數(shù)字電路基礎(chǔ)AD和DA分解課件

1、Analog Digital Converter and Digital Analog Converter9.1 D/A轉(zhuǎn)換器9.2 A/D轉(zhuǎn)換器9 模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器3、正確理解D/A、A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)。1、掌握倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器(DAC)、集成D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理及相關(guān)計算。2、掌握并行比較、逐次比較的ADC工作原理及其特點。教學(xué)基本要求A/D 轉(zhuǎn)換器 D/A 轉(zhuǎn)換器 模擬 控制器 工業(yè)生產(chǎn)過程控制對象 模擬 傳感器 ADC和DAC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、流量、應(yīng)力等物理量轉(zhuǎn)換為模擬電量。計算機(jī)進(jìn)行數(shù)字處理（如計算、濾波）、保存等用模擬量作為控制信

2、號數(shù)字控制 計算機(jī)概述9.1 D/A轉(zhuǎn)換器9.1.1 D/A轉(zhuǎn)換的基本原理9.1.2 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器9.1.4 D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式9.1.3 權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器9.1.5 D/A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)9.1.6 D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為與之成正比模擬量 。n位數(shù)字量1. 概述DAC9.1 D/A轉(zhuǎn)換器模擬量數(shù) / 模轉(zhuǎn)換器:A = K DO = K NB 數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合而成的， 對于有權(quán)碼，每位代碼都有一定的權(quán)值，如能將每一位代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量， 然后，將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字量成正比的模擬量， 從而實現(xiàn)數(shù)字量-模擬量的轉(zhuǎn)換。 實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換

3、的基本思想 NDb424b323b222b121b020 124123022021120將二進(jìn)制數(shù)ND(11001)B轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。9.1.1 D/A轉(zhuǎn)換的基本原理 D/A轉(zhuǎn)換器的組成:DAC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)字寄存器中的數(shù)字量的各位數(shù)碼由輸入數(shù)字量控制產(chǎn)生權(quán)電流將權(quán)電流相加產(chǎn)生與輸入成正比的模擬電壓 實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的原理電路, D/A轉(zhuǎn)換器的分類:按解碼網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分類 T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC權(quán)電流DAC 按模擬電子開關(guān)電路分類 CMOS開關(guān)型DAC雙極型開關(guān)型DAC 電流開關(guān)型DAC ECL電流開關(guān)型DAC D/A 轉(zhuǎn)換器9.1.2 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D

4、/A轉(zhuǎn)換器Di=0, Si則將電阻2R接地Di=1, Si接運算放大器反相端，電流Ii流入求和電路 電阻網(wǎng)絡(luò)模擬電子開關(guān)求和運算放大器輸出模擬電壓輸入4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)Si處于何種位置，與Si相連的2R電阻將接“地” 或虛地。 1、4位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)電壓 電阻網(wǎng)絡(luò) 模擬電子開關(guān) 求和運算放大器D/A轉(zhuǎn)換器的倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)電源VREF提供的總電流為：I =？流過各開關(guān)支路的電流：I3 =？I2 =？ I1 =？ I0 =？I/4I/8I/16RRRRI/2I/4I/8I/16I/2I3I2I1I0流入每個2R電阻的電流從高位到低位按2的

5、整數(shù)倍遞減。I3= VREF / 2RI2= VREF / 4RI1= VREF / 8RI0= VREF /16 R流入運放的總電流： i I0 + I1 + I2 + I3輸出模擬電壓： 4位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC的輸出模擬電壓： n 位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC有： 令：則O = K NB 在電路中輸入的每一個二進(jìn)制數(shù)NB，均能得到與之成正比的模擬電壓輸出。 AD7533D/A轉(zhuǎn)換器使用:1)要外接運放； 2)運放的反饋電阻可使用內(nèi)部電阻 ， 也可采用外接電阻2.集成D/A轉(zhuǎn)換器10位CMOS電流開關(guān)型D/A轉(zhuǎn)換器 VREF=-10V關(guān)于D/A轉(zhuǎn)換器精度的討論(1) 基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定性好；(2) 倒

6、T形電阻網(wǎng)絡(luò)中R和2R電阻比值的精度要高；(4) 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)的導(dǎo)通電阻也相應(yīng)地按2的整數(shù)倍遞增。為進(jìn)一步提高D/A轉(zhuǎn)換器的精度，可采用權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器。 為提高D/A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；9.1.3 權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器1. 4位權(quán)電流D/A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。實際的權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器電路電壓恒定各BJT的 發(fā)射結(jié)電壓相等基準(zhǔn)電流產(chǎn)生電路+-權(quán)電流DAC的優(yōu)點：輸出電壓僅與VREF和電阻R1有關(guān)，與三極管、R

