数字电子技术第7章课件.ppt

1、模数转换：模数转换：将模拟信号转换为数字信号，相应的电路叫将模拟信号转换为数字信号，相应的电路叫A/D转转换换 器，简称器，简称ADC；数模转换：数模转换：将数字信号转换为模拟信号，相应的电路叫将数字信号转换为模拟信号，相应的电路叫D/A转换转换器，简称器，简称DAC。参量参量/电压电压转换转换被测参量被测参量模拟量模拟量 A/D转换器转换器数字量数字量数字电子数字电子 计算机计算机数字量数字量 D/A转换器转换器模拟量模拟量 被控制被控制 对象对象数字控制系统框图数字控制系统框图7.1 D/A转换器转换器 DAC输输入入字字量量DDn-1Dn-2D1D0i001 010 011 100 10

2、1 110 11176543210U0或或I0 UmULSBD图图7-1 D/A转换器的框图转换器的框图 图图7-2输入输入3位二进制数的位二进制数的D/A转换特性转换特性 7.1.1 D/A转换器及其主要参数转换器及其主要参数 D=d n-12 n-1+d n-22 n-2+d121+d020 （7-1）A=KD=K（d n-12 n-1+d n-22 n-2+d121+d020）=1n0idKi2i 2.主要技术指标主要技术指标（1）分辨率）分辨率 电路所能分辨的最小输出电压ULSB（输入的数字代码最低有效位为1，其余各位都为0）与满刻度输出电压Um（输入的数字代码的各位均为1）之比，即

3、分辨率=LSB112nmUU10231121100.0009781 n=10的的D/A转换器的分辨率为转换器的分辨率为 Um=10V，n=10时，时，LSBm10112UU10V110mV（2）绝对误差和非线性度）绝对误差和非线性度 绝对误差是指输入端加对应满刻度的数字量时，D/A转换器输出的理论值与实际值之差，一般来说，绝对误差应低于ULSB/2。其影响因素主要有电子开关导通的电压降，电阻网络阻值偏差、参考电压偏离、集成运放漂移产生的误差。在满刻度范围内偏离转换特性的最大值称为非线性误差。它与满刻度之比称为非线性度，常用百分比来表示。（3）转换时间）转换时间 从数码输入到模拟电压或电流稳定输

4、出之间的响应时间称为转换速度。当转换器的输入变化为满度值（输入由全0变为全1或由全1变为全0）时，其输出达到稳定值所需的时间为转换时间，也称建立时间或稳定时间。根据电阻网络的不同，可以构成多种D/A转换电路，如权电阻网络型、T形电阻网络型、倒T形电阻网络型和权电流型等。D/A转换器通常由电阻网络、模拟开关、求和运算放大器和基准电压源等部分组成。组成组成分类分类7.1.2 权电流型权电流型D/A转换器转换器 uORF i=3210234()2222FIIIIRdddd=3210FF10443210()()222222IIRRDddddDDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+AuOi

5、FI24I8I16IUREFD+DAC0808 8位权电流型位权电流型D/A转换器，其中转换器，其中D0D7是数字量是数字量输入端。输入端。使用使用时，需要外接运算放大器和产生基准电流用的时，需要外接运算放大器和产生基准电流用的电阻电阻R1。当当VREF=10V、R1=5k、RF=5k时，时，输出电压为：输出电压为：77O88001102222fREFiiiiiiR UuDDR56789101112DDDDDDDD01234567vUO5k5k5kREFU0.01F13CCV=+5VEEV=-15V数字量输入数字量输入模拟量输出模拟量输出DAC0808LSBMSB141524163RF1R2R

6、A-+d0 d1 d2 d32R 2R 2R 2R 2RR R R IUREFI/2S0 S1 S2 S3I/16(LSB)(MSB)i1R=RFAU0_+图图7-4 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器的原理电路图转换器的原理电路图7.1.3 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器 I/16I/8I/I/I32433210 1002121111248162222()()REFiURIdddddddd uO=-i IR=321043210()22222REFUdddduO=12101210()22222nnREFnnnUdddd2.集成集成D/A转换器转换器 2RR2R2R2RRR2R

