第8章-数／模(D／A)和模／数(A／D)转换电路

第8章数/模(D/A)和模/数(A/D)转换电路8.1D/A转换器8.2A/D转换器8.3典型集成D/A和A/D转换器简介8.1D/A转换器8.1.1权电阻网络的D/A转换器8.1.2倒T形电阻网络的D/A转换器8.1.3权电流型D/A转换器8.1.4D/A转换器的主要技术指标8.1.1权电阻网络的D/A转换器图8-14位权电阻网络D/A转换器工作原理8.1.1权电阻网络的D/A转换器图8-2双级权电阻网络D/A转换器8.1.2倒T形电阻网络的D/A转换器图8-3倒T形电阻网络D/A转换器的工作原理8.1.2倒T形电阻网络的D/A转换器图8-4倒T形电阻网络支路电流的等效电路【例8-1】已知倒T形电阻网络D/A转换器的RF=R，VREF=8V，试分别求出4位和8位D/A转换器的最小输出电压vO(min)和最大输出电压vO(max)的数值。解：(1)最小输出电压vO(min)是指在D/A转换器的输入数字量中只有最低有效位为1(d0=1)时的输出电压。(2)最大输出电压vO(max)是指在D/A转换器的输入数字量中各有效位均为1(di=1)时的输出电压。图8-5权电流型D/A转换器8.1.3权电流型D/A转换器图8-6权电流型D/A转换器中的恒流源图8-7倒T形电阻网络的权电流型D/A转换器（8-6）（8-7）（8-8）（8-9）（8-10）8.1.4D/A转换器的主要技术指标1.分辨率2.转换精度3.线性度4.转换速度1.分辨率分辨率是分辨最小电压的能力，用最小输出电压与最大输出电压的比值表示。2.转换精度/A转换器的转换精度是指实际的输出模拟电压与理论值之间的差值，常以百分数来表示。这个转换误差是一个综合性误差。它包括比例系数误差、元件精度和漂移误差及非线性误差等。例如，某D/A转换器的输出模拟电压满刻度值为10V，精度为±0.2%，其输出电压的最大误差为0.2%×10V=20mV。3.线性度图8-8D/A转换器的线性误差4.转换速度8.2A/D转换器8.2.1A/D转换器的工作原理8.2.2并联比较型A/D转换器8.2.3反馈比较型A/D转换器8.2.4双积分型A/D转换器8.2.5V-F变换型A/D转换器8.2.6A/D转换器的主要技术指标8.2.1A/D转换器的工作原理1.取样与保持2.量化与编码1.取样与保持(1)取样定理(2)取样—保持电路(3)集成取样—保持电路(LF198)1.取样与保持图8-10取样—保持原理电路与取样波形a)原理电路b)理想取样波形(1)取样定理图8-11信号的取样与还原a)对输入模拟信号的取样b)还原取样信号所用滤波器的频率特性(2)取样—保持电路解决这个矛盾的一种方法是在电路的输入端增加一级隔离放大器，图8-12c所示电路是在图8-12a电路基础上进行的改进。由于跟随器A1输入阻抗很高，所以减少了取样电路对输入信号的影响，同时其较低的输出阻抗低减少了电容C的充电时间。(2)取样—保持电路图8-12三种常用的取样—保持电路(3)集成取样—保持电路(LF198)图8-13LF198单片集成取样—保持电路的电路结构及图形符号a)电路结构b)图形符号2.量化与编码图8-143位标准二进制A/D转换的输出电压特性a)只舍不入量化法b)有舍有入量化法8.2.2并联比较型A/D转换器图8-15并联比较型A/D转换器的原理图8.2.3反馈比较型A/D转换器1.计数型A/D转换器2.逐次逼近型A/D转换器1.计数型A/D转换器图8-16计数型A/D转换器的原理框图2.逐次逼近型A/D转换器1)转换速度较高，其速度主要由数字量的位数和控制电路决定。2)在转换位数较多时，逐次逼近型A/D转换器的电路规模要比并联比较型A/D转换器小得多，因此，逐次逼近型A/D转换器是目前集成A/D转换器产品中常用的一种电路。3)比较器的灵敏度和D/A转换器的精度将影响转换精度。4)转换的抗干扰性比较差。2.逐次逼近型A/D转换器图8-17逐次逼近型A/D转换器的原理框图图8-188位逐次逼近型A/D转换器的工作波形8.2.4双积分型A/D转换器图8-19双积分型A/D转换器原理框图8.2.4双积分型A/D转换器1)当开关S1接输入电压vI时，积分器对vI进行固定时间T1的积分。2)当开关S1接参考电压-VREF时，积分器开始进行反方向积分。1)具有很强的抑制交流干扰信号的能力。2)工作性能稳定。3)工作速度低。4)由于对vI的平均值进行转换，所以这种A/D转换器更适用于对直流或变化缓慢的电压进行转换。