数--模与--模数转换电路ppt课件

第第7 7章章 数数/模与模模与模/数转换电路数转换电路课时：3学时安徽电子信息职业技术学院信息工程系第7章 数/模与模/数转换电路课时：3学时1第第7 7章章 数数/模与模模与模/数转换电路数转换电路7.1 D/A7.1 D/A转换器转换器7.2 A/D7.2 A/D转换器转换器本章小结本章小结第7章 数/模与模/数转换电路7.1 D/A转换器7.2 27.1 D/A转换器转换器7.1.1 D/A7.1.1 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理7.1.2 7.1.2 倒倒T T型电阻网络型电阻网络D/AD/A转换器转换器7.1.3 D/A7.1.3 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标7.1.4 D/A7.1.4 D/A转换器应用举例转换器应用举例7.1.5 D/A7.1.5 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标7.1 D/A转换器7.1.1 D/A转换器的基本原理37.1.1 D/A7.1.1 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 对于有权码，先将每位代码按其权的大小转换成相应的模对于有权码，先将每位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从拟量，然后相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现数字而实现数字/模拟转换。模拟转换。7.1.1 D/A转换器的基本原理 对于有权码，47.1.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器所以，无论所以，无论Si处于何种位置，与处于何种位置，与Si相连的相连的2R电阻均接电阻均接“地地”（地或虚地）。（地或虚地）。图中图中S0S3为模拟开关，由输入数码为模拟开关，由输入数码Di控制，控制，当当Di=1时，时，Si接运算放大器反相输入端（虚地），电流接运算放大器反相输入端（虚地），电流Ii流入求和电路；流入求和电路；当当Di=0时，时，Si将电阻将电阻2R接地。接地。7.1.2 倒T形电阻网络D/A转换器所以，无论Si处5基准电流基准电流:I=VREF/R，流过各开关支路（从右到左）的电流分别为流过各开关支路（从右到左）的电流分别为 I/2、I/4、I/8、I/16。将输入数字量扩展到将输入数字量扩展到n位，则有：位，则有：可简写为：可简写为：vO=KNB 输出电压：输出电压：总电流：总电流：其中：其中：分析计算：分析计算：基准电流:I=VREF/R，流过各开关支路（从右到左）67.1.3 权电流型权电流型D/A转换器转换器为进一步提高为进一步提高D/A转换器的转换精度，可采用权电流型转换器的转换精度，可采用权电流型D/A转换器。转换器。图示为一图示为一4位权电流位权电流D/A转换器原理电路。这组恒流源从高位到转换器原理电路。这组恒流源从高位到低位电流的大小依次为低位电流的大小依次为I/2、I/4、I/8、I/16。7.1.3 权电流型D/A转换器为进一步提高D/A转换器77.1.4 D/A转换器应用举例转换器应用举例 DAC0808是是8位位权权电电流流型型D/A转转换换器器，其其中中D0D7是是数数字字量量输输入入端。端。使使用用时时，需需要要外外接接运运算算放放大大器器和和产产生生基基准准电流用的电阻电流用的电阻R1。当当VREF=10V、R1=5k、Rf=5k时，时，输出电压为：输出电压为：7.1.4 D/A转换器应用举例 DAC08088DAC0808 D/A转换器输出与输入的关系转换器输出与输入的关系（设设VREF=10V）DAC0808 D/A转换器输出与输入的关系（设VREF=91.转换精度转换精度 7.1.5 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标（2）转换误差）转换误差比例系数误差、失调误差、非线性误差。比例系数误差、失调误差、非线性误差。此此外外，也也可可用用D/A转转换换器器的的最最小小输输出出电电压压(数数字字量量：00000001)与与最最大大输输出出电电压压(数数字字量量：全全1）之之比比来来表表示示分分辨辨率率，N位位D/A转转换换器器的的分分辨辨率率可可表表示示为为 1/（2n-1）。）。（1）分辨率）分辨率D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。输输入入数数字字量量位位数数越越多多，分分辨辨率率越越高高。所所以以，在在实实际际应应用用中中，常常用用数数字字量量的的位位数表示数表示D/A转换器的分辨率。转换器的分辨率。vO=-KNB最小最小 vO=-KNB=-K1 最大最大 vO=-KNB=-K(2n-1)1.