数字电子技术及应用第6章节

第 6 章 数模和模数转换,引 言,一、数模和模数转换器的作用,由此可见，模拟-数字转换器和数字-模拟转换器是数字系统和模拟系统相互联系的桥梁，是数字系统中不可缺少的组成部分。,数模转换是把数字量转换为模拟量的过程。,实现数模转换的电路称为数模转换器。,Digital - Analog Converter，简称 D / A 转换器，或称DAC。,模数转换是把模拟量转换为数字量的过程。,实现模数转换的电路称为模数转换器。,Analog - Digital Converter，简称 A / D 转换器，或称ADC。,二、数模和模数转换的概念,6.1 D/A 转换器,模拟开关 Si 打向 1 侧时，相应 2R 支路接虚地； 打向 0 侧时，相应 2R 支路接地。故无论开关打向哪 一侧，2R 支路中的电流不变。,6.1.1 R-2R 倒 T 型电阻网络 D/A 转换器,一、电路结构,从 A、B、C 、D节点向左看去，各节点对地的等效电阻均为 R。,二、 工作原理,故流入求和运算放大器输入端的总电流 i为,对于 n 位倒 T 形电阻网络 D/A 转换器，则有,故运算放大器的输出电压 uO 为,由于倒 T 形电阻网络 D / A 转换器中各支路的电 流恒定不变，直接流入运算放大器的反相输入端，它 们之间不存在传输时间差，因而提高了转换速度。,电路点评：,由于倒 T 型电阻网络中的电阻只有 R 和 2R 两 种，因此这两个电阻可以做到精度很高，提高了转 换精度。又由于各电阻支路都是直接通过电子开关 与求和运算放大器的同相端或反相端相连，在电子 开关切换过程中各电阻支路中的电流不变，减少了 电流建立时间，提高了转换速度，应用广泛。,解：4 位倒T型电阻网络D/A转换器的输出电压为：,波形分析举例,例 在倒 T 型电阻网络 D/A 转换器中，设VREF=-10V，R=RF，试分别求出： （1）当输入最小数字量 D3D2D1D0=0001 时，输出 uo 最小值； （2）当输入数字量 D3D2D1D0=1001 时，输出 uo 值； （3）当输入最大数字量 D3D2D1D0=1111时，输出 uo 最大值。,（2）uo=- (23×1+ 22×0+ 21×0+ 20×1) =5.625V,（3）uo=UO(max)=- (23×1+ 22×1+ 21×1+ 20×1 ) =9.375V,（1）uo=UO(min)=- (23×0+ 22×0+ 21×0+ 20×1 ) =0.625V,6.1.2 D/A 转换器的主要参数,一、分辨率,由此可见，D / A 转换器的位数 n 越多，分辨率 值就越小，能分辨的最小输出电压值也越小。对于一 个 10 位的 D/ A 转换器，分辨率为 0.000 978。,D / A 转换器的最低位有效数字量（0001）对应输出的模拟电压 ULSB 与最大数字量（1111）输出满刻度电压 UFSR 的比值。,二、转换精度,指 D / A 转换器在输入数字信号开始转换到输出模拟电压达到稳定值时所需的时间。,转换时间越短，转换速度就越高。,指 D / A 转换器输出模拟电压与理论输出模拟电压的最大差值。,在 D / A 转换过程中，产生误差的原因很多，常见的原因有运放的零点漂移、电子模拟开关接通时的导通压降、基准电压 VREF 的波动、R - 2R 倒 T 形电阻网络中电阻阻值的误差等。,三、转换时间,使用时需外接求和运算放大器和基准电压 VREF 。,6.1.3 集成 D/A 转换器的应用举例,一、集成 D/A 转换器 AD7520 介绍,二、应用举例,由 74163 和非门构成的 9 进制计数器的输出端Q0Q1Q2Q3作为 AD7520 的数据输入端低 4 位，高位数据均为 0 。,根据AD7520的工作原理，很容易得出其输出波形。