数字电子技术基础第八章

u D Ｉ “[ ]”表示取整。 △ 称为 ADC 的单位量化电压或量化单位， 它是 ADC 的最小分辨电压。
可见，输出数字量 D 正比于输入模拟量 uI 。
EXIT
…
数模和模数转换器
A /D 转换的一般步骤
输入模拟量 输出数字量
u I( t) S
C
u I ( t)
量化 编码 电路
EXIT
数模和模数转换器
2R
2R
I0
I0 2R R
I1 A
I12R R
I2 B
I22R R
I3 C
I3
VREF I
从 A、B、C 节点向左看去，各节点对地的等效电阻均为 2R。 VREF 因此，I = R I3 I I I 2 ( I )， 3 = 2 I3 = I = = 2 = 2 ( 24 )， 2 2 24 4 I1 I2 I I I 0( I ) 1 = 2 = 2 ( 4 )，I0 = 2 = I1 = = 24 16 2 2 8 I VREF 3 2 1 0 4 即 I3 = 2 I0 ， I2 = 2 I0 ， I1 = 2 I0 ， I 0 = 2 I0 4 2 2 R 可见，支路电流值 Ii 正好代表了二进制数位 Di 的权值 2i 。 EXIT
数模和模数转换器
模拟开关 Si 受相应数字位 Di 控制。当 Di = 1 时，开 关合向“1”侧，相应支路电流 Ii 输出；Di = 0 时，开关 合向“0”侧， Ii 流入地而不能输出。 iΣ = D3 I3 + D2 I2 + D1 I1 + D0 I0 = ( D3 23 + D2 22 + D1 21 + D0 20 ) I0 = D I0 VREF RF V R REF u = D I0 RF 4 0O ΣR F = -4 F = -D· u =- iD · 2 R 2 R RF D0 D1 D2 D3 VREF R iF Σ ∞ u = D · 对 n 位 DAC， O n - + 2 R VREF + 1 1 1 1 0 R =R 0 0 0· n 若取 S1 uO= SD F S0 ， 则 2 2 S3 2R n 位 2RDAC R I12R V 2R 分成 将参考电压 I0 2 I2REF I3 2n 份，uO 是 R R DAC 的输出电压。 R 可调节 每份的 D 倍。调节 VREF VREF I0 I1 I2 I3 I
精度高，性能最佳。
EXIT
数模和模数转换器
(二) 主要参数
1. 分辨率 DAC 指 的最小输出电压变化量， D/A 转换器模拟输出所能产生的最 也即 DAC 的最小输出电压值 小电压变化量与满刻度输出电压之比。
U LSB 1 分辨率 n U FSR 2 - 1
表示满度输出电压值，FSR 即 Full Scale Range
EXIT
数模和模数转换器
采样定理：当采样频率不小于输入模拟信号频谱 采样信号是否会丢 中最高频率的两倍时，采样信号可以 失原信号的信息呢？ 不失真地恢复为原模拟信号。
量化误差：因模拟电压不一定能被 ULSB 整除， 对信号进行量化会 引起误差吗？ 量化时舍去余数而引起的误差。
量化误差大小与 ADC 的位数、
数模和模数转换器
[例] 右图为 CDA7524 的单极性 D7 输出应用电路。图 D6 中电位器 R1 用于调 D5 整运放增益，电容 D4 C 用以消除运放的 D3 D2 自激。已知 ULSB = D1 VREF / 256，试求满 D0 度输出电压及满度 CS 输出时所需的输入 WR 信号。
VDD VREF = 10V 4 14 15 2 k 5 R1 6 16 7 1 k 8 C 15 pF 9 CDA7524 OUT1 10 ∞ 1 11 OUT2 - + u O 12 2 + 13 3
△
uO
EXIT
数模和模数转换器
三、常用 DAC 的类型和主要参数
(一) 常用 DAC 的类型
常用 DAC 主要有权电阻网络 DAC、 R - 2R T 形电阻网络 DAC、R - 2R 倒 T 形电阻网络 DAC 和权电流网络 DAC。其中，后两者转换速度快，
性能好，因而被广泛采用，权电流网络 DAC 转换
EXIT
数模和模数转换器
四、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。 2、 分类
CMOS电子开关 双极型电子开关 3、 CMOS模拟电子开关 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。 EXIT
T A
Ch
vo
vL
A1 UI Ch
A2
UL
EXIT
数模和模数转换器
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。
Analog - Digital Converter，简称 A/D 转换器或 ADC。
EXIT
数模和模数转换器
为何要进行数模和模数转换？
数字量
数字量
模拟量
模拟量
传感器
被控对象
自然界物理量
EXIT
数模和模数转换器
二、数模和模数转换器应用举例
数 四 压力传感器 模拟控制器 二、数模和模数转换器应用举例 DAC 字 路 控 模拟控制器 温度传感器 DAC 模 ADC 制 拟 模拟控制器 流量传感器 DAC 计 开 算 关 液位传感器 DAC 模拟控制器 数字 机 信号 物理量 模拟信号 … … …
UFSR = 例如，一个 uO|D = 11 1 = 10 ( 2n – 1 )DAC ULSB 位的 ，分辨率为 0.000 978。 DAC 的位数越多，分辨率值就越小， 能分辨的最小输出电压值也越小。 EXIT
n 位均为 1
数模和DAC 实际输出模拟电压与理 想输出模拟电压间的最大误差。
基准电压 VREF 和量化方法有关。 EXIT
数模和模数转换器
(一) 电路组成与转换原理
D0
10 S0 I0 2R R I1
D1
10 S1 I12R R I2
D2
10 S2 I22R R I3
