电子教案--数字电子技术-第七章AD与DA转换器-20

中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章A/D与D/A转换器(A/DandD/Aconverter)第七章A/D与D/A转换器(A/DandD/Aconverter)7.1概述7.2D/A转换器7.3A/D转换器中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章A/D与D/A转换器(A/DandD/Aconverter)7.1概述A/D：模拟信号转换成数字信号，实现A/D转换的电路称为A/D转换器。D/A：数字信号转换成模拟信号，实现D/A转换的电路称为A/D转换器。7.2D/A转换器7.2.1D/A转换器及主要参数1、D/A转换器的输入是数字量，输出是模拟量，输出模拟量与输入数字量之间应有这样的关系：数字量大，输出的模拟量也大，数字量小，输出的模拟量也小，即模拟量和输出量之间应满足如下关系：A=KD中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章A/D与D/A转换器(A/DandD/Aconverter)那么怎样才能实现这一关系呢？我们把二进制数D按位权展开即：D=dn-1*2n-1+dn-2*2n-2+……+d1*21+d0*20A=K（dn-1*2n-1+dn-2*2n-2+……+d1*21+d0*20）这就是D/A转换器的转换特性表达式。从转换特性表达式可看出，实现D/A转换的组成部分如下：1）求和运算放大器：实现求和。通常接成反相比例求和。2）模拟开关：控制d=0或d=1时，求和电路的项数。3）译码网络：用来实现2n-1…..20。4）基准电源：保证系数K的一致性，要求精度高。中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章A/D与D/A转换器(A/DandD/Aconverter)D/A转换器的主要技术指标1.转换精度（1）分辨率——D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。电路所能分辨的最小输出电压ULSB（输入的数字代码最低有效位为1，其余各位都为0）与满刻度输出电压Um（输入的数字代码的各位均为1）之比，即分辨率=中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章A/D与D/A转换器(A/DandD/Aconverter)例如，n=10的D/A转换器的分辨率为1/1023=0.000987若Um=5V，则ULSB=5*0.000987=5mV。分辨率还可以直接用输入数字量的位数来表示。输入数字量位数越多，分辨率越高。所以，在实际应用中，常用字量的位数表示D/A转换器的分辨率。此外，也可用D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压之比来表示分辨率，N位D/A转换器的分辨率可表示为1/（2n-1）。中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章A/D与D/A转换器(A/DandD/Aconverter)（2）转换误差——绝对误差和非线性误差绝对误差——输入端加满刻度的数字量时，D/A转换器输出的理论值与实际值之差，一般来说，绝对误差应低于USLB/2。其影响因素主要有电子开关导通的电压降、电阻网络阻值偏差、参考电压偏离、集成运放漂移产生的误差。非线性误差——在满刻度范围内偏离转换特性的最大值称为非线性误差。它与满刻度之比称为非线性度，常用百分比表示。中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章A/D与D/A转换器(A/DandD/Aconverter)2.转换速度（1）建立时间（tset）——当输入的数字量发生变化时，输出电压变化到相应稳定电压值所需时间。最短可达0.1μS。（2）转换速率（SR）——在大信号工作状态下模拟电压的变化率。3.温度系数——在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高1℃，输出电压变化的百分数作为温度系数。中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章A/D与D/A转换器(A/DandD/Aconverter)根据译码网络的不同权电阻网络型T型电阻网络型倒T型电阻网络型权电流型3、D/A转换器的分类中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章A/D与D/A转换器(A/DandD/Aconverter)7.2.2倒T型电阻网络D/A转换器1组成及其工作原理中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章A/D与D/A转换器(A/DandD/Aconverter)中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章A/D与D/A转换器(A/DandD/Aconverter)中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章A/D与D/A转换器(A/DandD/Aconverter)如果是n位的D/A转换器，则UO的表达式为：Uo=-VREF/2n（dn-1*2n-1+dn-2*2n-2+……+d1*21+d0*20）倒T型电阻网络D/A转换器的特点是：（1）模拟开关在地与虚地之间转换，不论开关状态如何变化，各支路的电流始终不变，因此，不需要电流建立时间。（2）各支路电流直接流入运算放大器的输入端，不存在传输时间差，因而提高了转换速度，并减小了动态过程中传输电压的尖峰脉冲。中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章A/D与D/A转换器(A/DandD/Aconverter)以国产5G7520为例，n=10。采用倒T型电阻译码网络和CMOS模拟电子开关。反馈电阻RF=10K已集成在片内，求和运算放大器A，基准电源（-10V—+10V）及模拟开关的电源（+5V—+15V）均需外接。2.集成D/A转换器中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章A/D与D/A转换器(A/DandD/Aconverter)中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章A/D与D/A转换器(A/DandD/Aconverter)7.2.3CMOS模拟电子开关1、要求在D/A转换器中使用的模拟电子开关是受输入数字信号的状态控制的，因为传输的是模拟信号，所以要求模拟开关应接近于理想开关，其接通和断开应不影响被传送模拟信号的数值。CMOS电子开关双极型电子开关前面第二章讲双向模拟开关，但它能够传输的是电压信号，而我们现在需要传送的是电流信号。