数字电路郭建才主讲-第八章课件

EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT概述概述第第 8 章章数模和模数转换器数模和模数转换器 本章小结本章小结A/D 转换器转换器D/A 转换器转换器 EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT8.1 概述概述 主要要求：主要要求：理解理解数模和模数转换器的概念和作用。数模和模数转换器的概念和作用。EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT一、数模和模数转换的概念和作用一、数模和模数转换的概念和作用 数模转换数模转换即将数字量转换为模拟电量即将数字量转换为模拟电量(电压或电流电压或电流)，使输出的模拟电量与输入的数字量成正比，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实现数模转换的电路称数模转换器 Digital-Analog Converter，简称简称 D/A 转换器或转换器或 DAC。模数转换模数转换即将模拟电量转换为数字量，使输出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。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实现模数转换的电路称模数转换器 Analog-Digital Converter，简称简称 A/D 转换器或转换器或 ADC。EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT模拟量模拟量模拟量模拟量数字量数字量数字量数字量 模拟量模拟量模拟量模拟量数字量数字量数字量数字量传感器传感器传感器传感器 被控对象被控对象被控对象被控对象 自然界物理量自然界物理量自然界物理量自然界物理量为何要进行数模和模数转换？为何要进行数模和模数转换？EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT二、数模和模数转换器应用举例二、数模和模数转换器应用举例数字数字数字数字信号信号信号信号物理量物理量物理量物理量模拟信号模拟信号模拟信号模拟信号压力传感器压力传感器温度传感器温度传感器流量传感器流量传感器四四路路模模拟拟开开关关数数字字控控制制计计算算机机DAC模拟控制器模拟控制器模拟控制器模拟控制器液位传感器液位传感器DACDAC模拟控制器模拟控制器模拟控制器模拟控制器生生 产产 控控 制制 对对 象象 DACADC二、数模和模数转换器应用举例二、数模和模数转换器应用举例 EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT主要要求：主要要求：了解了解数模转换的基本原理。数模转换的基本原理。了解常用了解常用 D/A 转换器的类型和主要参数。转换器的类型和主要参数。了解了解 R-2R 倒倒 T 形电阻网络形电阻网络 D/A 转换器的转换器的电路与工作原理。电路与工作原理。8.2 D/A 转换器转换器 EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT一、数模转换的基本原理一、数模转换的基本原理 输出模拟电压输出模拟电压 uO=D=(Dn-1 2n-1+Dn-2 2n-2+D1 21+D0 20)可见，可见，uO D，uO 的大小反映了数字量的大小反映了数字量 D 的大小。的大小。DACD0D1Dn-2Dn-1uOn n 位二位二位二位二进制数进制数进制数进制数输入输入输入输入模拟电压输出模拟电压输出模拟电压输出模拟电压输出一、数模转换的基本原理一、数模转换的基本原理 LSB Least Significant Bit 输入数字量输入数字量 D=(Dn-1 Dn-2 D1 D0)2 =Dn-1 2n-1+Dn-2 2n-2+D1 21+D0 20 是是 DAC 能输出的最小电压值，称为能输出的最小电压值，称为 DAC 的单的单位量化电压位量化电压，它等于，它等于 D 最低位最低位(LSB)为为 1、其余各位均为、其余各位均为 0 时的模拟输出电压时的模拟输出电压(用用 ULSB 表示表示)。EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXITS0+-uOS1S2S3D3D2D1D0iRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI30 01 11 11 11 10 00 00 0RRR (一一)电路组成与转换原理电路组成与转换原理 二、二、R-2R 倒倒 T 形电阻网络形电阻网络 DAC 由倒由倒 T 型电阻网络、模拟开关和一个电流型电阻网络、模拟开关和一个电流电压转换电路电压转换电路(简称简称 I/U 转换电路转换电路)组成。组成。模模拟拟开开关关 Si 打打向向“1”侧侧时时，相相应应 2R 支支路路接接虚虚地地；打打向向“0”侧侧时时，相相应应 2R 支支路路接接地地。