第9章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

9.1D/A轉(zhuǎn)換器一．D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理

對(duì)于有權(quán)碼，先將每位代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字量成正比的總模擬量，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換。根據(jù)解碼網(wǎng)絡(luò)的不同，D/A轉(zhuǎn)換器分不同類(lèi)型，常見(jiàn)的有：倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換等按模擬電子開(kāi)關(guān)分，有CMOS開(kāi)關(guān)型D/A轉(zhuǎn)換器雙極型D/A轉(zhuǎn)換器一、權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器

權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換器電路十分簡(jiǎn)單，但是，當(dāng)數(shù)字量的位數(shù)增多時(shí)，權(quán)電阻數(shù)目增多，阻值范圍越來(lái)越大，權(quán)電阻阻值的種類(lèi)太多，集成電路制造、權(quán)電阻的匹配都比較困難，所以權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度受到了限制

二．倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器（4位）所以，無(wú)論Si處于何種位置，與Si相連的2R電阻均接“地”（地或虛地）。圖中S0～S3為模擬電子開(kāi)關(guān)，由輸入數(shù)碼Di控制，當(dāng)Di=1時(shí)，Si接運(yùn)算放大器反相輸入端（虛地），電流Ii流入求和電路；當(dāng)Di=0時(shí)，Si將電阻2R接地。電流的參考方向電流的真實(shí)方向也如此輸出電壓：則流過(guò)各開(kāi)關(guān)支路（從右到左）的電流分別為I/2、I/4、I/8、I/16。于是得總電流：將輸入數(shù)字量擴(kuò)展到n位，則有：可簡(jiǎn)寫(xiě)為：vO=－KNB