转换精度 7.1.5 D/A转换器的主要技术指标（107.1.5 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标2.转换速度转换速度3.温温度度系系数数在在输输入入不不变变的的情情况况下下，输输出出模模拟拟电电压压随随温温度度变变化化产产生生的的变变化化量量。一一般般用用满满刻刻度度输输出出条条件件下下温温度度每每升升高高1，输输出出电电压压变变化化的的百百分分数数作作为为温温度度系系数。数。（2）转换速率（）转换速率（SR）在大信号工作状态下模拟电压的变化率。在大信号工作状态下模拟电压的变化率。（1）建建立立时时间间（tset）当当输输入入的的数数字字量量发发生生变变化化时时，输输出出电电压压变变化化到到相相应应稳稳定电压值所需时间。最短可达定电压值所需时间。最短可达0.1S。7.1.5 D/A转换器的主要技术指标2.转换速度3.117.2 A/D转换器转换器7.2.1 A/D转换器的基本原理转换器的基本原理7.2.2 并行比较型并行比较型A/D转换器转换器7.2.3 逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器7.2.4 双积分型双积分型A/D转换器转换器7.2.5 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标7.2 A/D转换器7.2.1 A/D转换器的基本原理127.2.1 A/D转换器的基本原理转换器的基本原理一一A/D转换的一般步骤转换的一般步骤 由于由于输入的模拟信号在时间上是连续量，所以一般的输入的模拟信号在时间上是连续量，所以一般的A/D转换过程为：转换过程为：取样、保持、量化和编码。取样、保持、量化和编码。7.2.1 A/D转换器的基本原理一A/D转换的一般步骤13二二 取样取样保持电路保持电路 电路组成及工作原理（取电路组成及工作原理（取Ri=Rf）:当当vL为高电平时，为高电平时，T导通，导通，vI经经Ri和和T向电容向电容Ch充电。充电。vO=vI=vC。当当vL返回低电平后，返回低电平后，T截止。截止。Ch无放电回路，所以无放电回路，所以vO的数值可被保存下来。的数值可被保存下来。二 取样保持电路 电路组成及工作原理（取Ri=R1401tvI00110110vIt基本原理：基本原理：7.2.27.2.2 并行比较型并行比较型A/D转换器转换器01tvI00110110vIt基本原理：7.2.2 并153位并行比较型位并行比较型A/D转换器转换器3位并行比较型A/D转换器16 并行比较型并行比较型A/D转换器真值表转换器真值表输入模拟电压输入模拟电压寄存器状态寄存器状态数字量输出数字量输出D2 D1 D0Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1（01/15）VREF（1/15 3/15）VREF（3/15 5/15）VREF（5/15 7/15）VREF（7/15 9/15）VREF（9/15 11/15）VREF（11/15 13/15）VREF（13/15 1）VREF0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 1 10 0 0 0 1 1 10 0 0 1 1 1 10 0 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 10 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1 并行比较型A/D转换器真值表输入模拟电压寄存器状态数字量输17输输 入入输输 出出 EI I0 I1I2I3I4I5I6I7A2A1A0GSEO11111101111111111110000000100100101001101001001110110100111110001001111110101001111111100100111111111101P96集成优先编码器集成优先编码器7414874148（8 8线线-3-3线）线）输 入输 187.2.37.2.3 逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器1 转换原理：转换原理：Gd3g3+d2g2+d1g1+d0g0di1 有效有效0 无效无效有效砝码的总重量逐次逼近重物的重量：有效砝码的总重量逐次逼近重物的重量：7.2.3 逐次比较型A/D转换器1 转换原理：Gd192 转换框图：转换框图：2 转换框图：20 3 逻辑电路逻辑电路101111110100001111001010011111101101010100 3 逻辑电路10111111010217.2.47.2.4 双积分型双积分型A/D转换器转换器 它它由由积积分分器器、过过零零比比较较器器（C）、时时钟钟脉脉冲冲控控制制门门（G）和和定定时时器、计数器（器、计数器（FF0FFn）等几部分组成。）等几部分组成。