上課用第十一章

《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》（第五版）教學(xué)課件

劉伯恕福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院電工電子教學(xué)中心第十一章

數(shù)-模（D/A）和模-數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換A-模擬量D-數(shù)字量D/A－數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量A/D－模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量模擬量是連續(xù)的，數(shù)字量是離散的。11.1概述一、用途及要求精度速度隨著計算機(jī)的廣泛應(yīng)用，用數(shù)字電路處理模擬信號的情況比較普遍了。計算機(jī)的輸出是數(shù)字量，為了控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，必須把數(shù)字量再轉(zhuǎn)換成模擬量。為了用數(shù)字電路處理模擬信號，必須將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。用途：要求：誤差有多少完成轉(zhuǎn)換需要多少時間11.2D/A轉(zhuǎn)換器D1101…D/AA(電壓或電流)

？D/A轉(zhuǎn)換的輸出就是與輸入的數(shù)字量成比例的模擬量。分類11.2D/A轉(zhuǎn)換器

D/A轉(zhuǎn)換器11.2.1權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器一、電路結(jié)構(gòu)和工作原理最低位最高位數(shù)字量輸入模擬量輸出虛地模擬開關(guān)

虛地虛地優(yōu)缺點：1.優(yōu)點：簡單2.缺點：電阻值相差大，難于保證精度，且大電阻不宜于集成在IC內(nèi)部D11.2.2倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC希望用較少類型的電阻，仍然能得到一系列權(quán)電流虛地各路電流具體是多少呢？RRRR不論開關(guān)往哪打，這里都是接地（“地”或“虛地”）虛地等比級數(shù)求和美國一家公司的名字AD7520是CMOS低功耗10位D/A轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部采用倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。10位數(shù)字輸入運(yùn)放沒集成在里邊5～15V使用時將16腳接Vo或再串電阻接至Vo11.2.6具有雙極性輸出的DAC當(dāng)輸入數(shù)字量有±極性時，希望輸出的模擬電壓也對應(yīng)為±。一、原理例：輸入為3位二進(jìn)制補(bǔ)碼。最高位為符號位，正數(shù)為0，負(fù)數(shù)為1補(bǔ)碼輸入對應(yīng)的十進(jìn)制要求的輸出D2D1D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V原碼輸入對應(yīng)的輸出偏移后的輸出D2D1D0111+7V+3V110+6V+2V101+5V+1V100+4V0V011+3V-1V010+2V-2V001+1V-3V0000V-4V補(bǔ)碼輸入對應(yīng)的十進(jìn)制要求的輸出D2D1D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4VD/A*將符號位反相后接至高位輸入

*將輸出偏移使輸入為100時，輸出為01二、電路實現(xiàn)*將符號位反相后接至高位輸入

*將輸出偏移使輸入為100時，輸出為011.2.7DAC的轉(zhuǎn)換精度與速度一、轉(zhuǎn)換精度分辨率（理論精度）用輸入數(shù)字量的二進(jìn)制數(shù)碼位數(shù)給出

n位DAC,應(yīng)能輸出2n個不同的等級電壓，區(qū)分出輸入的00···0到11···1，2n個不同狀態(tài)2.轉(zhuǎn)換誤差（實際精度）用最低有效位的倍數(shù)來表示有時也用絕對誤差與輸出電壓滿刻度的百分?jǐn)?shù)來表示

例如給出的轉(zhuǎn)換誤差等于LSB，即表示輸出電壓的絕對誤差等于輸入只有最低位有效（為1）時其輸出電壓的一半D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越高,分辨輸出電壓的能力就越強(qiáng)。P520二、誤差分析三、轉(zhuǎn)換速度（自學(xué)）D1101…A/DA(電壓或電流)

