數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換

第9章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

9.1D/A轉(zhuǎn)換器一．D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理

對于有權(quán)碼，先將每位代碼按其權(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)字量成正比的總模擬量，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換。根據(jù)解碼網(wǎng)絡(luò)的不同，D/A轉(zhuǎn)換器分不同類型，常見的有：倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換等按模擬電子開關(guān)分，有CMOS開關(guān)型D/A轉(zhuǎn)換器雙極型D/A轉(zhuǎn)換器一、權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器

權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換器電路十分簡單，但是，當(dāng)數(shù)字量的位數(shù)增多時，權(quán)電阻數(shù)目增多，阻值范圍越來越大，權(quán)電阻阻值的種類太多，集成電路制造、權(quán)電阻的匹配都比較困難，所以權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度受到了限制

二．倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器（4位）所以，無論Si處于何種位置，與Si相連的2R電阻均接“地”（地或虛地）。圖中S0～S3為模擬電子開關(guān)，由輸入數(shù)碼Di控制，當(dāng)Di=1時，Si接運(yùn)算放大器反相輸入端（虛地），電流Ii流入求和電路；當(dāng)Di=0時，Si將電阻2R接地。電流的參考方向電流的真實(shí)方向也如此輸出電壓：則流過各開關(guān)支路（從右到左）的電流分別為I/2、I/4、I/8、I/16。于是得總電流：將輸入數(shù)字量擴(kuò)展到n位，則有：可簡寫為：vO=－KNB

其中：K=可算出，基準(zhǔn)電流I=VREF/R，常用的CMOS開關(guān)倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的集成電路有AD7520（10位）等AD7520是10位CMOS電流開關(guān)型D/A轉(zhuǎn)換器。芯片內(nèi)含有倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)、CMOS電流開關(guān)和反饋電阻（R=10K），該集成D/A轉(zhuǎn)換器在應(yīng)用時必須外接參考電壓源和運(yùn)算放大器。其內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)組成的D/A轉(zhuǎn)換電路如圖所示，AD7520的引腳圖如圖所示。10要使D/A轉(zhuǎn)換器具有較高的精度，對電路中的參數(shù)有以下要求：（1）基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定性好；（2）倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)中R和2R電阻的比值精度要高；（3）每個模擬開關(guān)的開關(guān)電壓降要相等。為實(shí)現(xiàn)電流從高位到低位按2的整倍數(shù)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。由于在倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器中，各支路電流直接流入運(yùn)算放大器的輸入端，它們之間不存在傳輸上的時間差。電路的這一特點(diǎn)不僅提高了轉(zhuǎn)換速度，而且也減少了動態(tài)過程中輸出端可能出現(xiàn)的尖脈沖。它是目前廣泛使用的D/A轉(zhuǎn)換器中速度較快的一種。

三．權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器為進(jìn)一步提高D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度，可采用權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器。采用具有電流負(fù)反饋的BJT恒流源電路的權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器：IE3=I/2，IE2=I/4，IE1=I/8，IE0=I/16由圖可見，T3～T0的基極是接在一起的，三極管的發(fā)射結(jié)壓降VBE相同，則它們的發(fā)射極處于相同的電位。在計算各支路的電流時，可以認(rèn)為所有2R電阻的上端都接到了同一個電位上，因而電路的工作狀態(tài)與倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)的工作狀態(tài)一樣。這時流過每個2R電阻的電流自左而右依次減少1/2。為了保證所有三極管的發(fā)射結(jié)壓降相等，在發(fā)射極電流較大的三極管中按比例地加大了發(fā)射結(jié)的面積，即T3～T0發(fā)射結(jié)面積之比為8:4:2:1，在圖中T3～T0均采用了多發(fā)射極晶體管來表示，其發(fā)射極個數(shù)是8、4、2、1。這樣，在各BJT電流比值為8:4:2:1的情況下，T3～T0的發(fā)射極電流密度相等，結(jié)面積的比值8:4:2:1，可使各發(fā)射結(jié)電壓VBE相同。由于T3～T0的基極電壓相同，所以它們的發(fā)射極e3、e2、e1、e0就為等電位點(diǎn)。在計算各支路電流時將它們等效連接后，流入每個2R電阻的電流從高位到低位依次減少1/2，各支路中電流分配比例滿足8:4:2:1的要求。電流的參考方向電流的真實(shí)方向也如此參考電壓源VREF、運(yùn)算放大器A2、R1、Tr、R與VEE組成基準(zhǔn)電流IREF產(chǎn)生電路，A2和R1、Tr的cb結(jié)組成電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路，以穩(wěn)定輸出電壓，即Tr的基極電壓。Tr的集電結(jié)，電阻R到VEE為反饋電路的負(fù)載，由于電路處于深度負(fù)反饋，根據(jù)虛短的原理，其基準(zhǔn)電流為：