故故无无论论开开关关打向哪一侧，倒打向哪一侧，倒 T 型电阻网络均可等效为下图：型电阻网络均可等效为下图：EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXITII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI3RRRABC从从 A、B、C 节点向左看去，各节点对地的等效电阻均为节点向左看去，各节点对地的等效电阻均为 2R。因此，因此，I=VREFRI3=I2=23()，I24I2=I32=22()，I24=I4I1=I22=21()，I24=I8I0=I12=20()I24=I16可见，支路电流值可见，支路电流值 Ii 正好代表了正好代表了二进制数位二进制数位 Di 的权值的权值 2i。即即 I3=23 I0，I2=22 I0，I1=21 I0，I0=20 I0 EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT模拟开关模拟开关 Si 受相应数字位受相应数字位 Di 控制。当控制。当 Di=1 时，开时，开关合向关合向“1”侧，相应侧，相应支路电流支路电流 Ii 输出输出；Di=0 时，开关时，开关合向合向“0”侧，侧，Ii 流入地而不能输出。流入地而不能输出。S0+-uOS1S2S3D3D2D1D0iRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI30 01 11 11 11 10 00 00 0RRRu0=-i RF=-D I0 RF=-D i=D3 I3+D2 I2+D1 I1+D0 I0 =(D3 23+D2 22+D1 21+D0 20)I0=D I0对对 n 位位 DAC，uO=-D 若取若取 RF=R，则则uO=-D n 位位 DAC 将参考电压将参考电压 VREF 分成分成 2n 份，份，uO 是是每份的每份的 D 倍。调节倍。调节 VREF 可调节可调节 DAC 的输出电压。的输出电压。uO=-D EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT三、常用三、常用 DAC 的类型和主要参数的类型和主要参数 (一一)常用常用 DAC 的类型的类型 常用常用 DAC 主要有权电阻网络主要有权电阻网络 DAC、R-2R T 形电阻网络形电阻网络 DAC、R-2R 倒倒 T 形电阻网络形电阻网络 DAC和权电流网络和权电流网络 DAC。其中，后两者转换速度快，其中，后两者转换速度快，性能好，因而被广泛采用，权电流网络性能好，因而被广泛采用，权电流网络 DAC 转换转换精度高，性能最佳。精度高，性能最佳。EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT (二二)主要参数主要参数 1.分辨率分辨率 DAC 的最小输出电压变化量，的最小输出电压变化量，也即也即 DAC 的最小输出电压值的最小输出电压值 表示满度输出电压值，表示满度输出电压值，FSR 即即 Full Scale Range指指 D/A 转换器模拟输出所能产生的最转换器模拟输出所能产生的最小电压变化量与满刻度输出电压之比。小电压变化量与满刻度输出电压之比。UFSR=uO|D=11 1=(2n 1)ULSBn 位位均为均为 1例如，一个例如，一个 10 位的位的 DAC，分辨率为分辨率为 0.000 978。DAC 的位数越多，分辨率值就越小，的位数越多，分辨率值就越小，能分辨的能分辨的最小输出电压值也越小。最小输出电压值也越小。EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT要获得较高精度的要获得较高精度的 D/A 转换结果，除了正确选用转换结果，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的位数外，还要选用低漂移高精度的求和运算放大器。大器。3.转换时间转换时间指指 DAC 在输入数字信号开始转换，到输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。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。转换时间越小，转换速度就越高。2.转换精度转换精度 指指 DAC 实际输出模拟电压与理实际输出模拟电压与理想输出模拟电压间的最大误差。想输出模拟电压间的最大误差。它是一个综合指标，不仅与它是一个综合指标，不仅与 DAC 中元件参数的精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。移以及转换器的位数有关。通常要求通常要求 DAC的误差小于的误差小于 ULSB/2。EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT四、集成四、集成 DAC应用举例应用举例四、集成四、集成 DAC 应用举例应用举例1.集成集成 DAC 简介简介 常常用用集集成成 DAC 有有两两类类：一一类类内内部部仅仅含含有有电电阻阻网网络络和和电电子子模模拟拟开开关关两两部部分分，常常用用于于一一般般的的电电子子电电路路。