數(shù)字電路基礎(chǔ)--ch09模數(shù)及數(shù)模轉(zhuǎn)換器

1、Analog Digital Converter and Digital Analog Converter9.1 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.2 A/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。1、掌握倒、掌握倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器(DAC)、集成、集成D/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器的工作原理及相關(guān)計算。換器的工作原理及相關(guān)計算。2、掌握并行比較、逐次比較、雙積分、掌握并行比較、逐次比較、雙積分A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器(ADC)的工作原理及其特點。的工作原理及其特點。A/DA/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 D/AD/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 模擬模擬 控制器控制器 工業(yè)生產(chǎn)過程控制對象工業(yè)生產(chǎn)過程控制對象 模模 擬擬 傳感器傳感器 ADC和和DA

2、C已成為計算機(jī)系統(tǒng)中不可缺少的接口電路。已成為計算機(jī)系統(tǒng)中不可缺少的接口電路。將溫度、壓力、流將溫度、壓力、流量、應(yīng)力等物理量量、應(yīng)力等物理量轉(zhuǎn)換為模擬電量轉(zhuǎn)換為模擬電量 計算機(jī)進(jìn)行數(shù)字處計算機(jī)進(jìn)行數(shù)字處理（如計算、濾理（如計算、濾波）、保存等波）、保存等用模擬量作為用模擬量作為控制信號控制信號數(shù)字控制數(shù)字控制 計算機(jī)計算機(jī)概述概述9.1 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.1.2 倒倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.1.4 D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式轉(zhuǎn)換器的輸出方式9.1.3 權(quán)電流權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.1.5 D/A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)9.1.6 D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用

3、n n位位數(shù)字量數(shù)字量1. 1. 概述概述DAC9.1 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器模擬量模擬量1 1、數(shù)、數(shù) / / 模轉(zhuǎn)換器模轉(zhuǎn)換器: :A = K D O = K NB NDb424b323b222b121b020 124123022021120將二進(jìn)制數(shù)將二進(jìn)制數(shù)ND(11001)B轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。 數(shù)數(shù)碼碼 寄寄存存器器 n n位位模模擬擬開開關(guān)關(guān) 解解碼碼 網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò) 求求和和 電電路路 基基準(zhǔn)準(zhǔn)電電壓壓 n n位位數(shù)數(shù)字字量量輸輸入入 模模擬擬量量 輸輸出出 DAC的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可以并行輸入也可串行輸入的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可以并行輸入也可串行輸入用存放在數(shù)用存放在數(shù)字寄存器中的字寄存器中的

4、數(shù)字量的各位數(shù)字量的各位數(shù)碼數(shù)碼由輸入數(shù)字由輸入數(shù)字量控制量控制產(chǎn)生權(quán)電流產(chǎn)生權(quán)電流將權(quán)電流相將權(quán)電流相加產(chǎn)生與輸入加產(chǎn)生與輸入成正比的模擬成正比的模擬電壓電壓 i Rf=R vO S0 VREF + S1 S2 S3 + 基基準(zhǔn)準(zhǔn)電電壓壓 電電子子開開關(guān)關(guān) R R /2 R /4 R /8 求求和和電電路路 (LSB) D2 D3 (MSBD0 D1 鎖鎖存存器器 數(shù)數(shù)字字量量輸輸入入 電電阻阻網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò) i0 i1 I2 i2 i3 A 模模擬擬量量輸輸出出 )iiii (R0123O fvRDVi33REF8 RDVi224REF R RD D2V2V1REF 1iRDVi0REF0 ii