可推得n位倒T形權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓

倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)四．D/A轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例DAC0808是8位權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器，其中D0～D7是數(shù)字量輸入端。用這類器件構(gòu)成的D/A轉(zhuǎn)換器時，需要外接運(yùn)算放大器和產(chǎn)生基準(zhǔn)電流用的電阻R1。當(dāng)VREF=10V、R1=5kΩ、Rf=5kΩ時，輸出電壓為：DAC0808D/A轉(zhuǎn)換器輸出與輸入的關(guān)系（設(shè)VREF=10V）(一)單極性輸出方式二進(jìn)制數(shù)沒有符號位，全是數(shù)值位AD7520的單極性輸出(二)雙極性輸出方式因?yàn)樵跀?shù)字系統(tǒng)中數(shù)值通常是帶符號的，所以希望D/A轉(zhuǎn)換器能夠把帶符號的二進(jìn)制數(shù)輸入轉(zhuǎn)換成正負(fù)極性的模擬電壓輸出。ExcessorBiasedRepresentationsAnexcess-KrepresentationofacodeCisformedbyaddingthevalueKtoeachcodewordofC.Excessrepresentationsarefrequentlyusedintherepresentationoftheexponentsoffloatingpointnumberssothatthesmallestexponentvaluewillberepresentedbyallzeros.Notethattheexcess-2n

numbersarejustthetwo’scomplementnumberswiththesignbitreversed!Theexcess-4representationgiveninthetableisproducedbyadding(100)2tothe3-bittwo’scomplementcodeNotethattheresultisthesmallestnumber(-4)beingrepresentedby000andthelargest(+3)by1111.轉(zhuǎn)換精度五．D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)（2）轉(zhuǎn)換誤差——此外，也可用D/A轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比來表示分辨率，N位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率可表示為1/（2n-1）。2.轉(zhuǎn)換速度3.溫度系數(shù)——在輸入不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化產(chǎn)生的變化量。一般用滿刻度輸出條件下溫度每升高1℃，輸出電壓變化的百分?jǐn)?shù)作為溫度系數(shù)。（2）轉(zhuǎn)換速率（SR）——在大信號工作狀態(tài)下模擬電壓的變化率。（1）分辨率——D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級數(shù)。輸入數(shù)字量位數(shù)越多，分辨率越高。所以，在實(shí)際應(yīng)用中，常用字量的位數(shù)表示D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率。（1）建立時間（tset）——當(dāng)輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時，輸出電壓變化到相應(yīng)穩(wěn)定電壓值所需時間。最短可達(dá)0.1μS。10.2A/D轉(zhuǎn)換器一．A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟和取樣定理由于輸入的模擬信號在時間上是連續(xù)量，所以一般的A/D轉(zhuǎn)換過程為：取樣、保持、量化和編碼。