另另一一类类内内部部除除含含有有电电阻阻网网络络和和电电子子模模拟拟开开关关外外，还还带带有有数数据据锁锁存存器器，并并具具有有片片选选控控制制和和数数据据输输入入控控制制端端，便便于于和和微微处处理理器器进进行行连连接接，多多用用于于微微机机控控制制系统中。系统中。EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT2.8 位位 CMOS 集成集成 D/A 转换器转换器 CDA7524 简介简介数据锁存器数据锁存器20 k 20 k 20 k 20 k 20 k10 k 10 k 10 k 10 k VDDVREF151213CSWR45611D7(MSB)D6D5D0(LSB)S0S1S2S7OUT112316iRFBOUT2GND基准电压输入端基准电压输入端 VREF 可正可负可正可负 片选控制端片选控制端 电源电压范围电源电压范围+5 V +15 V 8 位数据输入端，位数据输入端，其电平与其电平与 TTL 电平兼电平兼容。容。MSB 表示最高位，表示最高位，LSB 表示最低位。表示最低位。接地端接地端 内部反馈电阻内部反馈电阻 RF 的引出端的引出端 两个输出端，一般将两个输出端，一般将 OUT2 接地，接地，OUT1 接运放反向端。接运放反向端。写信号控制端写信号控制端 EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT 例例 右图为右图为 CDA7524 的单极性的单极性输出应用电路。图输出应用电路。图中电位器中电位器 R1 用于调用于调整运放增益，电容整运放增益，电容 C 用以消除运放的用以消除运放的自激。已知自激。已知 ULSB=VREF/256，试求满试求满度输出电压及满度度输出电压及满度输出时所需的输入输出时所需的输入信号。信号。CDA752445789106111213D7D6D4D3D2D1D5D0CS314VDD151612VREF=10V+-OUT1OUT2uOC2 k R2R11 k 15 pFWR解：解：当当 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0=11111111 时，输出为满度值。时，输出为满度值。uO=-UFSR -9.961 V。EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT主要要求：主要要求：了解了解模数转换的基本原理。模数转换的基本原理。了解了解 A/D A/D 转换器的主要参数。转换器的主要参数。了解常用了解常用 A/D A/D 转换器。转换器。8.3 A/D 转换器转换器 EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT一、一、A/D 转换转换的基本原理和一般步骤的基本原理和一般步骤 “”表示取整。表示取整。基本原理基本原理ADCD0D1Dn-2Dn-1uI模拟输模拟输模拟输模拟输入信号入信号入信号入信号n n 位二进制数输出位二进制数输出位二进制数输出位二进制数输出D D=D Dn n-1-1 D Dn n-2-2 D D1 1 D D0 0 可见，输出数字量可见，输出数字量 D 正比于输入模拟量正比于输入模拟量 uI。称为称为 ADC 的单位量化电压或量化单位，的单位量化电压或量化单位，它是它是 ADC 的最小分辨电压。的最小分辨电压。EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT采样：采样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。保持：保持：保持采样信号保持采样信号，使有充分时间转换为数字信号。使有充分时间转换为数字信号。量化：量化：把采样保持电路的输出信号用单位量化电压的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。整数倍表示。编码：编码：把量化的结果用二进制代码表示。把量化的结果用二进制代码表示。A/D 转换的一般步骤转换的一般步骤 uI(t)C量化量化编码编码电路电路Dn-1D1D0uI(t)S采样保持电路采样保持电路输入模拟量输入模拟量输入模拟量输入模拟量输出数字量输出数字量输出数字量输出数字量EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXITEXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT采样信号是否会丢采样信号是否会丢失原信号的信息呢失原信号的信息呢？对信号进行量化会对信号进行量化会引起误差吗？引起误差吗？量化误差大小量化误差大小与与 ADC 的位数、的位数、基准电压基准电压 VREF 和量化方法有关。和量化方法有关。采样定理：采样定理：当采样频率不小于输入模拟信号频谱当采样频率不小于输入模拟信号频谱 中最高频率的两倍时，采样信号可以中最高频率的两倍时，采样信号可以 不失真地恢复为原模拟信号。不失真地恢复为原模拟信号。量化误差：量化误差：因模拟电压不一定能被因模拟电压不一定能被 ULSB 整除，整除，量化时舍去余数而引起的误差。量化时舍去余数而引起的误差。EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT划分量化电平的两种方法划分量化电平的两种方法最大量化误差最大量化误差=(1/8)V最大量化误差最大量化误差=/2=(1/15)V1 =1/8V4 =4/8V0(6/8)V(7/8)V000001010011100101110111模拟模拟电平电平二进制二进制代码代码代表的代表的模拟电平模拟电平0 =0V2 =2/8V3 =3/8V5 =5/8V6 =6/8V7 =7/8V(5/8)V(4/8)V(3/8)V(2/8)V(1/8)V(8/8)V模拟模拟电平电平二进制二进制代码代码代表的代表的模拟电平模拟电平0 =0V1 =2/15V2 =4/15V3 =6/15V4 =8/15V5 =10/15V6 =12/15V7 =14/15V(13/15)V0000001010011100101110111(11/15)V(15/15)V(9/15)V(3/15)V(7/15)V(1/15)V(5/15)VEXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXITVREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比较器比较器寄存器寄存器编码器编码器编编码码器器二、并联比较型二、并联比较型 ADC 0000000000uI电阻构成分压器电阻构成分压器 EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXITVREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比较器比较器寄存器寄存器编码器编码器编编码码器器二、并联比较型二、并联比较型 ADC 0000001001uIEXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXITVREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比较器比较器寄存器寄存器编码器编码器编编码码器器二、并联比较型二、并联比较型 ADC 0000011010uIEXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXITVREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比较器比较器寄存器寄存器编码器编码器编编码码器器二、并联比较型二、并联比较型 ADC 0000111011uIEXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXITVREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比较器比较器寄存器寄存器编码器编码器编编码码器器二、并联比较型二、并联比较型 ADC 0001111100uIEXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXITVREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比较器比较器寄存器寄存器编码器编码器编编码码器器二、并联比较型二、并联比较型 ADC 0011111101uIEXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXITVREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比较器比较器寄存器寄存器编码器编码器编编码码器器二、并联比较型二、并联比较型 ADC 0111111110uIEXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXITVREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0(LSB)比较器比较器寄存器寄存器编码器编码器编编码码器器二、并联比较型二、并联比较型 ADC 1111111111uIEXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT三、常用三、常用 ADC 的类型和主要参数的类型和主要参数 (一一)常用常用 ADC 的类型的类型 常用常用 ADC 主要有并联比较型、双积分型和逐次主要有并联比较型、双积分型和逐次逼近型。其中，并联比较型逼近型。其中，并联比较型 ADC 转换速度最快，但转换速度最快，但价格贵；双积分型价格贵；双积分型 ADC 精度高、抗干扰能力强，但精度高、抗干扰能力强，但速度慢；逐次逼近型速度较快、精度较高、价格适中，速度慢；逐次逼近型速度较快、精度较高、价格适中，因而被广泛采用。因而被广泛采用。EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT指指 ADC 实际输出数字量与理想输出数字量之间的实际输出数字量与理想输出数字量之间的最大差值。通常用最低有效位最大差值。通常用最低有效位 LSB 的倍数来表示。的倍数来表示。(二二)主要参数主要参数 2.相对精度相对精度(又称转换误差又称转换误差)指指 ADC 输出数字量的最低位变化一个输出数字量的最低位变化一个数码时，对应输入模拟量的变化量。