清華大學(xué)數(shù)電數(shù)模

第十一章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換第一節(jié)概述數(shù)模轉(zhuǎn)換：將數(shù)字量(Digital)轉(zhuǎn)換為模擬量(Analog)。簡(jiǎn)稱D/A轉(zhuǎn)換。模數(shù)轉(zhuǎn)換：將模擬量(Analog)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量(Digital)。簡(jiǎn)稱A/D轉(zhuǎn)換。被控對(duì)象傳感器A/D轉(zhuǎn)換器計(jì)算機(jī)D/A轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)電路1主要指標(biāo)：轉(zhuǎn)換精度；轉(zhuǎn)換速度。D/A轉(zhuǎn)換器權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器開關(guān)樹型D/A轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器直接轉(zhuǎn)換型并聯(lián)比較型反饋比較型間接轉(zhuǎn)換型雙積分型（V－T變換型）V—F變換型計(jì)數(shù)型逐次漸進(jìn)型分類：【題11.3】（2）【題11.5】，【題11.8】【11.16】【11.17】2一、權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器第二節(jié)D/A轉(zhuǎn)換器1.原理由四部分組成：權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)；求和放大器；模擬開關(guān)；參考電源；權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)求和放大器模擬開關(guān)任務(wù)：求出輸出模擬電壓與輸入數(shù)字量d3d2d1d0間的關(guān)系。2.特點(diǎn)：1.電阻數(shù)量少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；2.電阻種類多，差別大，不易集成。LeastSignificantBitMostSignificantBit輸入數(shù)字量輸入數(shù)字量3R2R1.原理：電阻網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)：模擬開關(guān)Si不論接何位置，都相當(dāng)于接地。任意節(jié)點(diǎn)向左看的等效電阻皆為2R。二、倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器45集成D/A轉(zhuǎn)換器CB7520簡(jiǎn)介：（十位）電路特點(diǎn)：1.電阻種類少，便于集成；2.開關(guān)切換時(shí)，各點(diǎn)電位不變。因此，速度快。可外接反饋電阻R需外接運(yùn)放模擬開關(guān)電路：R2RR6在權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器和倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器中，若模擬開關(guān)不是理想開關(guān)，其導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通壓降將影響轉(zhuǎn)換精度。權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器可解決這一問(wèn)題。三、權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器恒流源如圖。但電阻REi的種類多。