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Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第9章,数模与模数转换电路,9.1 D/A转换器,一 D/A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拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现了数字/模拟转换。,根据解码网络的不同，,D/A,转换器分不同类型，常见的有：,倒,T,型电阻网络,D/A,转换,权电阻网络,D/A,转换,权电流型,D/A,转换等,按模拟电子开关分，有,CMOS,开关型,D/A,转换器,双极型,D/A,转换器,一、,权电阻网络,D/A,转换器,权电阻,D/A,转换器电路十分简单，但是，当数字量的位数增多时，权电阻数目增多，阻值范围越来越大，权电阻阻值的种类太多，集成电路制造、权电阻的匹配都比较困难，所以权电阻,D/A,转换器的转换精度受到了限制,二 倒T形电阻网络D/A转换器（4位）,所以，无论,S,i,处于何种位置，与,S,i,相连的2,R,电阻均接“地”（地或虚地）。,图中,S,0,S,3,为模拟电子开关，由输入数码,D,i,控制，,当,D,i,=1时，,S,i,接运算放大器反相输入端（虚地），电流,I,i,流入求和电路；,当,D,i,=0时，,S,i,将电阻2,R,接地。,电流的参考方向,电流的真实方向也如此,输出电压：,则流过各开关支路（从右到左）的电流分别为,I,/2、,I,/4、,I,/8、,I,/16。,于是得总电流：,将输入数字量扩展到n位，则有：,可简写为：,v,O,=,KN,B,其中：,K,=,可算出，基准电流,I,=,V,REF,/,R,，,常用的,CMOS,开关倒,T,形电阻网络,D/A,转换器的集成电路有,AD7520,（,10,位）等,AD7520,是,10,位,CMOS,电流开关型,D/A,转换器。芯片内含有倒梯形电阻网络、,CMOS,电流开关和反馈电阻（,R=10K,），该集成,D/A,转换器在应用时必须外接参考电压源和运算放大器。其内部电阻网络组成的,D/A,转换电路如图所示，,AD7520,的引脚图如图所示。,1,0,要使,D/A,转换器具有较高的精度，对电路中的参数有以下要求：,（,1,）基准电压稳定性好；（,2,）倒,T,形电阻网络中,R,和,2,R,电阻的比值精度要高；,（,3,）每个模拟开关的开关电压降要相等。为实现电流从高位到低位按,2,的整倍数递减，模拟开关的导通电阻也相应地按,2,的整数倍递增。,由于在倒,T,形电阻网络,D/A,转换器中，各支路电流直接流入运算放大器的输入端，它们之间不存在传输上的时间差。电路的这一特点不仅提高了转换速度，而且也减少了动态过程中输出端可能出现的尖脉冲。它是目前广泛使用的,D/A,转换器中速度较快的一种。,三 权电流型D/A转换器,为进一步提高D/A转换器的转换精度，可采用权电流型D/A转换器。,采用具有电流负反馈的BJT恒流源电路的权电流D/A转换器：,I,E3,=,I,/2,，,I,E2,=,I,/4,，,I,E1,=,I,/8,，,I,E0,=,I,/16,由图可见，T,3,T,0,的基极是接在一起的，三极管的发射结压降V,BE,相同，则它们的发射极处于相同的电位。在计算各支路的电流时，,可以认为所有2R电阻的上端都接到了同一个电位上,，因而电路的工作状态与倒梯形电阻网络的工作状态一样。这时流过每个2R电阻的电流自左而右依次减少1/2。为了保证所有三极管的发射结压降相等，在发射极电流较大的三极管中按比例地加大了发射结的面积，即T,3,T,0,发射结面积之比为8:4:2:1，在图中T,3,T,0,均采用了多发射极晶体管来表示，其发射极个数是8、4、2、1。这样，在各BJT电流比值为8:4:2:1的情况下，T,3,T,0,的发射极电流密度相等，结面积的比值8:4:2:1，可使各发射结电压,V,BE,相同。由于T,3,T,0,的基极电压相同，所以它们的发射极,e,3,、,e,2,、,e,1,、,e,0,就为等电位点。在计算各支路电流时将它们等效连接后，流入每个2,R,电阻的电流从高位到低位依次减少1/2，各支路中电流分配比例满足8:4:2:1的要求。,电流的参考方向,电流的真实方向也如此,参考电压源,V,REF,、运算放大器,A,2,、,R,1,、,T,r,、,R,与,V,EE,组成基准电流,I,REF,产生电路，,A,2,和,R,1,、,T,r,的,cb,结组成电压并联负反馈电路，以稳定输出电压，即,T,r,的基极电压。,T,r,的集电结，电阻,R,到,V,EE,为反馈电路的负载，由于电路处于深度负反馈，根据虚短的原理，其基准电流为：,可推得,n,位倒,T,形权电流,D/A,转换器的输出电压,倒T型电阻网络,四 D/A转换器应用举例,DAC0808是8位权电流型D/A转换器，其中,D,0,D,7,是数字量输入端。,用,这类器件构成的D/A转换器时，需要外接运算放大器和产生基准电流用的电阻,R,1,。,当,V,REF,=10V、,R,1,=5k,、,R,f,=5k,时，,输出电压为：,DAC0808 D/A转换器输出与输入的关系,（设,V,REF,=10V）,(,一,),单极性输出方式,二进制数没有符号位，全是数值位,AD7520的单极性输出,(,二,),双极性输出方式,因为在数字系统中数值通常是带符号的，所以希望,D/A,转换器能够把带符号的二进制数输入转换成正负极性的模拟电压输出。