7、2R2RRR10 k20 k10 kRfRFIOUT1IOUT2VREFD0D1D2D7D8D9图7-AD7520内部逻辑结构图123456714131211109IOUT1IOUT2GNDD9D8D7D6VD0D1D2D3D48D515VREF16RFAD7520外引线图外引线图 单极性输出数模转换应用电路单极性输出数模转换应用电路 AD7520RFIOUTIOUTVREFD9D0uOVD0D9：数据输入端：数据输入端IOUT1：电流输出端：电流输出端1IOUT2：电流输出端：电流输出端2Rf：10K反馈电阻引出端反馈电阻引出端VCC：电源输入端：电源输入端UREF：基准电压输入端：基准电压

8、输入端GND：地。：地。d0=1时时RUEREFE42 3210（d3 2+d2 2+d1 2+d0 2）UUREFoE4332 3210（d3 2+d2 2+d1 2+d0 2）URuUR2RuO3R接 支 路 电 阻 2 RVDDV6V4CV8V901V7V5V1V2V3V11D1V10BA7.1.4 模拟电子开关模拟电子开关 1例例7-1 已知已知n位倒位倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器（转换器（DAC）中的）中的RF=R，UREF=12V，试分别求出，试分别求出4位和位和8位倒位倒T形电阻网络形电阻网络DAC的最小输出的最小输出电压电压ULSB，并说明这种，并说明这种DAC的的UL

9、SB与位数与位数n的关系。的关系。解：解：4位倒位倒T形电阻网络形电阻网络DAC的最小输出电压的最小输出电压ULSB=040.7522REFFRUVR0REF80.04722FRUVR8位倒位倒T形电阻网络形电阻网络DAC的最小输出电压的最小输出电压ULSB=T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器例例7-2例例7-3 用用AD7520设计一个单极型设计一个单极型D/A转换电路，要求电压输转换电路，要求电压输出范围为出范围为0+5V。解：解：AD7520连接成单极型连接成单极型D/A转换电路，如图转换电路，如图7-10所示。因所示。因为为AD7520是是10位位CMOS倒倒T形电阻网络形电阻网

10、络DAC，所以不需要设计，所以不需要设计电平偏移电路，只需外接运放、电平偏移电路，只需外接运放、VDD=+5V和和UREF=-5V即可。即可。注意：图中注意：图中“#/”是是DAC的限定符；图中的限定符；图中1k可调电位器用于增大可调电位器用于增大放大倍数。放大倍数。d9d3d2d8d7d6d5d4d1VSS#/VDDUREFRFBI02I011k+5V 5V+-AD75200+5V7.2模数（模数（A/D）转换器）转换器 直接直接ADC：将输入模拟电压直接转换为输出的数字量的转换方式。将输入模拟电压直接转换为输出的数字量的转换方式。间接间接ADC：先将输入模拟电压转换成与之正比的中间变量（如

11、时间先将输入模拟电压转换成与之正比的中间变量（如时间宽度、频率等），然后再将中间变量转换成与之成正比的宽度、频率等），然后再将中间变量转换成与之成正比的数字信号。数字信号。直接直接ADCADC 间接间接ADC并联比较型并联比较型 *反馈比较型反馈比较型 计数型计数型 逐次逼进型逐次逼进型*双积分型（即双积分型（即V-TV-T变换型）变换型）*V-FV-F变换型变换型 采样信号取样频率取样频率f fS S必须大于等于输入模拟信号包含的最高频率必须大于等于输入模拟信号包含的最高频率f fmaxmax的两倍，的两倍，即：即：max2 ffs7.2.1 A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程 1.

