数字电子技术第九章精品文稿.ppt

数字电子技术第九章第1页，本讲稿共35页 9-1概述概述1.应用框图如下图2.性能指标：转换精度、转换速度3.分类：DAC：权电阻、倒T型、权电流 ADC：直接：并联型、计数型、逐次-渐近型；间接：双积分型 第2页，本讲稿共35页 9-2 9-2 D/AD/A转换器（转换器（DACDAC）一 权电阻网络DAC 1.工作原理；如图，VO=-RF（I3+I2+I1+I0），当d3,d2,d1,d0分别等于1时 I3=VREF/R I2=VREF/2R I1=VREF/4R I0=VREF/8R当d3,d2,d1,d0分别等于0时，对应的电流为0第3页，本讲稿共35页得VO=可扩展为：2优点：结构简单；缺点：电阻值相差大，不易集成；第4页，本讲稿共35页3.改进电路：分段如下图；图9-1为仅DO=1其它各位为0时，计算iS0的等效电路，可得VS0VREF/，iS0VREF/R；以此类推可得iS1VREF/R，iS2VREF/R得：采用倒T型电阻网络。VO=第5页，本讲稿共35页二 倒T型电阻网络DAC：1只用R和2R两种电阻；4.2无论开关接0或1各支路电流恒定；3各节点看进去的等效电阻均为R。第6页，本讲稿共35页三 权电流型DAC VREF=RFI；MSI见P463用按比例放大发射结面积控制电流。第7页，本讲稿共35页 四 具有双极性输出的DAC 1把以补码形式输入的正、负数分别转换成正、负极性的模拟电压，最高位为符号位：0为正，1为负。2.比较P468两表可知方法为加偏置电流,抵消最高位为1其他各位为0时的电流，使此时VO=0；符号位（最高位）求反注意：下列公式只适用单极性电路公式只适用单极性电路，可用于计算输出幅度。第8页，本讲稿共35页输入为3位二进制补码时要求D/A转换器的输出补码输入 对应的 要求的 d2 d1 d0 十进制数 输出电压 0 1 1 +3 +3V 0 1 0 +2 +2V 0 0 1 +1 +1V 0 0 0 0 0 1 1 1 -1 -1V 1 1 0 -2 -2V 1 0 1 -3 -3V 1 0 0 -4 -4V 具有偏移的D/A转换器 的输出原码输入 无偏移时 偏移-4V后 d2 d1 d0 的输出 的输出 1 1 1 +7V +3V 1 1 0 +6V +2V 1 0 1 +5V +1V 1 0 0 +4V 0 0 1 1 +3V -1V 0 1 0 +2V -2V 0 0 1 +1V -3V 0 0 0 0 -4V第9页，本讲稿共35页加偏置电流-VB/RB=-IB，抵消最高位为1其他各位为0时的电流，使此时VO=0；符号位（最高位）求反；例见P469，|VB|/RB=I/2=|VREF|/2R第10页，本讲稿共35页五 DAC的转换精度和转换速度 1转换精度：（1）分辨率：用输入二进制码的位数表示；用能分辨出的最小模拟电压(LSB)与最大输出电压FSR)之比来表示为1/（-1）。（2）转换误差：P470图比例误差：VREF的变化引起，例见P472；漂移误差：运放的零漂引起；非线形误差：模拟开关的压降不等和电阻阻值的偏差。总的误差为三项之和,加采样-保持电路可消除动态误差。2 2转换速度：外加运放的DAC转换速度等于建立时间（数字部分的延迟时间）+运放的上升时间第11页，本讲稿共35页例：P495 9.2第12页，本讲稿共35页74161为16进制计数器CP Q3Q2Q1Q0 VO（V）0 0000 0 1 0001 0.625 2 0010 1.25 3 0011 1.875 4 0100 2.5 5 0101 3.125 14 1110 8.7515 1111 9.37516 0000 0第13页，本讲稿共35页 9-3 A/D转换器（转换器（ADC）一 A/D转换的基本原理：步骤：取样-保持-量化-编码，1.取样定理：fs2fi(max)，fs为取样频率，fi(max)为输入模拟信号VI的最高频率分量。满足此式可以用低通滤波器将VO还原为VI，为提高转换速度，取fs=（3-5）fi(max)即可（但要保证转换完成）。第14页，本讲稿共35页2.量化和编码：量化：任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍，仅LSB=1时等效模拟电压即，称为量化单位。模拟电压是连续的，一般不能被整除，将引入量化误差；由下表可知，等分时最大误差为=1/8V，不等分时=2/15V最大误差为1/2=1/15V。输入模拟电压在正、负范围变化时，输出补码，如P478图所示，纵坐标为输入模拟电压、右边为输出补码有量化误差。