数字电子技术基础 第九章 模数与数模转换器

⎟⎞ ⎠
单只01极有性大10输小出，时没10 ，有其极10 数性字，10 量8位为10二无进符10制号数位10全的部二用进±于±VV制RER表FEF码⎜⎝⎛⎜⎝⎛1示2122525，7686数⎟⎠⎞⎟⎠⎞
(
Di
⋅
2i
)
⎤ ⎥⎦
(1)基准电压稳定性好； (2) 倒T形电阻网络中R和2R电阻比值的精度要高； (3) 每个模拟开关的开关电压降要相等 (4)为实现电流从高位到低位按2的整数倍递减，模拟开关 的导通电阻也相应地按2的整数倍递增。 为进一步提高D/A转换器的精度，可采用权电流型D/A转换器。
25
数模转换器
Vo 模拟信号
00000011
数字输入 数模转换的实现
4
2. ADC和DAC中关于数字量与模拟量之间的一般关系式
1）天平称量物体：设总称量为WR，并有n个砝码
WR 2
, WR 4
, WR 8
" WR 2n−1
, WR 2n
1 有效 ai 0 无效 天平基本平衡时，有效砝码的总重量与称量物体的重量相当：
电阻网络 R
S1 S2
i1
R /2
，i2
R /4
S3
i3 I2 R /8
iΣ
，
(MSB D3 D2 D1 D0 (LSB)
,
锁存器
求和电路
Rf=R
– A
+
vO 模拟量输出
i0
=
VREF D0 R
i1
=
2V REF D 1 R
i2
=
4VREF D2 R
i3
=
8V REF R
D3
数字量输入
vO = −Rf ( i3 + i2 + i1 + i0 )
T型电阻网络DAC
按解码网络 D/A 结构分类 转 换
倒T形电阻网络DAC 权电流DAC 权电阻网络DAC
器
按模拟电子开 CMOS开关型DAC 关电路分类 双极型开关型DAC
电流开关型DAC
ECL电流开关型DAC
15
5、实现D/A转换的原理电路：权电阻网络
基准电压 +
VREF –
电子开关
S0 i0
D/A转换器的倒T形电阻网络
流过各开关支路的电流：I3 =？I2 =？ I1 =？ I0 =？
基准电源VREF提供的总电流为：I =？
R
R
R
R
A
B
C
D
I/16
I/8
I/4
I/2
2R
2R
A
I/16
I0 2R
R B
I/8
I1 2R
R
I/4 C
I2 2R
R
D I/2
I3
I = VREF
I
R
VREF
流入每个2R电阻的电流从高位到低位按2的整数倍递减。
∑ v o
=
− RF R
×
VR 2 n −1
n −1
ai 2i
i=0
VR 寄存指令
Ii
=
VR Ri
=
VR 2 n −1−i R
=
VR 2 n−1 R
2i
∑ ∑ ∑ I
=
n −1
Ii =
i=0
n −1 i=0
VR 2 n−1 R
ai 2i
=
VR 2 n−1 R
n −1 i=0
ai 2i
17
2. T型电阻网络DAC
18
2. T型电阻网络DAC
节点 0
2R
2R
2R
节点 0
节点 1
VR
R
3
2R 2R
VR
任何一位(a数) 码ai=1时，其对应节点的电压(b)vi=VR/3
该节点电压每向求和点N传递一个节点就衰减一半
∑ ∑ vA
=
v(n−1)
=
n −1
ai
i=0
× VR 3
×
⎛ ⎜⎝
1 2
⎞n ⎟⎠
−1−i
=
⎛ ⎜⎝
0R 1 R
R n−3 R n−2 R n−1 2R n RF
…
A
2R
2R 2R
2R
2R
2R
－
S0
S1
Sn−3
Sn−2
Sn−1
＋
vO
＋ VR
－
节点 0
节点 0
节点 1
a0
a1
an−3
an−2
an−1
2R
2R
VR
R
2R
2R
3
2R
T型电阻VR 网络的特点是网络中任何一个节点向
3个支路(a) 方向看的对地等效电阻均为2(Rb)
9.1.4 D/A转换器的输出方式
8位D/A转换器在单极性输出时的输入/输出关系
MSB
数字量
LSB
模拟量
11111111
± V REF
⎜⎛ ⎝
255 256
⎟⎞ ⎠
单极性输出时，其…输入数字量采用自然二进制…
码1，与0输出模0 拟电0 压的0 关系0 是：0 1
± V REF
⎜⎛ ⎝
129 256
=
−
Rf R
⋅ VREF 24
3
(Di ⋅ 2i )
i=0
n 位倒T形电阻网络DAC有：
∑ υ O
= − VREF 2n
⋅ Rf R
⎡ ⎢⎣
n −1 i=0
(
Di
⋅
2i
) ⎤⎥⎦
令：
K = VREF ⋅ Rf , 2n R
则 υO = – K NB
n −1
∑ N B = ( Di ⋅ 2i ) i=0