5、iODVDDDDV2)2222(3000112233REFREFv，, 按解碼網(wǎng)絡(luò)按解碼網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分類結(jié)構(gòu)分類 T型電阻網(wǎng)絡(luò)型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC倒倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC權(quán)電流權(quán)電流DAC 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC 按模擬電子開按模擬電子開關(guān)電路分類關(guān)電路分類 CMOS開關(guān)型開關(guān)型DAC雙極型開關(guān)型雙極型開關(guān)型DAC 電流開關(guān)型電流開關(guān)型DAC ECL電流開關(guān)型電流開關(guān)型DAC 9.1.2 倒倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 vO Rf +VREF 2R D0 D1 D2 D3 S0 S1 S2 S3 i 2R 2R 2R (LSB) (MSB) 8I 16I 4I 2I I 2R

6、 + R R R I/16 I/8 I/4 I/2 Di=0, Si則將電阻則將電阻2R接地接地Di=1, Si接運算放大器反相端，電流接運算放大器反相端，電流Ii流入求和電路流入求和電路 電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò)模擬電子開關(guān)模擬電子開關(guān)求和運算放大器求和運算放大器輸輸出出模模擬擬電電壓壓輸入輸入4位二進(jìn)制數(shù)位二進(jìn)制數(shù)根據(jù)運放線性運用時虛地的概念可知，無論模擬開關(guān)根據(jù)運放線性運用時虛地的概念可知，無論模擬開關(guān)Si處于處于何種位置，與何種位置，與Si相連的相連的2R電阻將接電阻將接“地地” 或虛地?；蛱摰?。 1、4位倒位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓D/A轉(zhuǎn)換器的倒轉(zhuǎn)換器的倒

7、T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)電源基準(zhǔn)電源VREF提供的總電流為：提供的總電流為：I =？流過各開關(guān)支路的電流：流過各開關(guān)支路的電流：I3 =？I2 =？ I1 =？ I0 =？ 2R 2R 2R 2R 2R R R R VREF I A B C D A B C D RVIREF I/4I/8I/16RRRRI/2I/4I/8I/16I/2I3I2I1I0流入每個流入每個2R電阻的電流從高位到低位按電阻的電流從高位到低位按2的整數(shù)倍遞減。的整數(shù)倍遞減。I3= VREF / 2RI2= VREF / 4RI1= VREF / 8R I0= VREF /16 R流入運放的總電流：流入運放的總電流： i

8、 I0 + I1 + I2 + I3)2D2D2D2D(RV13223140 REF輸出模擬電壓：輸出模擬電壓： 10i)2D(RR2VniifnREFO 30i4)2D(2VRRRiiiREFffO (LSB) D2 D3 (MSB) i Rf O D0 D1 S0 S1 S2 S3 2R 2R 2R 2R 2R 8I 16I 4I 2I R R R I +VREF + 8I 16I 4I 2I 4 4 位倒位倒T T形電阻形電阻網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)DAC的輸出模擬電壓：的輸出模擬電壓： Ofi R 3ifREFi40(2 )2iRVDR n 位倒位倒T T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC有：有： n 1iR

9、EFfOin0(2 )2iVRDR REFfn,2VRKR令：令：n 1iBi0(2 )iND則則 O = K NB 在電路中輸入的每一個在電路中輸入的每一個二進(jìn)制數(shù)二進(jìn)制數(shù)NB，均能得到與之成正比的，均能得到與之成正比的模擬電壓輸出。模擬電壓輸出。 AD7533D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 D2 D7 O D0 D1 2R 2R 2R 2R R R D8 D9 R R R 2R 2R 2R + R IOUT1 IOUT2 VREF AD7520 RF 10K 10K 20K 使用使用:1):1)要外接運放，要外接運放， 2)2)運放的反饋電阻可使用內(nèi)部電阻運放的反饋電阻可使用內(nèi)部電阻 ， 也可采用外接