2、分类3、CMOS模拟电子开关中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章A/D与D/A转换器(A/DandD/Aconverter)3.CMOS模拟电子开关中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章A/D与D/A转换器(A/DandD/Aconverter)3.CMOS模拟电子开关若d1=1，则VN1截止，VN2导通，流过2R的电阻流入反馈电阻。若d1=0，则VN2截止，VN1导通，流过2R的电阻流入地。中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章A/D与D/A转换器(A/DandD/Aconverter)D/A转换器8位的D/A转换器常用的有DAC0832、DAC0808，都属于R—2RT型电阻网络型。刚才所介绍的AD7520为AD公司的产品。中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章A/D与D/A转换器(A/DandD/Aconverter)7.3A/D转换器7.3.1A/D转换器的步骤及分类1.A/D转换的一般步骤模拟信号在时间上是连续的，我们不可能对所有的时间点的信号进行采样，只能在一系列选定的瞬间（即时间坐标轴上的一些规定点）对输入的模拟信号采样，将这些特殊点的模拟量转换成数字量。通常A/D转换须经过采样、保持和量化、编码这两大步骤完成。（1）采样、保持到底采多少个点或者说隔多长时间采样一次，应以采样后的信号能不失真地反映原来的信号。对于一个频率有限的模拟信号，可以由采样定理确定采样频率为max2iSff中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章A/D与D/A转换器(A/DandD/Aconverter)其中fs为采样频率，fimax为输入模拟信号的上限值。通常选择采样频率fs=（2.5—3）fimax，应该是采样频率越高越好，但要付出代价，如外接的存储器的容量要大（1024*8，1024*8*2）。由于采样时间极短，采样输出为一串断续的窄脉冲，而要把一个模拟采样信号数字化需要一定的时间，因此在前后两次采样之间，应将采样的模拟信号保持下来，否则采样的模拟信号已发生了变化。可见，进行A/D转换时所用的输入电压，实际上是每次取样结束时的vI值。采样保持电路的电路图如下所示：中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章A/D与D/A转换器(A/DandD/Aconverter)中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章A/D与D/A转换器(A/DandD/Aconverter)还是上一个例子，这种方法产生的最大误差为1/15V。中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章A/D与D/A转换器(A/DandD/Aconverter)RRifIvLvTAChvoChULUIA1A2中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章A/D与D/A转换器(A/DandD/Aconverter)步骤：（1）采样时，使UL为高电平，S闭合，UO=UI，此时，UCH=UI。（2）采样结束时，S断开，由于A2的输入阻抗很高，Ch上的电压基本保持不变（3）当下一个采样控制信号到来后，S又闭合，电容Ch上的电压又跟随此时的输入信号UI而变化。中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章A/D与D/A转换器(A/DandD/Aconverter)采样——保持电路的输出信号已成阶梯状，但阶梯幅值仍是连续可变的。要想变成数字量，就需要把幅值进行量化，就类似于用尺子去度量一根绳子，然后取整。量化就是将离散的阶梯幅值转化为某规定的最小单位的整数倍。量化的方法有两种，一种是只舍不入，另一种是有舍有入。只舍不入的方法是：取最小量化单位=Um/2n，将0—之间的模拟电压归并到0将—2之间的模拟电压归并到1依次类推。这种方法产生的最大量化误差为。（2）量化、编码中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章A/D与D/A转换器(A/DandD/Aconverter)例：将0—1V的模拟电压转换成3位二进制数。按前面所讲=Um/8。这种方法产生的最的误差为1/8V。中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章A/D与D/A转换器(A/DandD/Aconverter)有舍有入的方法是：取最小量化单位=Um/（2n-1），将0—/2之间的模拟电压归并到0，将/2—3/2之间的模拟电压归并到1，依次类推，这种方法产生的最大量化误差为/2。中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章A/D与D/A转换器(A/DandD/Aconverter)2.A/D转换器的分类A/D转换器的种类很多，但从转换过程看可以分为两大类：并联比较型A/D转换器直接型反馈比较型计数型逐次渐进型间接型电压时间变换（U-T）型积分型电压频率变换（U-F）型直接型特点：工作速度高，调整较方便。间接型特点：速度较慢，但精度可以做得较高，且抗干扰性强。中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章A/D与D/A转换器(A/DandD/Aconverter)学习目的：逐次渐进型A/D转换器属直接型A/D，通过这部分内容的学习，同学们一要掌握A/D转换器的原理，二要掌握数字时序逻辑电路的的分析方法，为今后分析和设计更复杂的电路打基础。1、工作原理：类似天平称物体的原理。天平的一端放被称的物体，另一端加砝码，各砝码的重量按二进制关系设置，一个比一个小一半。称重时，将各种重量的砝码从大到小逐一放在天平上加以试探，经天平比较加以取舍，一直到天平基本平衡为止。这样就以一系列二进制码的重量之和表示了被称物体的重量。7.3.2逐次渐进型A/D转换器中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章A/D与D/A转换器(A/DandD/Aconverter)顺序脉冲发生器:依次产生各种重量的砝码。组成：控制电路：决定本次所放砝码的取舍。寄存器：把顺序脉冲发生器和控制电路处理后的二进制数暂时存放起来。D/A转换器：寄存器输出的数字量转换成模拟量。电压比较器：将D/A转换器的输出电压与被转换的电压进行比较，输出用来控制控制电路。中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章A/D与D/A转换器(A/DandD/Aconverter)中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章A/D与D/A转换器(A/DandD/Aconverter)中北大学电子信息工程系数字电子技术第七章A/D与D/A