数字电路第九章ok

第九章 数-模和模-数转换 （一）直接型A/D转换 1、并行比较型ADC 并行比较型ADC，它通过电阻分压方式形式形成的各种 比较电平作为刻度。 输入的模拟信号经采样－保持后的信号与这刻度进行比 较。当高于比较器的比较电平时，该比较器输出高电平，反 之为低电平。 各比较器的输出送到D触发器组成的缓冲存储器中，以 避免由于各比较器响应速度的差异而造成的逻辑误差。 缓冲器的输出送到优先编码器，经过编码器将其输出的 状态转移为三位二进制信号。
为了电流恒定，应当 确保REi两端的电压恒定.
显然: I I I I V o = iΣ R F = ( d 3 + d 2 + d 1 + d 0 ) RF 2 4 8 16 I • RF = ( 2 3 d 3 + 2 2 d 2 + 21 d1 + 2 0 d 0 ) 24
第九章 数-模和模-数转换
第九章 数-模和模-数转换
◆量化和编码
取样－保持后的信号仍然是一个时间上离散的模拟量，它 的取样信号取值是任意的，而数字信号的取值是有限的或离散 的，如用四位二进制数来表示，其只有0000～1111共十六种状 态，因此要实现幅度数字化就是用具体的数字量来近似表示对 应的模拟值，这个过程就是量化。 在进行A/D转换时，必须把取样电压表示为某个规定的最 小数量单位的整数倍，这个过程是量化。 量化过程中所取最小数量单位称为量化单位，用△表示。 在量化过程中，由于取样电压不一定能被△整除，所以量 化前后不可避免地存在误差，即量化误差。 在数字电路的量化中采用一种“只舍不入”的量化规则， 或采用“四舍五入”的舍入规则，如图所示。
二、倒T形电阻网络D/A转换器
这是一个4位 D/A转换器， 图上的开关Si 是受数字位di 控制的，当 di=0时开关接 地，否则，开 关接V−
第九章 数-模和模-数转换 运放的反向输入端是“虚地”的，所以不论开关Si合到那一 边，转换网络都可以等效为下面的电路。 分别从 AA，BB， CC，DD端口 向左看过去的 等效电阻都是 R，显然DD 端口的电压为 VREF， CC端 口的电压为 VREF/2， BB 端口的电压为 VREF/4， AA 端口的电压为 VREF/8。
1 n为被转换的二进制数的位数 分辨率 = n 2 −1 DAC的位数越高，它的分辨率就越小。分辨率小说明在相 同条件下，输出最小电压小。
第九章 数-模和模-数转换 2、转换误差 由于DAC的各环节不可避免地存在参数和性能方面的误 差，使得DAC也不可避免地存在误差。转换误差常用输出电压 满刻度FSR的百分数表示。 例如AD7520的线性误差等于0.05%FSR，就是说转换误差 等于满刻度的万分之五。 有的也用最低有效位的倍数来表示。 如果给出的转换误差等于1/2LSB，就是说输出电压的绝对 误差小于或等于输入只有最低有效位为1时的输出模拟电压的 一半。
第九章 数-模和模-数转换 （ 二）转换速度 建立时间tset 从输入数字量发生突变开始，直到输出电压进入与稳态值 相差±1/2LSB范围以内的这段时间。 一些产品通常规定为输入由全0变为全1(或由全1变为全0) 起，到输出稳定电压的一段时间。建立时间短，说明该DAC的 转换速度快。 通常，不包含参考电压电源和运算放大器的DAC，建立时 间最短可在0.l微秒以内。而包含参考电压电源和运算放大器的 DAC，建立时间最短的可达1.5微秒。 DAC的指标不止这些。在使用DAC时还必须查手册，了 解其他参数。
第九章 数-模和模-数转换
第三节 A/D转换器
一、模数转换的基本过程
模拟信号是一种幅度上及时间上都是连续的信号，而数字 信号是一种幅度及时间上皆离散的信号，要将模拟信号转换为 数字就需要完成这两个方面的转换。 首先是将时间上进行离散化处理，完成这一步是通过取样 来实现的。 另一步幅度离散是通过量化来实现的。 A/D转换实际的过程分为： 取样、保持、量化、编码四个过程。
第九章 数-模和模-数转换 当仅d0接有参考电压，其余接地时，电路如图。
V o1 = − R F i ∑ R/2 V REF = − 3 V REF • d 0 = − • 20 • d 0 2 R 24
第九章 数-模和模-数转换
R/ 2 VREF 0 Vo1 = − 3 VREF• d0 = − 4 • 2 • d0 2R 2
第九章 数-模和模-数转换
第九章 数-模和模-数转换
第九章 数-模和模-数转换 并行比较型ADC的精度取决于： (1) 量化电平的划分；划分越细（△越小），精度越高， 比较器和触发器的数目越多。 (2) 参考电压的稳定度。 (3) 分压电阻的精度和比较器的灵敏度。 从图上可以看出，当输出位数增加一位，其比较器的个 数增加一倍，由于比较器属于模拟电路，其集成度不是很高， 给制造带来不便，价格较高，一般较少使用。但这种转换电路 的最大优点是速度快，这是其它转换电路无法实现的，故在速 度较高的场合，如视频信号的ADC等常有使用。 另外，含寄存器的A/D转换电路可以不用附加取样—保持 电路。