10、電阻也可采用外接電阻）2.2.集成集成D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器10位位CMOS電流開關(guān)型電流開關(guān)型D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 9iREFfOi100(2 )2iVRDR 關(guān)于關(guān)于D/A轉(zhuǎn)換器精度的討論轉(zhuǎn)換器精度的討論(1)基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定性好；基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定性好；(2) 倒倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)中形電阻網(wǎng)絡(luò)中R和和2R電阻比值的精度要高；電阻比值的精度要高；(4)為實現(xiàn)電流從高位到低位按為實現(xiàn)電流從高位到低位按2的整數(shù)倍遞減，模擬開關(guān)的整數(shù)倍遞減，模擬開關(guān) 的導(dǎo)通電阻也相應(yīng)地按的導(dǎo)通電阻也相應(yīng)地按2的整數(shù)倍遞增。的整數(shù)倍遞增。為進(jìn)一步提高為進(jìn)一步提高D/A轉(zhuǎn)換器的精度，可采用權(quán)電流型轉(zhuǎn)換器的精度，可采用權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換

11、器。轉(zhuǎn)換器。 n 1iREFfOin0(2 )2iVRDR 為提高為提高D/A轉(zhuǎn)換器的精度，對電路參數(shù)的要求：轉(zhuǎn)換器的精度，對電路參數(shù)的要求： (3) 每個模擬開關(guān)的開關(guān)電壓降要相等每個模擬開關(guān)的開關(guān)電壓降要相等Di =1時，開關(guān)時，開關(guān)S Si i接運放的反相端接運放的反相端; ; Di= 0時，開關(guān)時，開關(guān)S Si i接地接地。 9.1.3 權(quán)電流權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 (LSB) D2 D3 (MSB) i Rf O D0 D1 S0 S1 S2 S3 8I 16I 4I 2I VREF + 1. 4位權(quán)電流位權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器在恒流源電路中，各支路權(quán)電流的大小均不受開關(guān)導(dǎo)通電阻

12、和壓在恒流源電路中，各支路權(quán)電流的大小均不受開關(guān)導(dǎo)通電阻和壓降的影響，這樣降低了對開關(guān)電路的要求，提高了轉(zhuǎn)換精度。降的影響，這樣降低了對開關(guān)電路的要求，提高了轉(zhuǎn)換精度。)16842(0123ffODIDIDIDIRRi)2D2D2D2D(R2I001122334 f 30ii42DR2Iif (LSB) D2 D3 (MSB) i Rf O D0 D1 S0 S1 S2 S3 8I 16I 4I 2I VREF + (MSB) D1 D0 (LSB) i Rf O D3 D2 S3 S2 S1 S0 8I 16I 4I 2I VREF + A1 R1 + A2 IBB IEC IEO IE1

13、IE2 IE3 IREF Tr T3 T2 T1 T0 TC R 2R 2R 2R 2R 2R R R R VEE I = IREF =1RREFV 偏偏 置置 電電 流流 16I 實際的權(quán)電流實際的權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器電路轉(zhuǎn)換器電路REF32O32401110(222)22ffR Vi RDDRDD電壓恒定電壓恒定各各BJT的的 發(fā)射發(fā)射結(jié)電壓相等結(jié)電壓相等基準(zhǔn)電流產(chǎn)生電路基準(zhǔn)電流產(chǎn)生電路+ + +- -9.1.4 D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式轉(zhuǎn)換器的輸出方式 256255REFV 256129REFV 256128REFV 256127REFV 2561REFV 2560REFV8位位D/A轉(zhuǎn)換器

14、在雙極性輸出時的輸入轉(zhuǎn)換器在雙極性輸出時的輸入/輸出關(guān)系輸出關(guān)系000000001000000011111110000000011000000111111111模擬模擬量量 數(shù)字量數(shù)字量MSB LSB 25622221BREFREFREF8REFBREF1ONVVVVNV )( D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 2R1 O VREF 1 R=Rf R1 R1 + + A1 A2 NB 8 位位倒倒 T 形形電電阻阻 網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò) D/A 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器 i 1 分辨率：其定義為分辨率：其定義為D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級數(shù)。級數(shù)。n位位DAC