取樣定理：

因?yàn)槊看伟讶与妷恨D(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量都需要一定的時間，所以在每次取樣以后，必須把取樣電壓保持一段時間?？梢姡M(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時所用的輸入電壓，實(shí)際上是每次取樣結(jié)束時的vI值。式中fS為取樣頻率，fimax為輸入信號vI的最高頻率分量的頻率。二．取樣—保持電路電路組成及工作原理（取Ri=Rf）:當(dāng)控制信號vL為高電平時，T導(dǎo)通，vI經(jīng)電阻Ri和T向電容Ch充電。則充電結(jié)束后vO=－vI=vC。N溝道MOS管T作為開關(guān)用。當(dāng)控制信號返回低電平后，T截止。Ch無放電回路，所以vO的數(shù)值可被保存下來。三．并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器（3位）優(yōu)先編碼器的輸入端為高電平有效，優(yōu)先級別按I1、I2、I3、I4、I5、I6、I7依次升高，對I1、I2、I3、I4、I5、I6、I7的編碼分別為D3D2D0=001、010、011、100、101、110、111，當(dāng)所有的輸入都無效時，輸出為D3D2D0=000。電阻分壓器由7個阻值為R的電阻和1個阻值為R/2的電阻串聯(lián)構(gòu)成，一端接參考電壓源UREF，另一端接地，電阻之間的連接點(diǎn)分別與右邊的運(yùn)算放大器的反相輸入端相連，因?yàn)檫\(yùn)算放大器的輸入端的電流可以近似認(rèn)為是0，所以電阻分壓器的8個電阻才可以認(rèn)為是串聯(lián)的關(guān)系。電壓比較器由7個處于非線性工作狀態(tài)的運(yùn)算放大器組成，同相輸入端連接在一起，接模擬輸入電壓信號，每個運(yùn)算放大器的反相輸入端具有固定的電位，如圖18-3-5所示。運(yùn)算放大器的輸出接D觸發(fā)器的輸入端，D觸發(fā)器的輸出端與優(yōu)先編碼器的7個輸入端相連。優(yōu)先編碼器的輸入端為高電平有效，優(yōu)先級別按I1、I2、I3、I4、I5、I6、I7依次升高，對I1、I2、I3、I4、I5、I6、I7的編碼分別為D3D2D0=001、010、011、100、101、110、111，當(dāng)所有的輸入都無效時，輸出為D3D2D0=000。并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器真值表1．轉(zhuǎn)換原理：四．逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器2．邏輯電路五．雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器它由積分器、過零比較器（C）、時鐘脈沖控制門（G）和定時器、計數(shù)器（FF0～FFn）等幾部分組成。（2）第一次積分階段工作原理：（1）準(zhǔn)備階段計數(shù)器清零，積分電容放電，

vO=0V。t=0時，開關(guān)S1與A端接通，輸入電壓vI加到積分器的輸入端。積分器從0開始積分：由于vO<0V，過零比較器輸出vC=1，控制門G打開。計數(shù)器從0開始計數(shù)。t=T1=2nTC

經(jīng)過2n個時鐘脈沖后，觸發(fā)器FF0～FFn－1都翻轉(zhuǎn)到0態(tài)，而Qn=1，開關(guān)S1由A點(diǎn)轉(zhuǎn)到B點(diǎn)，第一次積分結(jié)束。第一次積分時間為：

（3）第二次積分階段第一次積分結(jié)束時，積分器的輸出電壓VP為：當(dāng)t=t1時，S1轉(zhuǎn)接到B點(diǎn)，基準(zhǔn)電壓－VREF加到積分器的輸入端；積分器開始向相反進(jìn)行第二次積分。當(dāng)t=t2時，積分器輸出電壓vO>0V，比較器輸出vC=0，控制門G被關(guān)閉，計數(shù)停止。在此階段結(jié)束時vO的表達(dá)式可寫為：設(shè)T2=t2－t1，于是有：設(shè)在此期間計數(shù)器所累計的時鐘脈沖個數(shù)為λ，則：可見，T2與VI成正比，T2就是雙積分A/D轉(zhuǎn)換過程的中間變量。上式表明，計數(shù)器中所計得的數(shù)λ（λ=Qn-1…Q1Q0），與在取樣時間T1內(nèi)輸入電壓的平均值VI成正比。只要VI<VREF，轉(zhuǎn)換器就能將輸入電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。T2=λTC

六．A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)（1）分辨率——說明A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號的分辨能力。一般以輸出二進(jìn)制（或十進(jìn)制）數(shù)的位數(shù)表示。因?yàn)?，在最大輸入電壓一定時，輸出位數(shù)愈多，量化單位愈小，分辨率愈高。1.轉(zhuǎn)換精度例如，相對誤差≤±LSB/2，就表明實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上應(yīng)得到的輸出數(shù)字量之間的誤差小于最低位的半個字。（2）轉(zhuǎn)換誤差——它表示A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別。常用最低有效位的倍數(shù)表示。2.轉(zhuǎn)換時間——指從轉(zhuǎn)換控制信號到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號所經(jīng)過的時間。并行比較A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度最高；逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器次之；間接A/D轉(zhuǎn)換器的速度最慢。本章小結(jié)1．A/D和D/A轉(zhuǎn)換器是現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的重要部件，應(yīng)用日益廣泛。5．A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)是轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度，在與系統(tǒng)連接后，轉(zhuǎn)換器的這兩項(xiàng)指標(biāo)決定了系統(tǒng)的精度與速度。目前，A/D與D/A轉(zhuǎn)換器的發(fā)展趨勢是高