数字电子技术09-数-模和模-数转换

9
输出电压:
9.2 D/A转换器 3. 电路仿真
VREF vO = − 4 D4 = −0.625D4 2 VREF k = − 4 = −0.625V 2
运行
EWB
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9.2 D/A转换器 四、权电流型D/A转换器 1. 电路
(LSB) D0 D1 D2 (MSB) D3 R
iΣ
A
+
vo
S0
S1 I 16 I 8
23R I0 VREF
22R I1
2R I2
R I3
A
vO
VREF VREF 3 2 I = ∑ I i = 3 (d 3 2 + d 2 2 + d1 2 + d 0 ) = 3 D4 2 R 2 R VREF R VREF 一般：vO = − n Dn vO = − I = − 4 D4 2 2 2 VREF 特 ①译码网络简单； 转换系数： k = − n 2 点 ②阻值相差大，精度低。
S2 I 4
S3 I 2
2. 工作原理
V REF
I I I I iΣ = d 3 + d 2 2 + d 1 3 + d 0 4 2 2 2 2 I IR = 4 D4 vO = iΣ R = 4 D4 2 2
IR 一般： vO = n Dn 2
IC:
DAC0806 DAC0807 DAC0808
IR k= n 2
第九章 数－模和模－数转换—第27讲 9.1 概述 9.2 D/A转换器— Digital to analog converter 9.3 A/D转换器—Analog to digital converter
第九章 数-模和 模-数转换 第27讲
1
9.1 概述
9.1 概述
模数转换器(Analog to digital converter)： 能将模拟量转换为数字量的电路。ADC、A/D转换器 数模转换器(Digital to analog converter) ： 能将数字量转换为模拟量的电路。DAC、 D/A转换器
Q7
I7 I6 D2 (MSB) D1
C6
CO6 CO5
Q6
Q5 Q4
I5 优 先 I4 编 码 I3 器
CO4
C3
CO3
Q3
D 0 (LSB)
R 3 VREF 15 R 1 V 15 REF R/2
C2
CO2
Q2
I2 I1
C1
CO1
Q1
vI
CP
电压比较器
代码转换器
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9.3 A/D转换器 实际IC： TI公 TLC5510：8Bit、20MSPS(Mega-Samples per Second)
电压范围 状态 编码 例： S0 0~1/8 000 3 表 S1 1/8~2/8 001 位 示 S2 2/8~3/8 010 二 0~1 3/8~4/8 S3 011 S4 4/8~5/8 100 进 V 制 电 5/8~6/8 S5 101 数 压 6/8~7/8 S6 110 7/8~1 S7 111 误差:1/15V =△/2 电压范围 状态 编码 S0 0~1/15 000 S1 1/15~3/15 001 S2 3/15~5/15 010 S3 5/15~7/15 011 S4 7/15~9/15 100 9/15~11/15 S5 101 11/15~13/15 S6 110 S7 13/15~1 111
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9.2 D/A转换器 例9.1 在10位倒T型电阻网络DAC中，VREF=-10V。 为保证VREF偏离标准值所引起的误差小于1/2LSB， 计算VREF相对稳定度应取多少？ VREF k=− n 解： 2
1 LSB = − VREF ⋅ 1 2 210 2
∆vOMAX =
∆VREF
∴
∆VREF VREF
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9.3 A/D转换器 二、 并联比较型A/D转换器—Flash ADC
VREF
特点：
•速度快， 转换时间<50ns； •不需取样-保持 电路； •电路复杂。 2n-1个比较器、 触发器
R 13 V 15 REF 11 R V 15 REF R C5 R C4 R C7
CO7
1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 寄存器
DAC5573：电阻串、8bit、8us、I2C。 TLC7225：T型电阻、8bit、10us、并行。
不含运放的DAC最短: 0.03μS。
DAC0832：T型网络、8bit、1us。 AD7520：T型网络、10bit、1us。 DAC900：电流源阵列、10bit、30ns。 DAC0808：权电流源、8bit、150ns。
210 210 210 ≤ 11 10 = 0.049% 2 (2 − 1)
⋅ FSR =
∆VREF
⋅ (210 − 1) ≤ −
VREF 211
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9.2 D/A转换器 七、 实际DAC—AD7520
电路结构
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9.2 D/A转换器
20
9.2 D/A转换器
作业：9-2、9-3、9-5
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9.3 A/D转换器 一、 基础知识 1. A/D转换步骤：
CPS
9.3 A/D转换器 第28讲
v（t） IS来自vI t） （ADC的 量化编码电路
. . .
