入方式）（2）系统对分辨率、转换误差、及转换速度的要求）系统对分辨率、转换误差、及转换速度的要求 （3）系统对输出数字量的要求（）系统对输出数字量的要求（码制格式码制格式、输出电平、输出方式、输出电平、输出方式）（4）A/D转换器需要的控制信号及时序关系转换器需要的控制信号及时序关系 （5）环境条件、功耗、体积、成本等非逻辑因素。）环境条件、功耗、体积、成本等非逻辑因素。 1.集成器件选择的依据：集成器件选择的依据：8.3

34、.6 集成集成ADC 42.部分集成部分集成A/D转换器转换器21参考电压参考电压双积分型、双积分型、BCD码输出码输出外接外接2.00.1 mV40 msICL7135电荷平衡式电荷平衡式V/F转换；可单电转换；可单电源供电；源供电；OC输出输出内设内设180.07%FSR最高最高1MHz自定自定AD650单通道、逐次渐近、差分输入单通道、逐次渐近、差分输入551LSB8TLC0831逐次渐近、自动校准、三态逐次渐近、自动校准、三态输入输出、输入输出、4通道通道55 LSB12ADC7802逐次渐近、双极性输入、可单逐次渐近、双极性输入、可单电源工作、输出无缓冲锁存电源工作、输出无缓冲锁存外

35、接外接10 LSB12ADC1210逐次渐近、三态输出、逐次渐近、三态输出、8通道通道551LSB8ADC0809Flash并行、输出锁存并行、输出锁存55 LSB8AD7824KN说说 明明(V)输入电压输入电压范围范围(V)转换精度转换精度转换时间转换时间/速率速率输出位数输出位数型型 号号2121212.5s100s200s8.5s32s表表8-5 部分集成部分集成ADC介绍介绍 VL为取样控制信号为取样控制信号采样采样：VL为高电平时，为高电平时，场效应管场效应管T导通导通，进行，进行取样取样。就是。就是vI通过通过 电阻电阻RI对电容对电容CH充电，充电结束后为：充电，充电结束后为：

36、保持保持： VL为低电平时，为低电平时，T截止。集成运放的输入电阻很大，取样截止。集成运放的输入电阻很大，取样 电容电容CH上的电荷无泄放回路上的电荷无泄放回路，就可以认为在一定时间内，就可以认为在一定时间内vO 将保持不变。将保持不变。电路缺点电路缺点：输入电阻：输入电阻RI过大会降低取样速度；过小又加重信号过大会降低取样速度；过小又加重信号 源负载。源负载。改进方法改进方法：在输入端加隔离放大器。：在输入端加隔离放大器。8.4 取样取样-保持保持电路电路vO = vI RI RF 图图8-26 取样取样保持电路基本形式保持电路基本形式 集成取样集成取样-保持电路保持电路LF398 在取样阶

37、段，开关在取样阶段，开关S接通，运放接通，运放A1, A2构成两级电压跟随器，即构成两级电压跟随器，即vO1vI, 对电容对电容CH充电，充电结束后为：充电，充电结束后为：vO=vI外接保持电容外接保持电容二极管二极管D1, D2和电阻和电阻R1构成保护电路。如构成保护电路。如D1导通导通vO1=vI+VD1在取样阶段，在取样阶段，S接通，接通，vO1=vO，D1, D2截止，保护电路不起作用。截止，保护电路不起作用。保护电路保护电路图图8-27 集成取样集成取样保持电路保持电路LF398在在t=0时刻，输入的信号变化率最大，时刻，输入的信号变化率最大， 如果被采样的模拟信号如果被采样的模拟信