∑ V o
=
VR 2n
⎛ ⎜⎝
n −1 i=0
ai
Biblioteka Baidu
⋅
2i
⎞ ⎟⎠
ai｛
1 0
加入该合成标称值 不加入该合成标称值
给定VR和n，VO就与{ai}＝｛ai-1,ai-2...,a1,a0｝一一对应
例：设VR＝2.56V，n＝8，则当{ai}＝｛11111111｝，VO＝2.56V
{ai}＝｛10001010｝，VO＝1.38V {ai}＝｛00000001｝，VO＝0.01V
I3= VREF / 2R I2= VREF / 4R I1= VREF / 8R I0= VREF /16 R
21
(LSB)
D0
D1
(MSB)
D2
D3
iΣ
Rf –
υO +
S0
S1
S2
S3
2R
I
I
I
I
2R 16 2R 8 2R 4 2R 2
R
R
R
+VREF
I
I
I
I
I
16
8
4
2
流入运放的总电流： i∑ ＝ I0 + I1 + I2 + I3
1.428 0.714
分辨率0.333V
0
000 001 010 011 100 101 110 111 D
0000 0010 0100 0110 1000 1010 1100 1110 D
13
3、 D/A转换器的组成:
基准电压
∑ V o
=
VR 2n
⎛ ⎜⎝
n −1 i=0
ai
⋅
2i
⎞ ⎟⎠
n 位数字
数码
n 位模
解码
求和 模拟量
量输入 寄存器
拟开关
网络
电路
输出
用存放在数 字寄存器中的 数字量的各位 数码
由输入数字 量控制
产生权电流
DAC的数字数据可 以并行输入也可串 行输入
• 电阻网络 • 模拟电子开关 • 求和运算放大器
将权电流相 加产生与输入 成正比的模拟 电压
14
4、 D/A转换器的分类:
T型或倒T型DAC
7
教学基本要求
了解电子系统的一般组成及模数与数模转换的接 口关系，深入理解模数与数模转换的一般关系式
掌握数模转换器实现电路的原理分析：权电阻网 络、T型和倒T形电阻网络
理解数模转换的四步骤：采样、保持、量化、编 码
掌握模数转换器实现电路的原理分析：并行ADC、 串行ADC和并串行ADC
9
9.1.1 D/A转换的基本原理
1、DAC的功能：将数字量转换为与之成正比模拟量 。
4位 8位
n= 10位
12位 16位
数字量 n位
DAC
模拟量
0~5V 或 0~10V 或 －5V~＋5V 等
A= K D
υO = – K NB
10
2. 实现DAC的基本思想
将二进制数ND＝(11001)B转换为十进制数。
ND＝b4×24＋b3×23＋b2×22＋b1×21＋b0×20 ＝1×24＋1×23＋0×22＋0×21＋1×20
数字量是用代码按数位组合而成的， 对于有权码，每位代 码都有一定的权值，如能将每一位代码按其权的大小转换成 相应的模拟量， 然后，将这些模拟量相加，即可得到与数字 量成正比的模拟量， 从而实现数字量--模拟量的转换。
在电路中输入的每一个二进制数NB，均能得到与之成正比的 模拟电压输出。
23
2.集成D/A转换器 AD7533D/A转换器
D0
D1
D2
D7
AD7520
10位CMOS电流开关型D/A转换器
D8
D9
10KΩ
RF
R
IOUT1
–
IOUT2
υO
+
2R 2R
2R
2R
R
R
R
2R
2R
2R
10KΩ 20KΩ
R
R
VREF
D2
D3 i∑
–
+
电阻网络
2R
S0
2R
I/16 R
2R
S1
I/8 R
2R
S2
S3
I/4 R
2R
I/2
输 出
vO
模
拟
电
压
+VREF
基准电压
I
I
I
I
I
16
8
4
2
根DD据ii==运01何,,放种SSii•••线则接位电模求性将运置阻拟和运，电算网电运用与阻放络子算时S2大i虚开放相R器接地连关大反地的的器相概2R端念电，可阻知电将，流接无I“i地流论”入模或求拟虚开和地关电。S路i处于20
vO = VREF ( D3 23 + D2 22 + D1 21 + D0 20 )
3
= VREF ∑ Di ⋅ 2i
i=0
16
权电阻网络DAC
电阻品种多且
a0
a0
S0 2n−1R
阻值范围太宽
RF
a1
a2 …
数
字
寄
存
器
…
S1 2n−2R S2 2n−3R
N
－
＋
vO
an−1
an−1
Sn−1 20R
VX＝1.38V，{ai}＝｛10001010｝ 只舍不入ADC VX＝0.01V，{ai}＝｛00000001｝
6
3） 合成电压：设最大合成电压为VR，并有n个合成标称值