第15页，本讲稿共35页第16页，本讲稿共35页二 取样-保持电路1基本形式：如下图工作原理：T导通时-取样，T截止时-保持；取样速度慢，因R1不可太小。第17页，本讲稿共35页2.实用电路采用LF198见下图：工作原理：A1、A2构成电压跟随器，电容外接，VL=1时-取样，VL=0时-保持；D1和D2保护作用：当S断开时，A1的V-=VO、V+=VI，若VI变化大VO变化大，可能使A1饱和并使S承受过压。加D1、D2使VOVIVD。第18页，本讲稿共35页三 直接ADC（前面已加取样-保持电路）量化-编码电路1并联比较型ADC：如下页图工作原理：电压比较、寄存、代码转换；优点：转换速度快，几十纳秒；缺点：位数高、所用元件呈几何级数增加。例P481图中，VREF=15V、VI=7.3V求=？Qi=？di=?解：=2V、Qi=000111、di=100（100精确值为4=8V误差为0.7V）第19页，本讲稿共35页第20页，本讲稿共35页1计数型ADC（反馈比较型一）工作原理：见下图转换时间：最长可达（-1）TCP，缺点：转换速度慢，几十毫秒；优点：位数高、所用元件呈算术级数增加。第21页，本讲稿共35页2.逐次-渐近型ADC（反馈比较型二）工作原理：见下表，框图、原理图（5个CP完成一次转换）表示可能为1可能为0 CP Q1Q2Q3Q4Q5 QAQBQC 功能 0 10000 000 准备 1 01000 100 比较 2 00100 10 比较 3 00010 1 比较 4 00001 输出 5 10000 000 恢复第22页，本讲稿共35页第23页，本讲稿共35页转换时间：(n+2)T(n+2)TCPCP，n为计数器的位数；转换速度几十微秒（适中），位数高时所用元件呈算术级数增加。使用的较多第24页，本讲稿共35页四 间接ADC1.双积分型：电压-时间-数字量 第25页，本讲稿共35页工作原理：如右图，第一次定时积分，计数器满量程T1=TCP，VO1=-1/RC =(T1/RC)VI第二次积分，-VREF定压积分，VO2=1/RC =(T2/RC)VREFVO1+VO2=0得T2=T1 VI/VREF，即T2与VI成正比，在T2时刻后计数器的数据输出为D=T2/TCP =(T1 VI/VREF)/TCP =VI/VREF。第26页，本讲稿共35页第27页，本讲稿共35页(2)优点：转换精度高、抗干扰能力强、结构简 单。(3)缺点：转换时间长，最长转换时间近似为 TCP，需几十到上百毫秒。2V-F变换型ADC：见P490图。第28页，本讲稿共35页 五 ADC的转换精度和转换速度1转换精度：（1）分辨率：输出数字量的位数；1/FSR，单位V。（2）转换误差：要求1/2 LSB，P492 三位半即13位BCD码输出。2转换速度：不同类型的ADC有很大区别，并联比较型ADC：几十纳秒，逐次-渐近型ADC：几十微秒，计数型、双积分型ADC：几十毫秒。第29页，本讲稿共35页几种常用的ADC性能比较类型 并联 计数型 逐次-双积分型 比较型 渐进型 结构 位数多 有DAC 有DAC 简单 元件多 适中 适中 转换 几十纳秒 几十毫秒 几十微秒 几十毫秒速度 快 较慢 适中 最慢转换 与D位数 受DAC 受DAC 最高精度 有关 等影响 等影响第30页，本讲稿共35页*综合型例题综合型例题：9.16 由图可知VO=I4R，I=VOH(Q2/R+Q1/2R+Q0/4R)+VIi/8R,VO=VOH(4Q2+2Q1+Q0)+VIi/2，振荡器的频率为1MHZ，即VIi 的T=8微秒，在i=0 7 期间，每80微秒中有10个1微秒的时间有VIi/2的电压迭加在VOH(4Q2+2Q1+Q0)的电压上。(i=0 7)如Q3Q2Q1=000，则VO在0-80，640-720微秒，间各有10个1微秒，间隔为7微秒，幅度为VI0/2电压输出。第31页，本讲稿共35页 Q3Q2Q1=001则VO在80-160，720-800，微秒间各有10个1微秒，间隔为7微秒，幅度为VOH+VI1/2的电压输出。Q3Q2Q1=111则VO在560-640，1200-1280，微秒间有10个1微秒，间隔为7微秒，幅度为7VOH+VI7/2的电压输出。以次类推，VO的波形如图9-2所示。第32页，本讲稿共35页第33页，本讲稿共35页第九章学习要求第九章学习要求1.DAC的组成，权电阻、倒T型、权电流DAC的工作原理，特点，误差分析，VO的计算。2.并联比较型、计数型、逐次-渐进型、双积分型ADC的结构，性能比较。3.DAC和ADC的分辨率的计算。第34页，本讲稿共35页第九章作业第九章作业9.1、9.2、9.3、9.5、9.6、9.12、9.13、9.14、9.15、9.16第35页，本讲稿共35页