D3
RF
iΣ + ∞
△
+
uO
0 2R 2R I0
1 S3 I3
VREF I
模拟开关 Si型电阻网络、模拟开关和一个电流 打向“1”侧时，相应 2R 支路接虚 由倒 T 地；打向“ 0”侧时，相应 R 支路接地。故无论开 电压转换电路 (简称 I/U 2 转换电路 )组成。 关打向哪一侧，倒 T 型电阻网络均可等效为下图：
它是一个综合指标，不仅与 DAC 中元件参数的精 度有关，而且与环境温度、求和运算放大器的温度漂 移以及转换器的位数有关。 要获得较高精度的 D/A 转换结果，除了正确选用 DAC 的位数外，还要选用低漂移高精度的求和运算放 大器。 通常要求 DAC的误差小于 ULSB / 2。
3. 转换时间
指 DAC 在输入数字信号开始转换，到输 出的模拟信号达到稳定值所需的时间。 转换时间越小，转换速度就越高。
D1 D0 …
O
Dn-1 Dn-2
模拟电压输出
D = (Dn-1 Dn-2 D1 D0 ) 2 = Dn-1 2n-1 + Dn-2 2n-2 + + D1 21 + D0 20 输出模拟电压 uO = D△ = (Dn-1 2n-1 + Dn-2 2n-2 + + D1 21 + D0 20 )△ 输入数字量 △ 是 DAC 能输出的最小电压值，称为 DAC 的单 可见， uO ∝ D，uO 的大小反映了数字量 D 的大小。 位量化电压，它等于 D 最低位(LSB)为 1、其余各位均 为 0 时的模拟输出电压(用 ULSB 表示)。 LSB — Least Significant Bit EXIT
数模和模数转换器
组成： 实现求和。通常接成反相比 1）求和运算放大器： 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2
n-1
…..2 。
0
4）基准电源： 保证系数△的一致性，要求精度高。
EXIT
数模和模数转换器
二、R - 2R 倒 T 形电阻网络 DAC
△
R2
解：当 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 = 11111111 时，输出为满度值。
UＦＳＲ 2 - 1U LSB
8
uO = - UFSR - 9.961 V。
VREF 2 550 255 9.961Ｖ 256 256
EXIT
数模和模数转换器
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。
EXIT
数模和模数转换器
8.3 A/D 转换器
主要要求：
了解模数转换的基本原理。
了解常用 A/D 转换器。
了解 A/D 转换器的主要参数。
EXIT
数模和模数转换器
一、A /D 转换的基本原理和一般步骤
基本原理
模拟输 入信号 uI Dn-1 Dn-2
ADC
D1 n 位二进制数输出 D0 D = Dn-1 Dn-2 D1 D0
Dn-1 D1 D0
…
采样保持电路
采样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。 保持：保持采样信号，使有充分时间转换为数字信号。 量化：把采样保持电路的输出信号用单位量化电压的 整数倍表示。 编码：把量化的结果用二进制代码表示。 EXIT
数模和模数转换器
EXIT
数模和模数转换器
Rf Ri
vI
网络和电子模拟开关两部分，常用于一般的电子电 路。另一类内部除含有电阻网络和电子模拟开关外， 还带有数据锁存器，并具有片选控制和数据输入控 制端，便于和微处理器进行连接，多用于微机控制 系统中。
EXIT
数模和模数转换器
2. 8 位 CMOS 集成 D/A 转换器 CDA7524 简介 VDD
电源电压范围 + 5 V ~ + 15 V 10 k 10 k 10 k 15 内部反馈电阻 VREF RF 的引出端 … 20 k 20 k 20 k 20 k 20 kΩ 16 RFB 基准电压输入端 … S1 S2 S7 10 k iΣ VREF 可正可负 S0 两个输出端，一般将 OUT2 1 OUT 1 片选控制端 2 接地，OUT1 接运放反向端。 OUT2 12 CS 13 接地端 3 数 据 锁 存 器 GND WR 8 位数据输入端， … 11 4 6 5 写信号控制端 其电平与 TTL 电平兼 D0 D7 D6 D5 容。MSB 表示最高位， (LSB) LSB 表示最低位。 (MSB) EXIT
数模和模数转换器
第8章
数模和模数转换器
概 述
D/A 转换器 A/D 转换器 本章小结
EXIT
数模和模数转换器
8.1 概
主要要求：
述
理解数模和模数转换器的概念和作用。
EXIT
数模和模数转换器
一、数模和模数转换的概念和作用
数模转换即将数字量转换为模拟电量(电压或电 流)，使输出的模拟电量与输入的数字量成正比。 实现数模转换的电路称数模转换器 Digital - Analog Converter，简称 D/A 转换器或 DAC。 模数转换即将模拟电量转换为数字量，使输出 的数字量与输入的模拟电量成正比。 实现模数转换的电路称模数转换器
…
生
产
控
制
对
象
EXIT
数模和模数转换器
8.2
主要要求：
D/A 转换器
了解数模转换的基本原理。
了解 R - 2R 倒 T 形电阻网络 D/A 转换器的 电路与工作原理。 了解常用 D/A 转换器的类型和主要参数。
EXIT
数模和模数转换器
一、数模转换的基本原理
n 位二 进制数 输入
一、数模转换的基本原理 DAC u
数模和模数转换器
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。 EXIT
数模和模数转换器
EXIT
数模和模数转换器
五、集成 DAC 应用举例
1. 集成 DAC 简介
四、集成 DAC应用举例 常用集成 DAC 有两类：一类内部仅含有电阻