因此，經(jīng)常用倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)的分流作用來(lái)實(shí)現(xiàn)。78雙極型電路；8位數(shù)字量輸入；外接求和放大器；外接電阻。若取VREF=10V、RR=RF=5K?則：此時(shí)，輸出模擬電壓范圍為：0~9.96V。權(quán)電流型集成數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0808簡(jiǎn)介參考四位時(shí)的公式：有：輸入數(shù)字量9帶符號(hào)數(shù)以補(bǔ)碼形式給出。輸出為正、負(fù)極性的模擬電壓。四、具有雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器當(dāng)輸入數(shù)字量是帶符號(hào)數(shù)時(shí)，就需要雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器。當(dāng)d2=1時(shí)，對(duì)應(yīng)輸出電壓為4V。IB應(yīng)等于I/2因此：三位DAC的輸出取反10五、D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度（一）轉(zhuǎn)換精度通常用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來(lái)描述。1.分辨率：輸出模擬電壓應(yīng)能區(qū)分0~2n-1共2n個(gè)輸入數(shù)字量。是理論上能達(dá)到的轉(zhuǎn)換精度。表示方法：(1)用輸入二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示；如8位。(2)用輸出模擬電壓的最小值與最大值的比值表示。該比值顯然等于：11由于電路各部分都有誤差，還要給出誤差來(lái)表示實(shí)際能達(dá)到的轉(zhuǎn)換精度。轉(zhuǎn)換誤差有時(shí)也稱為線性誤差。它表示實(shí)際的D/A轉(zhuǎn)換特性和理想轉(zhuǎn)換特性之間的最大偏差。是實(shí)際的轉(zhuǎn)換精度。轉(zhuǎn)換誤差的表示形式：（1）最低有效位的倍數(shù)。如：1/2LSB。（2）輸出電壓滿刻度FSR(FullScaleRange)的百分?jǐn)?shù)。如：0.1％FSR。2.轉(zhuǎn)換誤差：123.轉(zhuǎn)換誤差分析D/A轉(zhuǎn)換器的四個(gè)組成部分，均可引起轉(zhuǎn)換誤差。但具有不同的特點(diǎn)。(1)參考電源引起的誤差稱為比例系數(shù)誤差。(2)運(yùn)放零點(diǎn)漂移引起的誤差稱為漂移誤差或平移誤差。13(3)模擬開關(guān)的導(dǎo)通內(nèi)阻和導(dǎo)通壓降以及電阻網(wǎng)絡(luò)中電阻的偏差引起的誤差稱為非線性誤差。非線性誤差有時(shí)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換特性局部非單調(diào)性，從而引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。注意：運(yùn)放和參考電源多為外接，電阻網(wǎng)絡(luò)和模擬開關(guān)在集成DAC內(nèi)部。14例：在10位倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC中，VREF=-10V。為保證VREF偏離標(biāo)準(zhǔn)值所引起的誤差小于1/2LSB，計(jì)算VREF相對(duì)穩(wěn)定度應(yīng)取多少？解：1.計(jì)算1/2LSB:當(dāng)輸入數(shù)字量D=1時(shí)，輸出電壓為L(zhǎng)SB。故：2.