数码时，对应输入模拟量的变化量。1.分辨率分辨率 例如例如 最大输出电压为最大输出电压为 5V 的的 8 位位 ADC 的分辨率为：的分辨率为：5V/28=19.6 mA 分辨率也可用分辨率也可用 ADC 的位数表示。位数越多，能的位数表示。位数越多，能分辨的最小模拟电压值就越小。分辨的最小模拟电压值就越小。例如例如 转换误差不大于转换误差不大于 1/2 LSB，即说明即说明 实际输出数字量与理想输出数字量实际输出数字量与理想输出数字量 之间的最大误差不超过之间的最大误差不超过 1/2 LSB。EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT3.转换时间转换时间 转换速度比较：并联比较型转换速度比较：并联比较型 逐次逼近型逐次逼近型 双积分型双积分型 数十数十 ns 数十数十 s 数十数十 ms 指指 ADC 完成一次转换所需要的时间，即从转换完成一次转换所需要的时间，即从转换开始到输出端出现稳定的数字信号所需要的时间。开始到输出端出现稳定的数字信号所需要的时间。转换时间越小，转换速度越高。转换时间越小，转换速度越高。EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXITD/A 转换是将输入的数字量转换为与之成正比转换是将输入的数字量转换为与之成正比的模拟电量。的模拟电量。常用的常用的 DAC 主要有权电阻网络主要有权电阻网络 DAC、R-2R T 形电阻网络形电阻网络 DAC、R-2R 倒倒 T 形电阻网络形电阻网络 DAC 和权电流网络和权电流网络 DAC。其中，其中，后两者转换速度快，性能好，因而被广泛采用，后两者转换速度快，性能好，因而被广泛采用，权电流网络权电流网络 DAC 转换精度高，性能最佳。转换精度高，性能最佳。本本 章章 小小 结结EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXITA/D 转转换换是是将将输输入入的的模模拟拟电电压压转转换换为为与与之之成成正正比比的的数数字字量量。常常用用 ADC ADC 主主要要有有并并联联比比较较型型、双双积积分分型型和和逐逐次次逼逼近近型型。其其中中，并并联联比比较较型型 ADC 属属于于直直接接转转换换型型，其其转转换换速速度度最最快快，但但价价格格贵贵；双双积积分分型型 ADC 属属于于间间接接转转换换型型，其其速速度度慢慢，但但精精度度高高、抗抗干干扰扰能能力力强强；逐逐次次逼逼近近型型也也属属于于直直接接转转换换型型，其其速速度度较较快快、精精度度较高、价格适中，因而被广泛采用。较高、价格适中，因而被广泛采用。EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXITA/D 转转换换要要经经过过采采样样-保保持持和和量量化化与与编编码码两两步步实实现现。采采样样-保保持持电电路路对对输输入入模模拟拟信信号号抽抽取取样样值值，并并展展宽宽(保保持持)；量量化化是是对对样样值值脉脉冲冲进进行行分分级级，编编码码是是将将分分级级后后的的信信号号转转换换成成二二进进制制代代码码。在在对对模模拟拟信信号号采采样样时时，必必须须满满足足采采样样定定理理：采采样样脉脉冲冲的的频频率率 fS 必必须须大大于于输输入入模模拟拟信信号号最最高高频频率率分分量量的的 2 倍倍。这这样样才才能能不不失失真真地地恢恢复复出出原原模模拟信号。拟信号。EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXITDAC 和和 ADC 的的分分辨辨率率和和转转换换精精度度都都与与转转换换器器的的位位数数有有关关，位位数数越越多多，分分辨辨率率和和精精度度越越高高。基基准准电电压压 VREF 是是重重要要的的应应用用参参数数，要要理理解解基基准准电电压压的的作作用用，尤尤其其是是在在 A/D 转转换换中中，它它的的值值对对量量化化误误差差、分分辨辨率率都都有有影影响响。一一般般应应按按器器件件手手册册给给出出的的范范围围确确定定VREF 值值，并并且且保保证证输输入的模拟电压最大值不大于入的模拟电压最大值不大于 VREF 值。值。EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXIT输入输入4位二进制数位二进制数输出输出模拟模拟电压电压S0S3:模拟电子开关模拟电子开关D=0,S倒向地倒向地D=1,S倒向倒向VREF电阻网络电阻网络求和运算放大器求和运算放大器VREF2R2R2R2R2RRRR2RS0S1S2S3精密参精密参考电压考电压D0D1D2D3+-3R3R/2UOEXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXITVREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R+-3R3R/2UO当当D3D2D1D0=1000时时0001EXIT 数模和模数转换器数模和模数转换器EXITVREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R+-3R3R/2UO当当D3D2D1D0=0100时时0010