12、取样与保持取样与保持 TG模拟信号+-uO+-uI开关驱动开关驱动SCHA1A2t0t1t2t3t4t5t60uOuItuOuI 图图7-12 取样取样-保持电路保持电路 2.量化与编码量化与编码 将采样电压转化为数字量最小数量单位的整数将采样电压转化为数字量最小数量单位的整数倍的过程倍的过程量化量化将量化结果用代码表示出来将量化结果用代码表示出来编码编码dn-1d1d0数字量输出(n位)ADC的数字化编码电路 CPS SCADC采样-保持电路采样展宽信号输入模拟电压ui(t)us(t)由于模拟量不一定能被由于模拟量不一定能被 整除整除量化误差量化误差 例如：要将例如：要将0 8V的模拟电压转

13、换为三位二进制代码的模拟电压转换为三位二进制代码方法一：取方法一：取 1V1V，0 0 1V 1V 的电压以的电压以0 0 表示，则表示，则模拟电压模拟电压 二进制编码二进制编码代表的模拟电压电平代表的模拟电压电平0V1 V2V3 V4 V5 V6 V7 V8V0000010100111001011101110 0V 1 1V2 2V3 3V4 4V5 5V6 6V7 7V可见量化误差最大达可见量化误差最大达=1V1V方法二：取方法二：取 8/15 V8/15 V，0 0 8/15 V 8/15 V 的电压以的电压以0 0 表示，则表示，则模拟电压模拟电压二进制编码二进制编码0V8/15 V2

14、4/15 V39/15 V54/15 V69/15 V83/15 V107/15 V8V000001010011100101110111可见量化误差最大达可见量化误差最大达/2=/2=1/15 V1/15 VCCCCCCC4CCCCO4CCCRRRRRRRR/2UREFVREFREFVVREFVREF15151515131131dQQC11D1D码码Qd(MSB)编编1DQ先先2QQQ1D1D优优C1器器C11D01D(LSB)C11C1C1C1dICP电压比较器电压比较器寄存器寄存器代码转换器代码转换器O7O1O2O6O5O31762531234567IIIIIII7654321U7.2.2

15、 并行比较型并行比较型A/D转换转换 图图7-13 3位并行比较型位并行比较型ADC 表表7-1 并行比较型并行比较型A/D转换器输入转换器输入/输出对照表输出对照表输入模拟电压输入模拟电压寄存器状态寄存器状态数字量输出数字量输出D2 D1 D0Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1（01/15）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（13/15 1）VREF0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 1 10

16、 0 0 0 1 1 10 0 0 1 1 1 10 0 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 10 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1取取样样保保持持电电路路5位位并行并行比较比较A/D转换转换器器5位位D/A转换转换器器5位位并行并行比较比较A/D转换转换器器32+_ D9 D8 D7 D6 D5 D4D3D2D1D0UIUREF图图7-14 10位位ADC的分级并行转换原理的分级并行转换原理 7.2.3 逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器转换器 转换原理：转换原理：Gd3g3+d2g2+d1g1+d0g0di1 有效有

17、效0 无效无效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：转换开始前先将所有寄存器清零。转换开始前先将所有寄存器清零。开始转换以后，时钟脉冲首先将寄存器最高位置成开始转换以后，时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1，使输出，使输出数字为数字为1000。这个数码被。这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压转换器转换成相应的模拟电压uo，送到比较器中与送到比较器中与ui进行比较。进行比较。若若uiuo，说明数字过大了，故将最高位的，说明数字过大了，故将最高位的1清除；清除；若若ui uo，说明数字还不够大，应将这一位保留。然后，再说明数字还不够大，应将这一位保留。然后，再按

18、同样的方式将次高位置成按同样的方式将次高位置成1，并且经过比较以后确定这个，并且经过比较以后确定这个1是否是否应该保留。应该保留。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。比较完毕后，寄存这样逐位比较下去，一直到最低位为止。比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。器中的状态就是所要求的数字量输出。输出数字量输入模拟电压uoui顺序脉冲发生器逐次逼近寄存器D/A转换器电压比较器R1DR1DR1DR1DS1DC1C1C1C1C1&1SC11RR1SC11RR1SC1R1R=1&=1&3位位D/A转转换换器器1ENCP ULF1F2F3F4F5uCQAQBQCuIu0+-+1EN1ENd2d1d