Dn-1 D1 D0
输入模拟电压
数字量输出 ADC 取样保持电路 取样展宽信号 （n位）
转换器组成：
取样—Sampling 保持
量化—Quantization 编码
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9.3 A/D转换器 2. 采样-保持(Sample-and-hold) 采样： 采样频率fS fS太高： Nyquist采样定理：
DAC的组成： 位权译码网络、 模拟开关、 求和运算、 基准源
权电阻网络、(倒)T型电阻网络、 权电流型、权电容网络、开关树型等
5
9.2 D/A转换器 二、 权电阻网络D/A转换器(4位) 1. 电路 权电阻网络：
23R 22R I1 2R I2 R I3 I0 电流 模拟开关： VREF 开关控制 I A vO R/2
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9.2 D/A转换器 五、其它D/A转换器 开关树型
权电容型
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9.2 D/A转换器 双极性输出DAC 有符号二进制数可以用补码表示，模拟输出有正负极性。 补 码 v (V) d2 d1 d0 O 3 0 1 1 2 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 -1 1 1 0 -2 1 0 1 -3 1 0 0 -4 取反 原 码 正常 -4V d2 d1 d0 vO(V) vO(V) 1 1 1 7 3 1 1 0 6 2 1 0 1 5 1 1 0 0 4 0 0 1 1 3 -1 0 1 0 2 -2 0 0 1 1 -3 0 0 0 0 -4 输 出 下 偏 移 4V
示意图：
D0 D1
其中，k是转换比例系数
vo/V
7 6 5 4 3 2 1 0 000 001
. . .
Dn-1 输入
D/A转换器
vo
输出
010 011 100 101
110 111 D
4
9.2 D/A转换器 基 本 原 理 将每一位二进制代码按其位权转换成模拟量， 然后将这些模拟量相加，和与数字量成正比， 这样便实现了从数字量到模拟量的转换。
一个连续变化的模拟信号， 假设信号有最高频率或带宽fmax， 若能满足 fS≥2fmax，即采样频率 不小于模拟信号最高频率的两倍， 则采样后的离散序列就能无失真 地恢复出原始连续模拟信号。
fS太低：
信号细节丢失 数据量太大
例：用44.1kHz的采样频率 进行采样，则可还原最高为 22.05kHz的频率—略高于人 耳的听觉极限
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9.2 D/A转换器 电路：
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9.2 D/A转换器 六、 D/A转换器的主要技术指标 1.转换精度 ①分辨率—DAC模拟输出电压可能被分离的等级数。 输入数字量位数越多，分辨率越高。在实际应用中， 常用数字量的位数表示D/A转换器的分辨率。 也可用：最小输出电压(数字量：0001)与最大输出电压(数 字量：全1，记FSR—Full Scale Range）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)。 10位D/A转换器的分辨率:
1 1 = ≈ 0.001 10 1023 2 −1
分辨率: 理论精度，没有考虑转换误差。
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9.2 D/A转换器 ②转换误差—比例系数误差、失调误差、非线性误差。
通常转换误差 < LSB/2
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9.2 D/A转换器 2.转换速度 建立时间（tset）—从输入的数字量发生变化开始， 到输出电压变化为相应稳定值 (误差<±LSB/2)所需的时间。 含运放的DAC最短: 1.5μS。
基准源： 接地 当前输入 求和运算：
d0 1
d1 1
d2 0
d3
MSB最高位
0 Most Significant Bit
LSB最低位—Least Significant Bit
6
9.2 D/A转换器 2. 工作原理
R/2 I
VREF I0 = d0 3 2 R VREF I2 = d2 2R
VREF I1 = d1 2 2 R VREF I3 = d3 R
仿
真
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9.3 A/D转换器 三、 反馈比较型A/D转换器 Dn → D / A → v A 方法： 如何改变？ 改变Dn
7
d0
d1
d2
d3
9.2 D/A转换器 三、 倒T形电阻网络D/A转换器 (4位) 1. 电路