？11.3A/D轉(zhuǎn)換器11.3.1A/D轉(zhuǎn)換的基本原理

輸入連續(xù)變化電壓，輸出為不連續(xù)的數(shù)字量要把模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量一般經(jīng)過四個步驟，分別稱為取樣、保持、量化、編碼。模擬信號的特點：時間連續(xù)，幅值連續(xù)。數(shù)字信號的特點：時間離散，幅值離散。時間離散化幅值離散化A/D轉(zhuǎn)換的過程：先對輸入的模擬電壓信號取樣，取樣結(jié)束后進(jìn)入保持時間，在這段時間內(nèi)將取樣的電壓量化為數(shù)字量，并按一定的編碼形式給出轉(zhuǎn)換結(jié)果。然后開始下一次取樣。取樣控制信號取樣控制信號為了不失真地恢復(fù)原始模擬信號，取樣信號必須有足夠高的頻率。2二、量化和編碼量化：將采樣-保持后的電壓表示最小數(shù)量單位（Δ）的整數(shù)倍。最小數(shù)量單位稱為量化單位，用Δ表示。數(shù)字信號最低有效位（LSB）的1所代表的數(shù)量大小就等于Δ。量化誤差：當(dāng)采樣電壓不能被Δ整除時，將引入量化誤差。量化誤差不可避免。3.編碼：量化后的結(jié)果用代碼表示出來（二進(jìn)制，二-十進(jìn)制）。這個數(shù)值代碼就是A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字量。用四位二進(jìn)制碼表示，量化誤差1/16V，位數(shù)越多，量化誤差越小。。例：把0—1V的模擬電壓轉(zhuǎn)換成3位二進(jìn)制代碼取最小量化單位Δ=Um/2n(其中，Um為輸入模擬電壓的最大值，這里為1V，要轉(zhuǎn)化為3位二進(jìn)制代碼，n=3,則

=1/8V將0—Δ之間的模擬電壓歸并到0·Δ,把Δ—2Δ之間的模擬電壓歸并到1·Δ,依次類推。這種方法產(chǎn)生的最大量化誤差為Δ經(jīng)量化后的信號幅值均為Δ的整數(shù)倍.在量化過程會產(chǎn)生量化誤差.取最小量化單位Δ=2/15V.0～1/15V認(rèn)為是0·Δ，1/15～3/15V認(rèn)為是1·Δ

，類推。改變量化方法，也可減小量化誤差：如，1代表1/15～3/15V，我們認(rèn)為模擬量是2/15V。量化誤差是1/15V,是Δ/2.量化誤差跟什么有關(guān)？位數(shù)越多，量化誤差越小，同時也與量化方法有關(guān)。11.3.2取樣保持電路！加大輸入電阻！減小輸出電阻！Av=1幾種常見的ADC：ADC電路分為直接型和間接型兩大類。直接型是通過一套基準(zhǔn)電壓與取樣保持電壓進(jìn)行比較,從而將模擬量直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。其特點是工作速度高,轉(zhuǎn)換精度容易保證,調(diào)準(zhǔn)也比較方便。

間接法是將取樣后的模擬電壓信號先轉(zhuǎn)換成一個中間變量（時間t或頻率f）,然后再將中間變量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。其特點是工作速度較低,但轉(zhuǎn)換精度可提高,且抗干擾性強(qiáng)。11.3.3并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器并聯(lián)比較型量化輸入→量化→編碼111110101100011010001000輸入雖有7位，但只有8種情況，所以輸出只要3位。例如,假設(shè)模擬輸入電壓ui=3.8V,UREF=8V。當(dāng)模擬輸入電壓ui加到各級比較器時,由于

因此比較器的輸出C7～C1為０００１１１１。在時鐘脈沖作用下,比較器的輸出存入寄存器,經(jīng)代碼轉(zhuǎn)換電路輸出A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果:d2d1d0＝１００。這也就是并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的工作過程。2、特點*快，比較器延遲時間小。一個CLK觸發(fā)信號就完成一次A/D轉(zhuǎn)換，只需幾十納秒*電路規(guī)模大，n位需要2n-1比較器，觸發(fā)器*

成本高。11.3.4反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器計數(shù)型（自學(xué)）2、逐次漸近型！電路不太復(fù)雜！較快100003位：5個CLKn位:(n+2)個CLK11.3.5雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器（自學(xué)）11.3.6V-F變換型A/D轉(zhuǎn)換器（自學(xué)）11.3.7ADC的轉(zhuǎn)換速度與轉(zhuǎn)換精度一、速度取決于電路結(jié)構(gòu)類型 并聯(lián)比較型：10納秒 逐次漸近型：10~100微秒/次 雙積分型：幾百毫秒/次二、轉(zhuǎn)換精度分辨率：以輸出二進(jìn)制的位數(shù)表示，如8位、10位等。位數(shù)越多，量化誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高。轉(zhuǎn)換誤差：轉(zhuǎn)換誤差表示ADC實際輸出的數(shù)字量和理想數(shù)字量之間的差別。例如，轉(zhuǎn)換誤差≤LSB就表明ADC實際輸出的數(shù)字量與理想的數(shù)字量之差不大于ADC最低有效位為1的一半。1.分