19、0Q1Q2Q3Q4Q5FAFBFC图图7-16 3位逐次逼近型位逐次逼近型A/D转换器转换器例例7-4 在图在图7-16所示电路结构的逐次逼近型所示电路结构的逐次逼近型ADC中，若中，若n=8，且，且已知时钟脉冲频率为已知时钟脉冲频率为1MHz，试问完成一次转换所需的时间是多少，试问完成一次转换所需的时间是多少？如要求该？如要求该8位逐次逼近型位逐次逼近型ADC完成一次转换的时间小于完成一次转换的时间小于100s，问时钟频率应选多大？问时钟频率应选多大？解：解：由上述分析推知，由上述分析推知，n位逐次逼近型位逐次逼近型ADC完成一次转换所需的完成一次转换所需的时间为时间为 T=（n+2）TCP

20、 （TCP为时钟脉冲为时钟脉冲CP的周期）的周期）根据题意，已知根据题意，已知n=8，TCP=1s，代入上式得，代入上式得T=10s如要求完成一次转换的时间如要求完成一次转换的时间T100s，即，即TCP10100s解此不等式得解此不等式得 TCP0.1MHz。7.2.4 双积分型双积分型A/D转换器转换器C1nFFR1J1KC1n-1FFR1J1KC11FFR1J1KC10FFR1J1K1111ACRCvOvCTCS2n级计数器DDDn-110.MSBLSB数字量输出Qn-1Q1Q0QnCR+A1ISVvREFSVB1CP&vG：对输入模拟电压和基准电压进行两次积分，先对输入模对输入模拟电压

21、和基准电压进行两次积分，先对输入模拟电压进行积分，将其变换成与输入模拟电压成正比的时间间隔拟电压进行积分，将其变换成与输入模拟电压成正比的时间间隔T1，再利用计数器测出此时间间隔，则计数器所计的数字量就正比于输入再利用计数器测出此时间间隔，则计数器所计的数字量就正比于输入的模拟电压；接着对基准电压进行同样的处理。的模拟电压；接着对基准电压进行同样的处理。ooooTT12ttttT1T2vs1ovGvc+IvREFU12ott1t2vQn(a)(b)(c)(d)(e)UP=-RCT1Ui=-RCTCUI2nUPUPuo=-RC1（UREF）t2t1dtCPREF2I2nTUTUCP2ICPREF

22、2nTTUTU2ICPREF2nTUTUOI01 tuu dn1CP2tTT7.2.5 A/D转换器的主要参数转换器的主要参数1 1、分辨率、分辨率 A/DA/D转换器对输入信号的分辨能力。一般以输出二进制（或十转换器对输入信号的分辨能力。一般以输出二进制（或十进制）数的位数表示。因为，在最大输入电压一定时，输出位数愈进制）数的位数表示。因为，在最大输入电压一定时，输出位数愈多，量化单位愈小，分辨率愈高。多，量化单位愈小，分辨率愈高。2 2、转换误差、转换误差A/DA/D转换器实际输出数字量与理论输出数字量之间的最大差值。转换器实际输出数字量与理论输出数字量之间的最大差值。3 3、转换时间、转

23、换时间 A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经历的时间。信号所经历的时间。450014501.0409612112例例7-5 某信号采集系统要求用一片某信号采集系统要求用一片A/D转换集成芯片在转换集成芯片在1秒（秒（s）内对内对16个热电偶的输出电压分时进行个热电偶的输出电压分时进行A/D转换。已知热电偶输出转换。已知热电偶输出电压范围为电压范围为00.025V（对应于（对应于0450温度范围），需要分辨的温温度范围），需要分辨的温度为度为0.1，试问应选择多少位的，试问应选择多少位的A/D转换器，其转换时间为多

24、少转换器，其转换时间为多少?解解:对于从对于从0450温度范围，信号电压为温度范围，信号电压为00.025V，分辨温度，分辨温度为为0.1的要求，这相当于的要求，这相当于的分辨率。的分辨率。故需选用故需选用13位的位的A/D转换器。转换器。系统的取样速率为每秒系统的取样速率为每秒16次，取样时间为次，取样时间为62.5ms。对于这。对于这样慢速的取样，任何一种样慢速的取样，任何一种A/D转换器都可达到，故选用带有取转换器都可达到，故选用带有取样样-保持（保持（S/H）的逐次逼近型）的逐次逼近型A/D转换器或不带转换器或不带S/H的双积分的双积分式式A/D转换器均可。转换器均可。12位位A/D转换器的分辨率为转换器的分辨率为