(2)当计数值N2=(369）10时，由式(8-16)可得8.2.4双积分型A/D转换器图8-20双积分型A/D转换器的工作波形（8-12）（8-13）（8-14）（8-15）（8-16）(8-17)【例8-3】双积分型A/D转换器中计数器是十进制的，其最大容量N1=(2000)10，时钟频率fc=10kHz，VREF=6V,试求：(1)完成一次转换的最长时间；(2)已知计数器计数值N2=(369)10时，对应输入模拟电压vI的数值。解：(1)该A/D转换器的最长转换时间为8.2.5V-F变换型A/D转换器1.积分型电荷平衡式V-F变换器2.定时型电荷平衡式V-F变换器1.积分型电荷平衡式V-F变换器图8-21V-F变换型A/D转换器的电路结构框图1.积分型电荷平衡式V-F变换器图8-22积分器型电荷平衡式V-F变换器的原理框图图8-23AD650的电路结构框图【例8-4】在图8-23所示用AD650接成的V-F变换器电路中，给定Riut=22kΩ，Cint=1000pF，单稳态触发器的定时电容COS=470pF，V+=+15V，V-=-15V。试计算输入电压从0~10V时输出脉冲频率的变化范围。解：(1)用式(8-19)计算单稳态触发器输出脉冲的宽度，得到(2)利用式(8-18)即可求得输出脉冲的频率为2.定时型电荷平衡式V-F变换器图8-24LM331的电路结构简化框图以LM331为例介绍定时器型电荷平衡式V-F变换器的基本原理。图8-24是LM331的电路结构简化框图。电路由两部分组成，一部分是用锁存器、电压比较器(C1、C2)和放电管VT3构成的定时电路；另一部分是用基准电压源、电压跟随器A和镜像电流源构成的电流源及开关控制电路。2.定时型电荷平衡式V-F变换器图8-24LM331的电路结构简化框图【例8-5】在图8-24所示的电路中，已知RT=10kΩ，CT=0.01μF，RL=47kΩ，RS=10kΩ，VCC=15V，V′CC=5V。试计算当输入控制电压在0～5V范围内变化时输出脉冲频率的变化范围。•解：由式(8-22)求出电压-频率变化系数为故vI在0～5V范围变化时输出脉冲频率的变化范围为0～5.1kHz。8.2.6A/D转换器的主要技术指标1.绝对精度2.相对精度3.转换时间和速率4.电源灵敏度1.绝对精度图8-25三种绝对精度示意图a)精度=0LSBb)精度=LSBc)精度=LSB2.相对精度在整个转换范围内，任一数字量所对应的模拟量输入实际值与理论值之间的差。3.转换时间和速率完成一次A/D转换所需的时间。转换速率为转换时间的倒数。例如，转换时间为200ns，转换速率为5MHz。4.电源灵敏度A/D转换器的供电电源的电压发生变化时，相当于引入一个模拟量输入的变化，从而产生转换误差。A/D转换器对电源变化的灵敏度一般用电源电压变化1％时相应的模拟量变化的百分数来表示，其单位为%/V。8.3典型集成D/A和A/D转换器简介8.3.1典型集成D/A转换器8.3.2典型集成A/D转换器8.3.1典型集成D/A转换器1.8位D/A芯片(DAC0808)2.8位D/A芯片(DAC0832)1.8位D/A芯片(DAC0808)图8-26DAC0808的电路结构框图图8-27DAC0808的典型应用2.8位D/A芯片(DAC0832)(1)DAC0832结构(2)DAC0832工作方式(3)电流输出转换成电压输出(1)DAC0832结构图8-28DAC0832的结构框图和引脚排列表8-1DAC0832引脚功能(2)DAC0832工作方式1)单缓冲方式：此方式适用于只有一路模拟量输出或几路模拟量非同步输出的情形，方法是控制输入锁存器和DAC寄存器同时接收数据，或者只用输入锁存器而把DAC寄存器接成直通方式。2)双缓冲方式：此方式适用于多个DAC0832同步输出的情形，方法是先分别使这些DAC0832的输入锁存器接收数据，在控制这些DAC0832同时传递数据到DAC寄存器以实现多个D/A转换同步输出。3)直通方式：此方式适用于连续反馈控制电路中，方法是使所有控制信号(CS′，WR1′，WR2′，ILE，XFER′)均有效。(3)电流输出转换成电压输出图8-29DAC0832单双极型电压输出电路a)单极型输出b)双极型输出表8-2AD7521引脚功能(3)电流输出转换成电压输出图8-30AD7521引脚排列和结构框图8.3.2典型集成A/D转换器1.8位A/D芯片(ADC0809)2.12位A/D芯片(AD574)1.8位A/D芯片(ADC0809)表8-3模拟通道地址码1.8位A/D芯片(ADC0809)图8-31ADC0809结构框图及引脚排列a)结构框图b)引脚排列表8-4ADC0809引脚功能2.12位A/D芯片(AD574)图8-32AD574内部结构及引脚排列a)内部结构b)引脚排列表8-5AD574引脚功能表8-6AD574的信号组合功能表