7、、2R無關(guān)，對電路集成有利。9.1.4 D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式8位D/A轉(zhuǎn)換器在單極性輸出時的輸入/輸出關(guān)系000000001000000011111110000000011000000111111111模擬量 數(shù)字量MSB LSB常用雙極性編碼2的補碼與偏移二進(jìn)制碼高位相反偏移二進(jìn)制碼與單極性的相同，模擬量不同。 9.1.5 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)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級數(shù)。n位DAC最多有2n個模擬輸出電壓。位數(shù)越多D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率越高。 1、分辨率2、轉(zhuǎn)換精度：轉(zhuǎn)換精度是指對給定的數(shù)字量，D/A轉(zhuǎn)換器實際值與理論值之間的最大偏差。產(chǎn)生原因：由于D/

8、A轉(zhuǎn)換器中各元件參數(shù)值存在誤差，如基準(zhǔn)電壓不夠穩(wěn)定或運算放大器的零漂等各種因素的影響。幾種轉(zhuǎn)換誤差：有如比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差和非線性誤差等。9.1.6 集成D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用(1) 數(shù)字式可編程增益控制電路 D2 D7 uO D0 D1 2R 2R 2R 2R R R R D8 D9 R R R uI 2R 2R 2R - + RF IOUT1 IOUT2 VREF D2 D7 uOD0 D1 2R 2R 2R 2R R R R D8 D9 R R R uI2R 2R 2R - + RF IOUT1 IOUT2 VREF uO - + R uIOUT2I IOUT1 倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)OVIAu

9、u=Iout1 I0 + I1 + I2 + I9根據(jù)虛斷有:(2) 脈沖波產(chǎn)生電路74163具同步清零功能74163和與非門構(gòu)成十進(jìn)制計數(shù)器：00001001AD7533D/A轉(zhuǎn)換器10位CMOS電流開關(guān)型D/A轉(zhuǎn)換器 9.2.6 集成A/D轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用9.2 A/D 轉(zhuǎn)換器9.2.1 A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程9.2.2 并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器9.2.3 逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器9.2.4 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器（了解）9.2.5 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)概述ADCDnD0輸出數(shù)字量輸入模擬電壓能將模擬電壓成正比地轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字量。1. A/D功能:9.2 A/D 轉(zhuǎn)換器取樣時間上離散的信

10、號保持、量化量值上也離散的信號編碼模擬信號時間上和量值上都連續(xù)數(shù)字信號時間上和量值上都離散9.2.1 A/D轉(zhuǎn)換的一般工作過程 A/D轉(zhuǎn)換器一般要包括取樣， 保持，量化及編碼4個過程。1. 取樣（采樣）與保持 采樣是將隨時間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為在時間離散的模擬量。 采樣信號S(t)的頻率愈高，所采得信號經(jīng)低通濾波器后愈能真實地復(fù)現(xiàn)輸入信號。合理的采樣頻率由采樣定理確定。 采樣定理：設(shè)采樣信號S(t)的頻率為fs，輸入模擬信號I(t)的最高頻率分量的頻率為fimax，則 fs 2fimaxS(t)=1:開關(guān)閉合S(t)=0:開關(guān)斷開采得模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號都需要一定時間，為了給后續(xù)的量化編碼

11、過程提供一個穩(wěn)定的值，在取樣電路后要求將所采樣的模擬信號保持一段時間。采樣保持取樣與保持電路及工作原理：2. 量化與編碼數(shù)字信號在數(shù)值上是離散的。采樣保持電路的輸出電壓還需按某種近似方式歸一化到與之相應(yīng)的離散電平上，任何數(shù)字量只能是某個最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。量化后的數(shù)值最后還需通過編碼過程用一個代碼表示出來。經(jīng)編碼后得到的代碼就是A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量。 量化（歸一，小數(shù)變整數(shù)）3.編碼在量化過程中由于所采樣電壓不一定能被整除，所以量化前后一定存在誤差，此誤差我們稱之為量化誤差，用表示。量化誤差屬原理誤差，它是無法消除的。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越 多，各離散電平之間的差值越小，量化誤差越小。 兩

12、種近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。 4. 量化誤差：量化前的電壓與量化后的電壓差5. 量化方式011111101011000110100010000=0 v7=7/8 v6=6/8 v5=5/8 v4=4/8 v3=3/8 v2=2/8 v1=1/8 v輸入信號編碼量化后電壓a ) 只舍不入量化方式:量化中把不足一個量化單位的部分舍棄；對于等于或大于一個量化單位部分按一個量化單位處理。最大量化誤差為：最小量化單位1/8V=1LSB=1/8 V例：將01V電壓轉(zhuǎn)換為3位二進(jìn)制代碼b )四舍五入量化方式:量化過程將不足半個量化單位部分舍棄，對于等于或大于半個量化單位部分按一個量