,Excess or Biased Representations,An excess-K representation of a code C is formed by adding the value K to each code word of C.,Excess representations are frequently used in the representation,of the exponents of floating point numbers so that the smallest,exponent value will be represented by all zeros.,Note that,the excess-2,n,numbers are just the twos complement numbers with the sign bit reversed!,The excess-4 representation given in the table is produced by adding(100),2,to the 3-bit twos complement code,Note that the result is the smallest number(-4)being represented by 000 and the largest(+3)by 111,1.转换精度,五 D/A转换器的主要技术指标,（2）转换误差,此外，也可用D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压之比来表示分辨率，N位D/A转换器的分辨率可表示为 1/（2,n,-1）。,2.转换速度,3.温度系数,在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高1,，输出电压变化的百分数作为温度系数。,（2）转换速率（SR）,在大信号工作状态下模拟电压的变化率。,（1）分辨率,D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。,输入数字量位数越多，分辨率越高。所以，在实际应用中，常用字量的位数表示D/A转换器的分辨率。,（1）建立时间（,t,set,）,当输入的数字量发生变化时，输出电压变化到相应稳定电压值所需时间。最短可达0.1,S。,10.2 A/D转换器,一A/D转换的一般步骤和取样定理,由于,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：,取样、保持、量化和编码。,取样定理：,因为每次把取样电压转换为相应的数字量都需要一定的时间，所以在每次取样以后，必须把取样电压保持一段时间。可见，进行,A/D,转换时所用的输入电压，实际上是每次取样结束时的,v,I,值。,式中,f,S,为取样频率，,f,imax,为输入信号,v,I,的最高频率分量的频率。,二 取样保持电路,电路组成及工作原理（取,R,i,=,R,f,）:,当控制信号,v,L,为高电平时，T导通，,v,I,经电阻,R,i,和,T,向电容,C,h,充电。,则充电结束后,v,O,=,v,I,=,v,C,。,N沟道MOS管T作为开关用。,当控制信号返回低电平后，T截止。,C,h,无放电回路，所以,v,O,的数值,可被保存下来。,三 并行比较型A/D转换器（3位）,优先编码器的输入端为高电平有效，优先级别按 I1、I2、I3、I4、I5、I6、I7依次升高，对I1、I2、I3、I4、I5、I6、I7的编码分别为D3 D2 D0=001、010、011、100、101、110、111，当所有的输入都无效时，输出为D3 D2 D0=000。,电阻分压器由7个阻值为R的电阻和 1个阻值为R/2的电阻串联构成，一端接参考电压源UREF，另一端接地，电阻之间的连接点分别与右边的运算放大器的反相输入端相连，因为运算放大器的输入端的电流可以近似认为是0，所以电阻分压器的 8个电阻才可以认为是串联的关系。电压比较器由7个处于非线性工作状态的运算放大器组成，同相输入端连接在一起，接模拟输入电压信号，每个运算放大器的反相输入端具有固定的电位，如图18-3-5所示。运算放大器的输出接D触发器的输入端，D触发器的输出端与优先编码器的7个输入端相连。优先编码器的输入端为高电平有效，优先级别按 I1、I2、I3、I4、I5、I6、I7依次升高，对I1、I2、I3、I4、I5、I6、I7的编码分别为D3 D2 D0=001、010、011、100、101、110、111，当所有的输入都无效时，输出为D3 D2 D0=000。,并行比较型A/D转换器真值表,1 转换原理：,四 逐次比较型A/D转换器,2 逻辑电路,五双积分型A/D转换器,它由积分器、过零比较器（C）、时钟脉冲控制门（G）和定时器、,计数器（FF,0,FF,n,）等几部分组成。,（2）第一次积分阶段,工作原理：,（,1,）准备阶段,计数器清零，,积分电容放电，,v,O,=0V,。,t,=0时，开关S,1,与A端,接通，输入电压,v,I,加到,积分器的输入端。积分,器从0开始积分：,由于,v,O,0V，比较器输出,v,C,=0，控制门G被关闭，计数停止。,在此阶段结束时,v,O,的表达式可写为：,设,T,2,=,t,2,t,1,，于是有：,设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为,，则：,可见，T,2,与V,I,成正比，T,2,就是双积分A/D转换过程的中间变量。,上式表明，计数器中所计得的数,（,=Q,n-1,Q,1,Q,0,），与在取样时间T,1,内输入电压的平均值V,I,成正比。只要V,I,V,REF,，转换器就能将输入电压转换为数字量。,T,2,=,T,C,六 A/D转换器的主要技术指标,（1）分辨率,说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。,一般以输出二进制（或十进制）数的位数表示。因为，在最大输入电压一定时，输出位数愈多，量化单位愈小，分辨率愈高。,1.转换精度,例如，相对误差,LSB/2，就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。,（2）转换误差,它表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。,2.转换时间,指从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的
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