,由 AD7520 构成的阶梯波发生器工作波形如下：,6.2 A/D 转换器,6.2.1 A/D 转换的一般过程,一、取样-保持电路,为了能较好地恢复原来的模拟信号，根据取样定理，要求取样脉冲 uS 的频率 fs 必须大于等于输入模拟信号 uI 频谱中最高频率 fI(max) 的 2 倍，即 fs 2 fI(max),当取样脉冲 uS 为高电平时，NMOS管导通，输入电压uI 经其对 C 迅速充电，使电容 C 上的电压 uC 跟随输入电压 uI 变化，在 tW 期间 uC = uI。,当取样脉冲 uS 为低电平时，NMOS管截止，电容 C 上的电压 uC 在 TS - tW 期间保持不变，直到下一个取样脉冲到来。这期间，输出电压 uO 始终跟随电容 C 上的电压 uC 变化。,要将取样-保持电路输出的样值电压变换成与其成正比的数字量，还必须对样值电压进行量化，通常用数字信号最低位（LSB）1 对应的模拟电压作为量化单位，用表示。将样值电压变为量化单位整数倍的过程称为量化。,在量化时，样值电压一般不能被 整除，非整数部分的余数被舍去，必然会产生误差，这个误差称为量化误差。,A / D 转换器的位数越多，量化单位越小，则量化误差也越小。,二、量化与编码,6.2.2 并联比较型 A / D 转换器,电阻分压器,一、电路组成,比较器,寄存器,优先编码器,6.2.2 并联比较型 A / D 转换器,二、工作原理,6.2.2 并联比较型 A / D 转换器,二、工作原理,uI,依此类推，当输入电压uI在0VVREF间变化时，寄存器状态和输出数字量的对应关系如下表所示。,电路点评：,并联比较型 A/D 转换器的优点是只需比较一 次就可获得输出的数字量，所以转换速度非常高。 缺点是为了实现高精度转换时，需要大量的 电压比较器和触发器以及复杂的优先编码器，这 导致电路很复杂，成本高。 因此，并联比较型 A/D 转换器多用在要求转 换速度高、精度要求不高的场合。,6.2.3 双积分型 A / D 转换器,一、电路组成,积分器是 A / D 转换器的核心部分。通过开关 S2 对被测模拟电压 uI 和与其极性相反的基准电压-VREF进行两次方向相反的积分，时间常数相同，均为= RC 。,6.2.3 双积分型 A / D 转换器,一、电路组成,检零比较器在积分器之后，用以检查积分器输出电压 uO 的过零时刻。当 uO 0 时，输出 uC = 0；当 uO 0 时，输出 uC = 1。,6.2.3 双积分型 A / D 转换器,一、电路组成,时钟控制门有两个输入端，第一个接检零比较器的输出 uC，第二个接标准时钟脉冲源 CP。当 uC = 1， G打开，计数器对时钟脉冲CP 计数；当 uC = 0 时，G关闭，计数器停止计数。,6.2.3 双积分型 A / D 转换器,一、电路组成,当 n 位二进制计数器计到 2n 个时钟脉冲时，计数器由 111 回到 000 状态，并送出进位信号使定时触发器 FFn 置1，即 Qn = 1，开关 S2 接基准电压 -VREF ，计数器由 0 开始计数，将与输入模拟电压 uI 成正比的时间间隔转换成数字量。,6.2.3 双积分型 A / D 转换器,二、工作原理,转换准备,6.2.3 双积分型 A / D 转换器,二、工作原理,1.第一次积分（取样阶段）,在时间 t = 0时，将开关 S1打到 A 侧，us1=+uI ，如右侧图（a）所示。,6.2.3 双积分型 A / D 转换器,二、工作原理,1.第一次 积分（取样阶段）,积分器开始对输入模拟电压+uI 进行积分，+uI 经电阻 R 对电容C 充电。由于+uI 在 0t1 时间内为恒定值，积分器输出电压 uo 随时间线性下降，如右图(b)中段所示。,6.2.3 双积分型 A / D 转换器,二、工作原理,对应右图(b)中段输出电压uo0，比较器输出uc=1，如右图（c）所示。,1.