38、号变化变化相当相当缓慢缓慢或采用了或采用了足够快足够快的的A/D转换器转换器，在完成一次量化中均能保证模拟信号的变化小于，在完成一次量化中均能保证模拟信号的变化小于一个量化单位，就可一个量化单位，就可省略保持电路省略保持电路。 允许允许A/D转换器的转换器的最大最大转换时间：转换时间： 实际应用中采样实际应用中采样保持电路中的保持电路不一定是必要的。保持电路中的保持电路不一定是必要的。例如：输入的模拟信号是正弦信号例如：输入的模拟信号是正弦信号 vI (t) = Esint 该器件的量化单位为该器件的量化单位为: 2n 2E= = E=E2f dt dvI(t) t=0在在 tc间隔里，间隔里

39、，E=E2ftCvO，vB=0，FFA保持保持。vIvO，vB=1，FFA置零置零。确定确定d2，QAQBQC=d210。QAQBQC=10001 0 0第第1个个CLK，Q1Q2Q3Q4Q5=01000第第2个个CLK，移位寄存器为，移位寄存器为00100。第第3个个CLK, 移位寄存器为移位寄存器为00010.0001d2 1 0001000100010000d2 d1 1d2 d1 d000001转换时间转换时间: (n+2)TC输出输出d2d1d0。确定确定d1，QAQBQC=d2d11。确定确定d0 。第第4个个CLK, 移位寄存器移位寄存器为为00001。习题与思考题习题与思考题1

40、210REFO121022222nnnnnVvdddd 题题8.1 已知某已知某8位倒位倒T形电阻网络形电阻网络DAC电路中，输入二进制数电路中，输入二进制数10000000，输出模拟电压。，输出模拟电压。当输入二进制数当输入二进制数10101000时，计算输出模拟电压的大小。时，计算输出模拟电压的大小。解：题题8.2 在如图在如图8-28所示的所示的DAC电路中，给定，试计算：电路中，给定，试计算：（1）输入数字量的每一位为）输入数字量的每一位为1时在输出端产生的电压值。时在输出端产生的电压值。（2）输入为全）输入为全1、全、全0和和1000000000时对应的输出电压值。时对应的输出电压值

41、。 O8.4vV解：倒T形电阻网络DAC的公式 1210REFO121022222nnnnnVvdddd （1） - 每一位的1在输出端产生的电压分别为2.5V，1.25V，0.625V，0.313V，0.156V，78.13mV，39.06mV，19.53mV，9.77mV，4.88mV。9d0d（2）输入全1、全0和1000000000时的输出电压分别为4.995V，0V和2.5V。题题8.3 对于一个对于一个8位位DAC：（1）若最小输出电压增量为）若最小输出电压增量为0.02V，试问当输入代码为，试问当输入代码为01001111时，输出时，输出电压为多少？电压为多少？（2）若其分辨率用

42、百分数表示，则应是多少？）若其分辨率用百分数表示，则应是多少？解：（1）最小输出电压增量对应输出代码最低位为1的情况（即输入代码为00000001），所以当输入代码为01001111时，输出电压为 O210(01001111)0.02V(79)0.02Vv1.58V（2）DAC的分辨率用百分数表示最小输出电压与最大输出电压之比。对于该8位DAC，其分辨率用百分数表示为 282(00000001)0.0210.39%(11111111)0.0221题题8.4 如图如图8-29所示是用所示是用CB7520和同步十六进制计数器和同步十六进制计数器74LS161组成的波形发组成的波形发生器电路。已知生

43、器电路。已知CB7520的，试画出输出电压的波形，并标出波形图中各电的，试画出输出电压的波形，并标出波形图中各电压的幅度。压的幅度。解：题题8.5 用一个用一个4位二进制计数器位二进制计数器74LS161、一个、一个4位数模转换电路和一个位数模转换电路和一个2输入与非门输入与非门设计一个能够产生如图设计一个能够产生如图8-30所示波形的波形发生器电路。所示波形的波形发生器电路。解：题题8.6 若若ADC（包括取样（包括取样保持电路）输入模拟电压信号的最高变化频率为保持电路）输入模拟电压信号的最高变化频率为10kHz，试说明取样频率的下限是多少？完成一次模数转换所用的时间上限，试说明取样频率的下