13、化單位處理。最大量化誤差為：最小量化單位：011111101011000110100010000=0 v7=14/15 v6=12/15 v5=10/15 v4=8/15 v3=6/15 v2=4/15v1=2/15 v輸入信號編碼模擬電平=1LSB= 2/15 V1/15V例：將01V電壓轉(zhuǎn)換為3位二進(jìn)制代碼直接A/D轉(zhuǎn)換器間接A/D轉(zhuǎn)換器并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器電壓頻率轉(zhuǎn)換型A/D轉(zhuǎn)換器按工作原理A/D轉(zhuǎn)換器的分類9.2.2 并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器電壓比較器輸入模擬電壓精密電阻網(wǎng)絡(luò)精密參考電壓VREF/153VREF/157VREF/159VREF/

14、1511VREF/155VREF/1513VREF/15輸出數(shù)字量1、電路組成VI=VREF/160000000000VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15編碼取反VI=8VREF/151111000001VREF/153VREF/157VREF/159VREF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15編碼取反 vI CO1 CO2 CO3 CO4 CO5 CO6 CO7 D2 D1 D0 7VREF/15 vI 9VREF/15 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 9VREF/15 vI 11VR

15、EF/15 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 5VREF/15 vI 7VREF/15 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 3VREF /15 vI 5VREF/15 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 11VREF/15 vI 13VR/15 0 1 1 1 1 1 1 1 1 013VREF/15 vI VREF/15 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 VREF/15 vI 3VREF/15 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 vI VREF/15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 根據(jù)各比較器的參考電壓值，可以確定輸入模擬電壓值與各比較器輸出狀態(tài)的關(guān)系。

16、比較器的輸出狀態(tài)由D觸發(fā)器存儲，經(jīng)優(yōu)先編碼器編碼，得到數(shù)字量輸出。 3、電路特點：在并行A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入電壓I同時加到所有比較器的輸入端。如不考慮各器件的延遲，可認(rèn)為三位數(shù)字量是與I輸入時刻同時獲得的。所以它的轉(zhuǎn)換時間最短。 缺點是電路復(fù)雜，如三位ADC需7個比較器、7個觸發(fā)器、8個電阻。位數(shù)越多，電路越復(fù)雜。為了解決提高分辨率和增加元件數(shù)的矛盾，可以采取分級并行轉(zhuǎn)換的方法。 單片集成并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的產(chǎn)品很多，如AD公司的AD9012 (TTL工藝8位)、AD9002 (ECL工藝，8位)、AD9020 (TTL工藝，10位)等。 VREF/153VREF/157VREF/159V

17、REF/1511VREF/155VREF/1513VREF/15011所加砝碼重量 結(jié)果 9.2.3 逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器逐次逼近轉(zhuǎn)換過程與用天平稱物重非常相似 。第一次8 克砝碼總重 待測重量Wx ，8克砝碼保留8 克第二次再加4克砝碼總重仍 待測重量Wx ， 2克砝碼撤除12 克第四次再加1克砝碼總重 待測重量Wx ， 1克砝碼保留13 克1. 轉(zhuǎn)換原理 所用砝碼重量：8克、4克、2克和1克。設(shè)待秤重量Wx = 13克。1. 轉(zhuǎn)換原理 1 0 0 0 1 0 0 0 I 5V 1A=6.84VVREF=10V第一個CP：VREF/2確定！1. 轉(zhuǎn)換原理 第二個CP：1 1 0 0 10I

18、 7.5V I=6.84VVREF=10V0 1 0 0 1 0 0 0 VREF/2+VREF/4確定！1. 轉(zhuǎn)換原理 第三個CP：0 0 1 0 1 0 1 0 I 6.25V 101A=6.84VVREF=10V確定！VREF/2+VREF/810000000A=6.84VVREF=10V1010111111000000101000001011000010101000101011001010111010101111小結(jié)：1、 逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的位數(shù)越多轉(zhuǎn)換精度越高；2、逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需時間與其位數(shù)n和時鐘脈沖頻率有關(guān)，位數(shù)愈少，時鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換所需時間越短。 并聯(lián)比較型 特點: 轉(zhuǎn)換速度快,轉(zhuǎn)換時間 10ns 1s, 但電路復(fù)雜。 逐次逼近型 特點: 轉(zhuǎn)換速度適中,轉(zhuǎn)換時間 為幾s 100 s, 轉(zhuǎn)換精度高，在轉(zhuǎn)換速度和硬件復(fù)雜度之間達(dá)到一個很好的平衡。 雙積分型 特點: 轉(zhuǎn)換速度慢,轉(zhuǎn)換時間 幾百s 幾ms, 但抗干擾能力 最強(qiáng)。2. A/D轉(zhuǎn)換器分類110152.51.250.6251.