R/ 2 VREF 1 Vo2 = − 2 VREF • d1 = − 4 • 2 • d1 2 R 2
R/ 2 VREF 2 Vo3 = − 1 VREF • d2 = − 4 • 2 •d2 2R 2
R/ 2 VREF 3 Vo4 = − VREF • d3 = − 4 • 2 • d3 R 2
第九章 数-模和模-数转换
第九章 数-模和模-数转换
§9-1 概述 §9-2 D/A转换器 §9-3 A/D转换器 §9-4 A/D与D/A应用知识 D/A
第九章 数-模和模-数转换
第一节
概
述
模数转换器和数模转换器是沟通模拟电路和数字电 路的桥梁，是数字电子技术中的重要组成部分
大多数物理量都可以转换为模拟电信号，它们必须经ADC 转换为数字信号后才能送计算机进行处理。同样，计算机输出 的数字信号必须经DAC转换为模拟信号后才能被某些类型的执 行机构所接收。
第九章 数-模和模-数转换
第二节 D/A转换器
一、权电阻网络D/A转换器
这是一个4位D/A 转换器，图上的 开关Si是受数字位 di控制的，当di=0 时开关接地，否 则，开关接VREF 由于电路是线性 电路，所以可以 用叠加原理进行 分析。 数模转换就是将离散的数字 量转换为连续变化的模拟量， 实现该功能的电路或器件称为 数模转换电路，通常称为D/A 转换器或DAC(Digital Analog Converter)。 DAC电路应由以下几部分构 成：参考电压源、求和运算放 大器、权产生电阻网络。
第九章 数-模和模-数转换 DAC产生误差的主要原因有参考电压VREF的波动，运算放 大器的零点漂移，电阻网络中电阻的阻值偏差，模拟开关的导 通电阻和导通电压的变化等。 (1) 比例系数误差：VREF波动引起的误差。 (2) 漂移误差：由运算放大器的零点漂移引起的。 (3) 非线性误差： (a) 由于模拟开关的导通电阻和导通电压不等于0，而且每 个模拟开关的导通电阻和电压也不等，模拟开关接VREF和接地 时的压降也不一定相等。这些原因使得误差电压不仅不是常 数，而且又不与输入数字量成正比。这种性质的误差叫做非线 性误差。 (b) 电阻网络中的电阻值存在偏差。每个支路的阻值偏差也 不同。不同支路上的电阻阻值偏差对输出电压的影响也不同。 这也使得误差电压与输入数字量之间不存在线性关系。
第九章 数-模和模-数转换
◆取样（Sample）
取样就是将一个时间上连续的模拟信号转换为时间上离散 变化的信号。具体说就是将随时间连续变化的信号转换为一串 脉冲，这个脉冲是等距离的，并且其幅度取决于输入的模拟量。 如下图所示:
第九章 数-模和模-数转换 在图中，如果取样频率较低时其输出的波形将不能严格保 留输入信号的信息，如果取样频率较高时，其转换的输出与输 入波形形状能做到较好的一致。 那么取样的频率如何确定呢？ 这频率的选择原则根据一个著名的定理，即取样定理。 取样定理描述了欲将模拟信号转变成离散信号，并且从离散 信号中可以恢复出其原始信号所需要的最低取样频率。如果 原始信号的最高频率为FH，则取样频率fs应遵循下面的公式：
四、 DAC的主要技术指标
（一）转换精度 l、分辨率 分辨率可用DAC的位数表示。n位DAC的输出电压能够给 出2n个不同的数量等级。当然DAC的位数高，它的输出电压等 级就多，每个电压等级对应的电压值就越小。这从理论上讲可 以表示DAC的精度。 分辨率用来表示DAC能够分辨输出最小电压的能力。分辨 率也可用DAC输出的最小电压与输出最大电压之比表示。输出 最小电压是指输入数字量只有最低有效位为1时的输出电压。输 出最大电压是指输入数字量各位全为1时的输出电压。
第九章 数-模和模-数转换 2、反馈比较型ADC 反馈比较方法的基本思想是，每次取一个数字量加到 DAC，经D/A转换便得到了一个模拟电压。用这个模拟电 压和被转换的输入模拟电压去比较，如果不相等，调整所 取的数字量，直至两个模拟电压相等为止。 反馈比较的方法是采用器件少的设计方案。 反馈比较方法和用天秤称重物的过程相似。用天秤称重 物有两种方法。 针对这两种方法实现反馈比较有计数和逐次逼近两种方式。 (1) 计数型A/D转换器 每次加一个等值的砝码，直到砝码和重物相等为止。每 次加一个砝码的做法实质是在做加法计数。
fs≥2FH
上面公式给定了最低的取样频率，实际使用的频率一般 为原始信号最高频率的3～5倍左右。
第九章 数-模和模-数转换 常见的几种取样情况的基带信号（即原始信号）频率和取 样频率的对照表：
◆保持（Hold）
第九章 数-模和模-数转换 典型的取样－保持电路原理图
为了将采样后的输出信 号转换为数字信号，需 要一定的时间对采样值 进行量化和编码，在这 段时间内，采样值应保 持稳定不变，这样才可 以稳定地进行量化编码。 因此，采样后的输出信 号必须通过保持电路保 持一段时间。 保持电路实际上 是使用了电容的存储 特性，实际使用时取 样与保持两个是合二 为一的。 当vL为高电平时，T导通。输入经 R1和T向电容CH充电；若取R1= RF， 充电结束后vo= vC= - vi ---采样。 当vL为低电平时，T截止。---保持