15、最多有最多有2n個模擬輸出電壓。位數(shù)越多個模擬輸出電壓。位數(shù)越多D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器的分辨率越高。器的分辨率越高。 分辨率也可以用能分辨的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比分辨率也可以用能分辨的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比給出。給出。n位位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率可表示為轉(zhuǎn)換器的分辨率可表示為121n1、分辨率、分辨率(1) 數(shù)字式可編程增益控制電路數(shù)字式可編程增益控制電路 D2 D7 O D0 D1 2R 2R 2R 2R R R R D8 D9 R R R I 2R 2R 2R - + RF IOUT1 IOUT2 VREF D2 D7 OD0 D1 2R 2R 2R 2R R R R D8 D9

16、R R R I2R 2R 2R - + RF IOUT1 IOUT2 VREF O - + R IOUT2I IOUT1 倒倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)RDDDvRvOI109911002/ )2.22(/OVIA)2.22/(299110010DDDIout1out1 I0 0 + I1 1 + I2 2 + I9 9RDDDVREF109911002/ )2.22(1OUTIIR/v 根據(jù)虛斷有根據(jù)虛斷有:REFOV (2) 脈沖波產(chǎn)生電路脈沖波產(chǎn)生電路 vO Q0 Q1 Q2 Q3 CP D0 D1 D2 D3 10V & CR CEP CET PE 1 74LS163 + A Rf

17、 IOUT1 IOUT2 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 VREF AD7520 19.5 39.1 58.5 78 97.5 117 136.5 156 175.5 vO /mV D 140 100 60 20 0000 t CP 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 0000 74163具同步清零功能具同步清零功能74163和與非門構(gòu)成十進(jìn)制計數(shù)器：和與非門構(gòu)成十進(jìn)制計數(shù)器：000010019.3 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器9.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器的基本原理轉(zhuǎn)換器的基本原理1 A /D 轉(zhuǎn) 換 器 的 基 本 原 理d

18、n-1d1d0數(shù)字量輸出(n位)ADC的數(shù)字化編碼電路 CPS SCADC采樣-保持電路采樣展寬信號輸入模擬電壓ui(t)us(t)模擬電子開關(guān)S在采樣脈沖CPS的控制下重復(fù)接通、斷開的過程。S接通時，ui(t)對C充電，為采樣過程；S斷開時，C上的電壓保持不變，為保持過程。在保持過程中，采樣的模擬電壓經(jīng)數(shù)字化編碼電路轉(zhuǎn)換成一組n位的二進(jìn)制數(shù)輸出。2 采 樣 - 保 持 電 路+uiuoCHSA1A2uCuo, uiuoui0(a) 電路圖(b) 波形圖 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11t采樣脈沖（fS）開關(guān)驅(qū)動電路t0時刻S閉合，CH被迅速充電，電路

19、處于采樣階段。由于兩個放大器的增益都為1，因此這一階段uo跟隨ui變化，即uoui。t1時刻采樣階段結(jié)束，S斷開，電路處于保持階段。若A2的輸入阻抗為無窮大，S為理想開關(guān)，則CH沒有放電回路，兩端保持充電時的最終電壓值不變，從而保證電路輸出端的電壓uo維持不變。3 A /D 轉(zhuǎn) 換 器 的 主 要 技 術(shù) 指 標(biāo)（1）分辨率A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率用輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示，位數(shù)越多，誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高。例如，輸入模擬電壓的變化范圍為05V，輸出8位二進(jìn)制數(shù)可以分辨的最小模擬電壓為5V2820mV；而輸出12位二進(jìn)制數(shù)可以分辨的最小模擬電壓為5V2121.22mV。（2）相對精度在理想情況下，所