計(jì)算當(dāng)VREF變化量為時(shí)所引起的輸出變化量的最大值:而：即：=0.05%這里VREF=10V,允許的參考電源變化量小于5mV1/2LSB=輸入數(shù)字量的最大值15（二灘）轉(zhuǎn)戰(zhàn)換速朱度用完小成一乞次轉(zhuǎn)昂換所榨需的揪時(shí)間剪－－建立情時(shí)間tse兩t－－削來(lái)衡意量。建立時(shí)間：從輸入信號(hào)變化開始到輸出電壓進(jìn)入與穩(wěn)態(tài)值相差1/2LSB范圍以內(nèi)的時(shí)間。輸入臟信號(hào)寨由全0變?yōu)樘}全1所需側(cè)時(shí)間今最長(zhǎng)飯。不包含運(yùn)放的DAC建立時(shí)間可達(dá)0.1。當(dāng)外酒接運(yùn)申放時(shí)帥，轉(zhuǎn)翻換時(shí)秀間還雹應(yīng)加舍上運(yùn)濟(jì)放的涉上升落（下耗降）告時(shí)間昨。轉(zhuǎn)換歪時(shí)間建立基時(shí)間輸出鴉模擬哭電壓脅最大紐奉值運(yùn)放遮輸出齊轉(zhuǎn)換麥速率16第三躍節(jié)A/絨D轉(zhuǎn)換俘器一、A/理D轉(zhuǎn)換脅的基吩本原祥理在A/供D轉(zhuǎn)換膨器中加，由禽于輸陶入模武擬信弱號(hào)在掉時(shí)間御上是旗連續(xù)休的，巷而輸醬出數(shù)目字信奔號(hào)是腿離散蹲的，餃所以蒙轉(zhuǎn)換朱只能爽在一愁系列險(xiǎn)選定傅的瞬至間對(duì)爛輸入秧模擬葵信號(hào)辱采樣猛，然斃后再圍把這賠些采洞樣值帳轉(zhuǎn)換援成輸俯出數(shù)青字量午。A/堆D轉(zhuǎn)換騰的基極本步萬(wàn)驟：采樣反（取葬樣）離；保持偷；量化腎；編碼悶。由取鉆樣－您保持電路灶完成由A/鴨D轉(zhuǎn)換仇電路閱完成取樣保持取樣－保持電路171.取樣尚、保備持取樣戰(zhàn)定理：為嘴保證紹從取任樣信狡號(hào)恢負(fù)復(fù)被祖取樣盾信號(hào)罷，必剪須滿它足取樣且信號(hào)壟頻率取樣降定理欠又稱厚為香表農(nóng)定助理(S特ha綠nn扯on華)。下面駛通過(guò)第取樣刃信號(hào)莖的幅喉頻特乓性與鈴濾波漫器的叼幅頻蓄特性儀的關(guān)版系說(shuō)健明取巷樣定特理。輸入胞信號(hào)肉最高誰(shuí)頻率在實(shí)際的取樣保持電路中有一個(gè)取樣控制信號(hào)，它的頻率就是取樣信號(hào)頻率。18fs取樣緞電路予輸出蘋信號(hào)容的幅鳥頻特母性濾波剖器的譜幅頻爹特性顯然碌要滿蜜足(max)isff-此時(shí)打無(wú)法驚用濾在波器我恢復(fù)頸輸入薄波形192.量化握和編載碼量化獄：把輸出數(shù)字量為1時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入模擬電壓稱為量化單元，記做。當(dāng)輸出數(shù)字量為D時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸入模擬電壓應(yīng)為D，即量化單元的整數(shù)倍。因此，對(duì)于任意輸入模擬電壓，首先應(yīng)把它量化為的整數(shù)倍。這就是量化。編碼賺：用二他進(jìn)制架代碼倆表示勤量化敗后的桌輸入窗模擬哭電壓休。量化技和編菠碼是法在同位一個(gè)召電路出中完勉成的剪。下祖圖說(shuō)籃明了遞兩種控量化茶方法走：量化楊是一葉種近沈似處枝理方齡法20當(dāng)輸入電壓不為的整數(shù)倍時(shí)，必然產(chǎn)生誤差，稱為量化誤差。量化誤差＝量化誤差＝－1/鳥15膨V若用傅此范盜圍表如示00首1會(huì)更釀準(zhǔn)確21輸入量為雙蜻極性騙時(shí)：輸出奸一般婦采用纖二進(jìn)波制補(bǔ)可碼表洋示。壩可用旬下圖見表示胳：=1V二進(jìn)史制補(bǔ)設(shè)碼符號(hào)位量化筒后輸蜂出的較二進(jìn)此制補(bǔ)蜘碼22為低電平時(shí)，T截止。取樣電容CH上的電荷無(wú)泄放回路，將保持。二.取樣摔－保況持電嘉路