第一次 积分（取样阶段）,此时，时钟控制门G 打开，n 位计数器由0开始对周期为TCP的时钟信号进行计数。,6.2.3 双积分型 A / D 转换器,二、工作原理,在时间t=t1时，计满2n个时钟脉冲CP，计数器则由全1变为全0，Qn-1端输出负跃变的进位信号，FFn由0状态变为1状态，使开关S1由A侧打到B侧，uS1= -VREF，如右图(a) 所示。第一次积分结束。,1.第一次 积分（取样阶段）,6.2.3 双积分型 A / D 转换器,二、工作原理,在t1时刻积分器输出电压uo=|-UP|，也为电容C上的电压。第一次积分的时间T1为T1=2nTCP 可见T1为常数，同时R和C为固定值，因此积分器输出电压uo= =|-UP| 的大小与输入模拟电压uI成正比。,1.第一次 积分（取样阶段）,6.2.3 双积分型 A / D 转换器,二、工作原理,开关S1由A侧打到B侧时，积分器开始对基准电压 -VREF进行反向积分，电容C经电阻R放电，放电起始电压为此时积分器的输出电压uo=|-UP|，这时积分器输出uo0，比较器输出uC=1，时钟控制门G门打开，计数器又从0开始计数。,2.第二次积分（比较阶段）,6.2.3 双积分型 A / D 转换器,二、工作原理,由于-VREF在t1t2 时间内为恒定值（如右图（a）所示），为电容C放电提供了恒定电流i C，积分器输出电压uo由|-UP|线性上升，如右图（b）中段所示。,2.第二次 积分（比较阶段）,6.2.3 双积分型 A / D 转换器,二、工作原理,在时间 t = t2时，C 放电完毕，积分器输出电压uo上升到0，比较器输出uc由1变为0，时钟控制门G关闭，计数器停止计数，这时的计数值为N，第二次积分结束。第二次积分时间T2为： T2=NTCP,2.第二次 积分（比较阶段）,6.2.3 双积分型 A / D 转换器,二、工作原理,由于-VREF、R和C都为恒定值，所以第二次积分的时间T2取决于|-UP|的大小，在T2时间内计数器中的数字量N与|-UP|成正比，因此输出的数字量与输入的模拟电压uI成正比，从而实现了模拟量到数字量的转换。,2.第二次 积分（比较阶段）,电路点评：,双积分型 A/D 转换器在第一次积分时间T1内，对输 入模拟电压进行积分时，存在于输入信号中的干扰已被 积分器滤除掉，因此双积分型A/D转换器具有很强的抗 干扰能力、工作稳定。 同时，在前后两次积分过程中，采用了具有相同时间 常数 RC 的同一个积分器，因此，R、C参数的变化对转换 精度的影响可以忽略不计，所以转换精度高，电路也比较 简单。 它的主要缺点是完成一次转换需要进行两次积分，因 此转换速度较低。但由于优点十分突出，在对转换精度要 求比较高，转换速度要求较低的场合获得了广泛应用。,6.2.4 A / D 转换器的主要参数,一、分辨率,指 A / D 转换器输出数字量的最低位（LSB）变化一个数码时，对应输入模拟电压的变化量。,例如 最大输出电压为 5V 的 10 位 A / D 转换器的分辨率为 5V / 210 = 4.88 mV,分辨率也可用 A / D 转换器的位数表示。位数越多，能分辨的最小模拟电压值就越小，分辨能力也越高。,指 A / D 转换器实际输出的数字量与理论输出数字量之间的差值。,二、 相对精度,三、转换速度,例如 相对误差 （1 /2） LSB ，即说明实际输出数字量 和理想上得到的输出数字量之间的误差不大于最低 位 1 的一半。,转换速度是指 A / D 转换器完成一次转换所需的时 间，即从接到转换控制信号开始到输出端得到稳定数字 量所需的时间。转换时间越小，转换速度越高。,6.2.5 集成 A / D 转换器的应用举例,7106 是双积分型 A/D 转换器，它将数字电路和模拟电路集成在一块芯片上，具有输入阻抗高，功耗低，抗干扰能力强，转换精度高等优点。可直接驱动液晶显示器。,一、集成A/D转换器71