VR 2
, VR 4
, VR 8
"
VR 2 n −1
,
V 2
R n
输出合成电压值与输入数字量{ai}＝｛ai-1,ai-2...,a1,a0｝成正比：
计算机进行数字处 理（如计算、滤 波）、保存等
用模拟量作为 控制信号
模拟 传感器
A/D 转换器
数字控制 计算机
D/A 转换器
模拟 控制器
工业生产过程控制对象
ADC和DAC已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。
3
9.0 ADC与DAC概述
基准电压
Vi 模拟信号
模数转换器
模数转换的实现
基准电压
00000011 数字输出
11
2. 实现DAC的基本思想
系数K
∑ V o
=
VR 2n
⎛ ⎜⎝
n −1
ai
i=0
⋅
2i
⎞ ⎟⎠
输出合成电压值与输入数字量{ai}＝｛ai-1,ai-2...,a1,a0｝成正比
输入数字量｛ai-1,ai-2...,a1,a0｝是n位有权码组合
DAC 即是实现将每一位代码按其权的大小转换成相 应的模拟量, 再将这些模拟量相加。即得到与数字量 成正比的模拟量
WX
=
an−1
⋅
WR 2
+
an−2
⋅
WR 4
+
an−3
⋅
WR 8
"
+
a1
⋅
WR 2n−1
+
a0
WR 2n
5
2） 测量电压：设总量程为VR，并有n个测量标准值
VR 2
, VR 4
, VR 8
"
VR 2 n −1
,
V 2
R n
被测电压值与有效测量标准值之和相当：
VX
=
a n −1
⋅ VR 2
+
an−2
输出模拟电压：
=
V REF
(
D 0
+
D 1
+
D 2
+
D 3
)
R 24
23
22
21
∑ υ
= −i
R
=
−
R f
⋅ VREF
3
( D ⋅ 2i )
O
Σf
R 24 i=0
i
[ ] ∑ υ
=
− VREF
⋅
R f
n−1
( D ⋅ 2i )
22
O
2 R n i=0
i
4 位倒T形电阻网络DAC的输出模拟电压：
∑ υO = −iΣ Rf
⋅ VR 4
+
an−3
⋅ VR 8
"
+
a1 ⋅
VR 2 n −1
+
a0
VR 2n
∑ V X
=
VR 2n
⎛ ⎜⎝
n −1
ai
i=0
⋅ 2i
⎞ ⎟⎠
1 有效 ai 0 无效
给定VR和n，{ai}＝｛ai-1,ai-2...,a1,a0｝就与VX一一对应
例：设VR＝2.56V，n＝8，则当VX＝2.55V，{ai}＝｛11111111｝
9 模数与数模转换器
Analog Digital Converter and Digital Analog Converter
9.0 概述 9.1 D/A转换器 9.2 A/D转换器
1
9.0 ADC与DAC概述
2
9.0 ADC与DAC概述
数字控制系统构成框图
将温度、压力、流 量、应力等物理量 转换为模拟电量。
正确理解DAC和ADC的主要性能参数：分辨率、精 度、转换或建立时间
了解集成DAC和ADC的特点
8
9.1 D/A转换器
9.1.1 D/A转换的基本原理 9.1.2 倒T形电阻网络D/A转换器 *9.1.3 权电流D/A转换器 9.1.4 D/A转换器的输出方式 9.1.5 D/A转换器的技术指标 9.1.6 D/A转换器的应用
12
D0 D1
.. .
Dn-1 输入
v o/V
D/A转换器
vo
输出
输出电压最大值7V
vo/V
7 6 5
4 3 2 1 0
000 001 010 011 100 101 110 111 D
5.000 4.286 3.571
输出电压最大值5V 分辨率0.714V
2.857 2.143
输出电压最大值5V
VR 3
⎞ ⎛ 1 ⎞n−1 ⎟⎠⎜⎝ 2 ⎟⎠
n −1
ai 2i
i=0
∑ vo
=
RF 2R
vA
=
−RF × VR 3R 2n
n−1
ai 2i
i=0
19
9.1.2 倒T形电阻网络D/A转换器
1、4位倒T形电阻网络D/A转换器
输入4位二进制数
求和运算放大器
(LSB)
(MSB)
Rf
模拟电子开关
D0
D1
使用:1)要外接运放，
2)运放的反馈电阻可使用内部电阻 ， 也可采用外接电阻）
∑ υO
= − VREF 210
⋅ Rf R
⎡ ⎢⎣
9 i=0
( Di
⋅
2i
)
⎤ ⎥⎦
24
关于D/A转换器精度的讨论
为提高D/A转换器的精度，对电路参数的要求：
∑ υO
= − VREF 2n
⋅ Rf R
⎡ ⎢⎣
n −1 i=0