為高電平時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管T導(dǎo)通,進(jìn)行取樣電路父缺點(diǎn)償：輸蒸入電擋阻RI過(guò)大浮會(huì)降曬低取餃樣速該度；隆過(guò)小塘又加冷重信店號(hào)源慘負(fù)載溝。改進(jìn)距方法齊：在眠輸入該端加耗隔離形放大窗器。下面洗通過(guò)猛集成盼取樣懇保持茄電路LF稼19晝8介紹隸改進(jìn)激的取湖樣－授保持焦電路聯(lián)。為取樣控制信號(hào)23集成女取樣異保持恐電路LF求19萄8調(diào)零輸入儀模擬爆電壓取樣魯控制申信號(hào)外接頃保持客電容在取樣階段，開關(guān)S接通，運(yùn)放AI,A2構(gòu)成兩級(jí)電壓跟隨器在保持階段，S斷開，電容CH上電荷保持不變，使輸出電壓保持不變。二極象管D1,D2和電懂阻R1構(gòu)成迫保護(hù)蹦電路惠。在取飾樣階破段，S接通小，D1,D2截止酸，保去護(hù)電摸路不傘起作獲用。在保持階段，S斷開，保持不變；但在變，使達(dá)到正（負(fù)）最大值，使開關(guān)S承受過(guò)高的電壓。接上保護(hù)電路后可使基本等于輸入電壓。24三、政直接A/銷D轉(zhuǎn)換箱器1.并聯(lián)娃比較溫型A/喜D轉(zhuǎn)換楚器將輸廈入模論擬電怎壓直纖接轉(zhuǎn)迎換為渡數(shù)字乎量，蛋不經(jīng)盤過(guò)中仁間變膠量。介紹麻并聯(lián)產(chǎn)比較孝型和宏反饋陪比較殖型兩匪大類坡。采用產(chǎn)第二對(duì)類量脆化方胞法，編碼怪情況?？捎镁卤砭痴f(shuō)明蠢。特點(diǎn)漆：電路除復(fù)雜腥。不需手取樣門－保診持電鉛路；轉(zhuǎn)換鋤過(guò)程舍：將滾輸入杠模擬跨電壓卻加在賴輸入責(zé)端，彎然后捷加一屯個(gè)CP脈沖寧，輸雞出端似就出像現(xiàn)轉(zhuǎn)宿換結(jié)壁果。速度覆快，易轉(zhuǎn)換橡時(shí)間不小于50枯ns；25d2=Q4d1=Q6+Q’4Q2d0=Q7+Q’6Q5+Q’4Q3+Q’2Q1公式砍化簡(jiǎn)兄過(guò)程掀請(qǐng)同勉學(xué)自饅己解摸決。262.反饋旅比較堡型A/豬D轉(zhuǎn)換侵器思路畝：將牢一數(shù)字盤量加到D/尤A轉(zhuǎn)換添器上勿，再鉗把D/鐵A轉(zhuǎn)換邊器輸敞出的軋模擬角電壓桃與輸輪入模港擬電沙壓相獨(dú)比較聽。若鹿不相默等，洋則修馳改數(shù)彼字量尼，直請(qǐng)到兩慎模擬矛電壓斑相等慣，此淺時(shí)對(duì)捎應(yīng)的幼數(shù)字微量就杠是轉(zhuǎn)遵換結(jié)秧果。數(shù)字枕量由計(jì)城數(shù)器搞提供紅。10=由于蜻量化像引起尚的誤浩差為1L溝SB厲.（第利一類竊量化懲方法灣）特點(diǎn)帖：1.電路僅簡(jiǎn)單渣；2.速度撇慢。樹最長(zhǎng)揭轉(zhuǎn)換仁時(shí)間學(xué)可達(dá)2n-1倍時(shí)窄鐘信磨號(hào)周膝期。啟動(dòng)屈轉(zhuǎn)換(1違)計(jì)數(shù)飼型A/愁D轉(zhuǎn)換近器27(2起)逐次勝漸近告型A/志D轉(zhuǎn)換素器數(shù)字混量由礦逐次薯漸近幼寄存啊器提斜供。思路波：從輸直出數(shù)午字量起的最蚊高位鄰起，穴逐位茅判斷致該位閥的值地（0,杰1）。以輸肌出四硬位數(shù)喘字量a3a2a1a0為例:1.輸入10溉00到逐恥次漸植近寄莊存器扭，以披確定a3的值坊；2.輸入a310挑0到逐過(guò)次漸微近寄查存器機(jī)，以刪確定a2的值寧；3.輸入a3a210到逐輪次漸叔近寄誘存器室，以餅確定a1的值副；4.輸入a3a2a11到逐鳴次漸什近寄灘存器絕，以義確定a0的值奏；可見闖，主朱要轉(zhuǎn)底換步葡驟只與需4個(gè)時(shí)悶鐘周采期就還可完恭成。宿（實(shí)共際轉(zhuǎn)囑換器杠還要刊增加榴兩個(gè)咽時(shí)鐘干周期找時(shí)間詢。）下面傅結(jié)合支具體蜂電路筒說(shuō)明柔工作切過(guò)程袋。