20、有的轉(zhuǎn)換點應(yīng)當(dāng)在一條直線上。相對精度是指實際的各個轉(zhuǎn)換點偏離理想特性的誤差。（3）轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度是指完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間。轉(zhuǎn)換時間是指從接到轉(zhuǎn)換控制信號開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字輸出信號所經(jīng)過的這段時間。0uiVREF/15時，7個比較器輸出全為0，CP到來后，7個觸發(fā)器都置0。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進(jìn)制代碼為d2d1d0000。VREF/15ui3VREF/15時，7個比較器中只有C1輸出為1，CP到來后，只有觸發(fā)器FF1置1，其余觸發(fā)器仍為0。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進(jìn)制代碼為d2d1d0=001。 + C6 + C7 + C5 + C4 + C3 + C2 + C1 1D C1 1D

21、 C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 & & & & & & VREF i d2 d1 d0 Q4 Q4 Q7 Q6 Q5 Q3 Q2 Q2 Q1 RR/2 R R R R R R CP 比較器 寄存器 編碼器 FF7 FF6 FF5 FF4 FF3 FF2 FF1 9.3.2 A/D轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成1 并 聯(lián) 比 較 型 A /D 轉(zhuǎn) 換 器 + C6 + C7 + C5 + C4 + C3 + C2 + C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 &

22、& & & & & VREF ui d2 d1 d0 Q4 Q4 Q7 Q6 Q5 Q3 Q2 Q2 Q1 R R/2 R R R R R R CP 比較器 寄存器 編碼器 FF7 FF6 FF5 FF4 FF3 FF2 FF1 3VREF/15 ui5VREF/15時，比較器C1、C2輸出為1，CP到來后，觸發(fā)器FF1、FF2置1。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進(jìn)制代碼為d2d1d0010。5VREF/15ui7VREF/15時，比較器C1、 C2、 C3輸出為1，CP到來后，觸發(fā)器FF1、 FF2、 FF3置1。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進(jìn)制代碼為d2d1d0=

23、011。依此類推，可以列出ui為不同等級時寄存器的狀態(tài)及相應(yīng)的輸出二進(jìn)制數(shù)。2 逐 次 逼 近 型 A /D 轉(zhuǎn) 換 器輸出數(shù)字量輸入模擬電壓uoui順序脈沖發(fā)生器逐次逼近寄存器D/A轉(zhuǎn)換器電壓比較器轉(zhuǎn)換開始前先將所有寄存器清零。開始轉(zhuǎn)換以后，時鐘脈沖首先將寄存器最高位置成1，使輸出數(shù)字為1000。這個數(shù)碼被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓uo，送到比較器中與ui進(jìn)行比較。若uiuo，說明數(shù)字過大了，故將最高位的1清除；若uiuo，說明數(shù)字還不夠大，應(yīng)將這一位保留。然后，再按同樣的方式將次高位置成1，并且經(jīng)過比較以后確定這個1是否應(yīng)該保留。這樣逐位比較下去，一直到最低位為止。比較完畢后，寄存器

24、中的狀態(tài)就是所要求的數(shù)字量輸出。 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 ui 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 & & & 1 1 FF1 FF2 FF3 FF4 FF5 & & & uo CP + C uc d2(22) d1(21) d0(20) FFA Q FFB Q FFC G1 G2 G3 G4 G5 Q G6 G7 G8 =1(ui0)uodn-1 dn-2 d0+TCCO=：對輸入模擬電壓和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行兩次積分，先對輸入模擬電壓進(jìn)行積分，將其變換成與輸入模擬電壓成正比的時間間隔T1，再利用計數(shù)器測出此時間間隔，則計數(shù)器所計的數(shù)字量就正比于輸入的模擬電壓；接著對基準(zhǔn)電壓進(jìn)行同樣的處理。邏輯控制門定時器n 位二進(jìn)制計數(shù)器&輸入模擬電壓基準(zhǔn)電壓積分器比較器時鐘輸入控制門 Gn 位二進(jìn)制數(shù)字輸出uiVREFS1S2RCCPCO=1(uo0)=0(u