7.2.4 双积分型A/D转换器 它由积分器、过零22（2）第一次积分阶段）第一次积分阶段工作原理：工作原理：（1）准备阶段）准备阶段计数器清零，计数器清零，积分电容放电，积分电容放电，vO=0V。t=0时，开关时，开关S1与与A端端接通，输入电压接通，输入电压vI加到加到积分器的输入端。积分积分器的输入端。积分器从器从0开始积分：开始积分：（2）第一次积分阶段工作原理：（1）准备阶段t=0时，开关S23由于由于vO0V，比较器输出，比较器输出vC=0，控制门，控制门G被关闭，被关闭，计数停止。计数停止。同时，同时，N级计数器又从级计数器又从0开始计数。开始计数。由于vO0V，过零比较器输出vC=1，控制门G打开。计数器24在此阶段结束时在此阶段结束时vO的表达式可写为：的表达式可写为：设设T2=t2t1，于是有：，于是有：设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为，则：，则：可见，可见，T2与与VI成正比，成正比，T2就是双积分就是双积分A/D转换过程的中间变量。转换过程的中间变量。上式表明，计数器中所计得的数上式表明，计数器中所计得的数（=Qn-1Q1Q0），与在取样时间），与在取样时间T1内输内输入电压的平均值入电压的平均值VI成正比。只要成正比。只要VIVREF，转换器就能将输入电压转换为数，转换器就能将输入电压转换为数字量。字量。T2=TC 在此阶段结束时vO的表达式可写为：设T2=t2t1，于是有257.2.5 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标（1）分辨率）分辨率说明说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。转换器对输入信号的分辨能力。一一般般以以输输出出二二进进制制（或或十十进进制制）数数的的位位数数表表示示。因因为为，在在最最大大输输入入电电压一定时，输出位数愈多，量化单位愈小，分辨率愈高。压一定时，输出位数愈多，量化单位愈小，分辨率愈高。1.转换精度转换精度例例如如，相相对对误误差差LSB/2，就就表表明明实实际际输输出出的的数数字字量量和和理理论论上上应应得得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。（2）转转换换误误差差它它表表示示A/D转转换换器器实实际际输输出出的的数数字字量量和和理理论论上上的的输输出数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。出数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。2.转转换换时时间间指指从从转转换换控控制制信信号号到到来来开开始始，到到输输出出端端得得到到稳稳定定的的数字信号所经过的时间。数字信号所经过的时间。并并行行比比较较A/D转转换换器器转转换换速速度度最最高高；逐逐次次比比较较型型A/D转转换换器器次次之之；间间接接A/D转换器的速度最慢。转换器的速度最慢。7.2.5 A/D转换器的主要技术指标（1）分辨率说26本章小结本章小结1 1A/DA/D和和D/AD/A转换器是现代数字系统的重要部件，应用日益广泛。转换器是现代数字系统的重要部件，应用日益广泛。5 5A/DA/D转转换换器器和和D/AD/A转转换换器器的的主主要要技技术术参参数数是是转转换换精精度度和和转转换换速速度度，在在与与系系统统连连接接后后，转转换换器器的的这这两两项项指指标标决决定定了了系系统统的的精精度度与与速速度度。目目前前，A/DA/D与与D/AD/A转转换换器器的的发发展展趋趋势势是是高高速速度度、高高分分辨辨率率及及易易于于与与微微型型计计算算机机接口，用以满足各个应用领域对信号处理的要求。接口，用以满足各个应用领域对信号处理的要求。2 2倒倒T T型型电电阻阻网网络络D/AD/A转转换换器器中中电电阻阻网网络络阻阻值值仅仅有有R R和和2 2R R两两种种，各各2R2R支支路路电电流流I Ii i与与D Di i数数码码状状态态无无关关，是是一一定定值值。由由于于支支路路电电流流流流向向运运放放反反相相端端时不存在传输时间，因而具有较高的转换速度。时不存在传输时间，因而具有较高的转换速度。3 3在在权权电电流流型型D/AD/A转转换换器器中中，由由于于恒恒流流源源电电路路和和高高速速模模拟拟开开关关的的运运用用使使其其具具有有精精度度高高、转转换换快快的的优优点点，双双极极型型单单片片集集成成D/AD/A转转换换器器多多采采用用此此种种类型电路。类型电路。4 4不不同同的的A/DA/D转转换换方方式式具具有有各各自自的的特特点点，并并行行A/DA/D转转换换器器速速度度高高；双双积积分分A/DA/D转转换换器器精精度度高高；逐逐次次比比较较型型A/DA/D转转换换器器在在一一定定程程度度上上兼兼有有以以上上两两种种转换器的优点，因此得到普遍应用。转换器的优点，因此得到普遍应用。本章小结1A/D和D/A转换器是现代数字系统的重要部件，应27