29頁(yè)28>時(shí)，制該位豎為0,否則螞該位容為1.28頁(yè)29移位盜寄存量器初諷始狀河態(tài)：Q1Q2Q3Q4Q5=1謊00聽00>時(shí)，＝1CL筒K1后,移位濟(jì)寄存聚器為01劣00犬0，QAQBQC=1載00捕;CL應(yīng)K2后,移位樸寄存秒器為00休10仗0，QAQBQC=d210洽;確定d2值。CL崗K3后,移位懶寄存奧器為00搞01裕0，QAQBQC=d2d11;確定d1值。CL逼K4后,移位阻寄存滑器為00夢(mèng)00盆1，QAQBQC=d2d1d0;確定d0值。同時(shí)引輸出d2d1d0。CL扛K5后,移位素寄存詳器為10蹈00米0，QAQBQC＝d2d1d0，準(zhǔn)影備下鑄一次合轉(zhuǎn)換桶。一般逗，當(dāng)異輸出屆為n位時(shí)惱，需n+筆2個(gè)時(shí)郊鐘周金期可識(shí)完成由轉(zhuǎn)換敲。特點(diǎn)勝：速度時(shí)較快宏；電點(diǎn)路也隔不太也復(fù)雜管。因此被，逐瞎次漸發(fā)近型A/臟D轉(zhuǎn)換償器是為集成A/凱D轉(zhuǎn)換都器用杯的最味多的傅一種狀。第二撇種量尾化方窮法30四、戀間接A/浪D轉(zhuǎn)換歷器1.雙積傭分型A/旱D轉(zhuǎn)換襪器中間李變量梨為時(shí)鵲間T的，前稱為V-子T變換并型（盆電壓膀－時(shí)獨(dú)間變首換型當(dāng)）；中間需變量螺為頻驗(yàn)率F的，再稱為V-鑄F變換匙型（許電壓懇－頻數(shù)率變住換型瘋）；屬于V-功T變換那型。第二次積分:對(duì)參考電源VREF定速積分，的變化速度由VREF,R和C決定。電容C上電輸壓第一夾次積葡分:對(duì)輸認(rèn)入模痰擬電樂(lè)壓定時(shí)積分因，時(shí)躍間為T1,由控兵制邏摸輯電聯(lián)路決倍定；CLK33公式31CLKt1時(shí)刻電容電壓即值為：第二跡次積涼分結(jié)盟束時(shí)蜂積分腰器輸炎出電迎壓為0，即故：進(jìn)行眉公式薦推導(dǎo)局：32T1，T2由計(jì)監(jiān)數(shù)器銜產(chǎn)生紙：設(shè)宴時(shí)鐘跌周期肥為TC，輸族出數(shù)卡字量灘為D，則代入擋上式縫得：可使T1=2nTC，T2=D女TC的電毀路如魄下圖約：至于T1，若域滿足CLK31電路33影響虜精度顧因素糊：計(jì)數(shù)感器位束數(shù)；比較變器靈贈(zèng)敏度嘆；比較果器零柱點(diǎn)漂假移；運(yùn)放坦零點(diǎn)秩漂移退；積分假電容蠶漏電磚；TC瞬間瘦波動(dòng)隙。波形壇圖34特點(diǎn)焦：性能閃穩(wěn)定狠。轉(zhuǎn)宰換結(jié)圍果與R,帆C無(wú)關(guān)皮；也過(guò)與時(shí)容鐘周樣期無(wú)胸關(guān)。容這是豬兩次修積分糾的結(jié)粒果?？垢尚迶_能朋力強(qiáng)榴。積瞧分器你對(duì)平醬均值融為0的干嘩擾有虜很強(qiáng)截的抑杰制能鬧力。盛如電嘩網(wǎng)干明擾，姨若取灘第一倘次積昆分時(shí)黑間為舊交流擺電網(wǎng)洲電壓移周期毛的整帥數(shù)倍腥，理衣論上評(píng)可完脊全抑鴉制電驕網(wǎng)干萌擾。缺點(diǎn)益是速屯度慢憤。完豪成一爭(zhēng)次轉(zhuǎn)伙換時(shí)域間不捎小于2n+傻1TC。在要令求速棉度不欄高的條場(chǎng)合歲有廣碰泛的誦應(yīng)用懸。如迎數(shù)字旨電壓財(cái)表等悼。波形政圖352.羽V-堆F變換狠型A/意D轉(zhuǎn)換洪器壓控掏振蕩屠器輸唐出脈千沖頻葛率于喘輸入妨電壓屠有很礎(chǔ)好的銜線性胞關(guān)系朵。寄存災(zāi)器可齊防止艇輸出傲數(shù)字催跳動(dòng)躁。影響嘩精度割的因吼素：壓控戰(zhàn)振蕩爺器的帖穩(wěn)定秋度和毅線性剃度、帥計(jì)數(shù)葉器的六位數(shù)特點(diǎn)撕：VC防O輸出驚是調(diào)壤頻信艦號(hào)易慌于傳夕輸，膚且抗糧干擾鬧能力研強(qiáng)。擺適用買于遙閱測(cè)、在遙控辮系統(tǒng)望中。軍一般抓將VC白O放在角發(fā)射煮端，樹其他沒(méi)部分胞放在欄接收夠端。由于隸高精珍度的VC耐O不易押得到諸，因換