44、限是多少？完成一次模数转换所用的时间上限是多少？是多少？题题8.7 在在10位逐次渐近型位逐次渐近型ADC中，其中，其DAC输出电压波形与输入电压如图输出电压波形与输入电压如图8-31所示。所示。（1）求转换结束时，该）求转换结束时，该ADC的数字输出状态为多少？的数字输出状态为多少？（2）若该）若该DAC的最大输出电压为的最大输出电压为14.322V，试估计此时的范围。，试估计此时的范围。解：取样频率下限20kHz，所用时间上限50 s98765432100101101011d d d d d d d d d d 据以上分析，该ADC的数字输出为 （2）由图8-31（b）可见，在 - 期间

45、比 要大一些 ，故此时的数字输出量 所代表的电压值比此时的 要小 ，因此 的实际值是介于0101101100所代表的模拟电压与0101101011所代表的模拟电压之间。 9t10tIvOv98765432100101101011d d d d d d d d d d IvIv0- t1 期间： 则此时逐次渐近寄存器最高位 被置0。 OIvv9Qt1- t2 期间： 则此时逐次渐近寄存器 保留1。 OIvv8Qt2- t3 期间： 则此时逐次渐近寄存器最高位 被置0。 OIvv7Qt3- t4 期间： 则此时逐次渐近寄存器最高位 被置1。 OIvvt4- t5 期间： 则此时逐次渐近寄存器最高位

46、 被置1。 OIvv6Q5Qt5- t6 期间： 则此时逐次渐近寄存器最高位 被置0。 OIvv4Qt6- t7 期间： 则此时逐次渐近寄存器最高位 被置1。 OIvvt7- t8 期间： 则此时逐次渐近寄存器最高位 被置0。 OIvv3Q2Qt8- t9 期间： 则此时逐次渐近寄存器最高位 被置1。 OIvvt9- t10 期间： 则此时逐次渐近寄存器最高位 被置1。 OIvv1Q0Q解：题题8.9 在双积分在双积分ADC中，试问：中，试问：（1）两次积分完毕时输出电压分别为多少？）两次积分完毕时输出电压分别为多少？（2）设第一次积分时间为，第二次积分时间为，总积分时间为，问输）设第一次积分

47、时间为，第二次积分时间为，总积分时间为，问输出数字量与哪个时间成正比。出数字量与哪个时间成正比。（3）若）若 ，其中，其中 为参考电压，为参考电压， 为输入电压，则转换过程会为输入电压，则转换过程会产生什么现象？产生什么现象？IREFvVREFVIv解：（1）n位逐次渐近型ADC完成一次转换操作所需要的时间为n+2个时钟周期，因为时钟频率为500kHz， 所以转换时间为 C2 sT ccc(2)(102)1224 sTnTTT如果要求转换时间不得大于10 则 所以要求时钟频率大于1.2MHz。 ssTC1210题题8.8 如果一个如果一个10位逐次渐近型位逐次渐近型ADC的时钟频率为的时钟频率

48、为500kHz，试计算完成一次转，试计算完成一次转 换操作所需要的时间。如果要求转换时间不得大于换操作所需要的时间。如果要求转换时间不得大于10，那么时钟信号频率应选多，那么时钟信号频率应选多少？少？解：（1）第一次积分完毕输出电压为 第二次积分完毕输出电压为 。1I1OI01dTvTvtvCRRC O0v（2）输出数字量与时间T2成正比。（3）若 ，双积分ADC第一次对输入电压 进行定时积分的时间将小于第二次对恒定基准电压 进行定值积分的时间，这样会使计数器在记满时仍达不到第二次积分的时间，会使转换结果错误。 IREFvVIvREFV题题8.10 如果一个如果一个10位双积分型位双积分型ADC的时钟信号频率为的时钟信号频率为1MHz，试计算转换器，试计算转换器的最大转换时间。的最大转换时间。 解：转换所需时间 ，时钟频率是1MHz， ，所以最大转换时间为2.048ms。 1c2nTT6c1 101T s谢谢