其中：K=可算出，基準(zhǔn)電流I=VREF/R，常用的CMOS開(kāi)關(guān)倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的集成電路有AD7520（10位）等AD7520是10位CMOS電流開(kāi)關(guān)型D/A轉(zhuǎn)換器。芯片內(nèi)含有倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)、CMOS電流開(kāi)關(guān)和反饋電阻（R=10K），該集成D/A轉(zhuǎn)換器在應(yīng)用時(shí)必須外接參考電壓源和運(yùn)算放大器。其內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)組成的D/A轉(zhuǎn)換電路如圖所示，AD7520的引腳圖如圖所示。10要使D/A轉(zhuǎn)換器具有較較高的精度，，對(duì)電路中的的參數(shù)有以下下要求：（1）基準(zhǔn)電壓穩(wěn)穩(wěn)定性好；（（2）倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)中中R和2R電阻的比值精精度要高；（3）每個(gè)模擬開(kāi)開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)電電壓降要相等等。為實(shí)現(xiàn)電電流從高位到到低位按2的整倍數(shù)遞減減，模擬開(kāi)關(guān)關(guān)的導(dǎo)通電阻阻也相應(yīng)地按按2的整數(shù)倍遞增增。由于在倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器中，各各支路電流直直接流入運(yùn)算算放大器的輸輸入端，它們們之間不存在在傳輸上的時(shí)時(shí)間差。電路路的這一特點(diǎn)點(diǎn)不僅提高了了轉(zhuǎn)換速度，，而且也減少少了動(dòng)態(tài)過(guò)程程中輸出端可可能出現(xiàn)的尖尖脈沖。它是是目前廣泛使使用的D/A轉(zhuǎn)換器中速度度較快的一種種。三．權(quán)電流流型D/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器為進(jìn)一步提高高D/A轉(zhuǎn)換換器的轉(zhuǎn)換精精度，可采用用權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器器。采用具有電流流負(fù)反饋的BJT恒流源源電路的權(quán)電電流D/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器：IE3=I/2，IE2=I/4，IE1=I/8，IE0=I/16由圖可見(jiàn)，T3～T0的基極是接在在一起的，三三極管的發(fā)射射結(jié)壓降VBE相同，則它們們的發(fā)射極處處于相同的電電位。在計(jì)算算各支路的電電流時(shí)，可以認(rèn)為所有有2R電阻的的上端都接到到了同一個(gè)電電位上，因而電路的的工作狀態(tài)與與倒梯形電阻阻網(wǎng)絡(luò)的工作作狀態(tài)一樣。。這時(shí)流過(guò)每每個(gè)2R電阻阻的電流自左左而右依次減減少1/2。。為了保證所所有三極管的的發(fā)射結(jié)壓降降相等，在發(fā)發(fā)射極電流較較大的三極管管中按比例地地加大了發(fā)射射結(jié)的面積，，即T3～T0發(fā)射結(jié)面積之之比為8:4:2:1，，在圖中T3～T0均采用了多發(fā)發(fā)射極晶體管管來(lái)表示，其其發(fā)射極個(gè)數(shù)數(shù)是8、4、、2、1。這這樣，在各BJT電流比比值為8:4:2:1的的情況下，T3～T0的發(fā)射極電流流密度相等，，結(jié)面積的比比值8:4:2:1，可可使各發(fā)射結(jié)結(jié)電壓VBE相同。由于T3～T0的基極電壓相相同，所以它它們的發(fā)射極極e3、e2、e1、e0就為等電位點(diǎn)點(diǎn)。在計(jì)算各各支路電流時(shí)時(shí)將它們等效效連接后，流流入每個(gè)2R電阻的電流從從高位到低位位依次減少1/2，各支支路中電流分分配比例滿(mǎn)足足8:4:2:1的要求求。電流的參考方方向電流的真實(shí)方方向也如此參考電壓源VREF、運(yùn)算放大器器A2、R1、Tr、R與VEE組成基準(zhǔn)電流流IREF產(chǎn)生電路，A2和R1、Tr的cb結(jié)組成電壓并并聯(lián)負(fù)反饋電電路，以穩(wěn)定定輸出電壓，，即Tr的基極電壓。。Tr的集電結(jié)，電電阻R到VEE為反饋電路的的負(fù)載，由于于電路處于深深度負(fù)反饋，，根據(jù)虛短的的原理，其基基準(zhǔn)電流為：：可推得n位倒T形權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器的輸出出電壓倒T型電阻網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)四．D/A轉(zhuǎn)換器應(yīng)用用舉例DAC0808是8位權(quán)權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器，，其中D0～D7是數(shù)字量輸入入端。用這類(lèi)器件構(gòu)成成的D/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器時(shí)，需需要外接運(yùn)算算放大器和產(chǎn)產(chǎn)生基準(zhǔn)電流流用的電阻R1。當(dāng)VREF=10V、R1=5kΩ、Rf=5kΩ時(shí)，輸出電壓為：：DAC0808D/A轉(zhuǎn)換器輸出出與輸入的關(guān)關(guān)系（設(shè)VREF=10V）(一)單極性輸出方方式二進(jìn)制數(shù)沒(méi)有有符號(hào)位，全全是數(shù)值位AD7520的單極性輸輸出(二)雙極性輸出方方式因?yàn)樵跀?shù)字系系統(tǒng)中數(shù)值通通常是帶符號(hào)號(hào)的，所以希希望D/A轉(zhuǎn)換器能夠把把帶符號(hào)的二二進(jìn)制數(shù)輸入入轉(zhuǎn)換成正負(fù)負(fù)極性的模擬擬電壓輸出。。ExcessorBiasedRepresentationsAnexcess-KrepresentationofacodeCisformedbyaddingthevalueKtoeachcodewordofC.Excessrepresentationsarefrequentlyusedintherepresentationoftheexponentsoffloatingpointnumberssothatthesmallestexponentvaluewillberepresentedbyallzeros.Notethattheexcess-2nnumbersarejustthetwo’scomplementnumberswiththesignbitreversed!Theexcess-4representationgiveninthetableisproducedbyadding(100)2tothe3-bittwo’scomplementcodeNotethattheresultisthesmallestnumber(-4)beingrepresentedby000andthelargest(+3)by1111.轉(zhuǎn)換精度度五．D/A轉(zhuǎn)換器的主主要技術(shù)指標(biāo)標(biāo)（2）轉(zhuǎn)換誤誤差——此外，也可用用D/A轉(zhuǎn)換換器的最小輸輸出電壓與最最大輸出電壓壓之比來(lái)表示示分辨率，N位D/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器的分辨辨率可表示為為1/（2n-1）。2.轉(zhuǎn)換速度度3.溫度系系數(shù)——在輸入不不變的情況下下，輸出模擬擬電壓隨溫度度變化產(chǎn)生的的變化量。一一般用滿(mǎn)刻度度輸出條件下下溫度每升高高1℃，輸出電壓壓變化的百分分?jǐn)?shù)作為溫度度系數(shù)。（2）轉(zhuǎn)換速速率（SR））——在大信號(hào)工作作狀態(tài)下模擬擬電壓的變化化率。（1）分辨率率——D/A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器模擬輸輸出電壓可能能被分離的等等級(jí)數(shù)。輸入數(shù)字量位位數(shù)越多，分分辨率越高。。所以，在實(shí)實(shí)際應(yīng)用中，，常用字量的的位數(shù)表示D/A轉(zhuǎn)換器器的分辨率。。（1）建立時(shí)時(shí)間（tset）——當(dāng)輸入的數(shù)字字量發(fā)生變化化時(shí)，輸出電電壓變化到相相應(yīng)穩(wěn)定電壓壓值所需時(shí)間間。最短可達(dá)達(dá)0.1μS。10.2A/D轉(zhuǎn)換換器一．A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換的一般步步驟和取樣定定理由于輸入的模擬信信號(hào)在時(shí)間上上是連續(xù)量，，所以一般的的A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程為：：取樣、保持、、量化和編碼碼。取樣定理：因?yàn)槊看伟讶∪与妷恨D(zhuǎn)換換為相應(yīng)的數(shù)數(shù)字量都需要要一定的時(shí)間間，所以在每每次取樣以后后，必須把取取樣電壓保持持一段時(shí)間。?？梢?jiàn)，進(jìn)行行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)所用的的輸入電壓，，實(shí)際上是每每次取樣結(jié)束束時(shí)的vI值。式中fS為取樣頻率，，fimax為輸入信號(hào)vI的最高頻率分分量的頻率。。二．取樣——保持電路電路組成及工工作原理（取取Ri=Rf）:當(dāng)控制信號(hào)vL為高電平時(shí)，，T導(dǎo)通，vI經(jīng)電阻Ri和T向電容Ch充電。則充電結(jié)束后后vO=－vI=vC。N溝道MOS管T作為開(kāi)開(kāi)關(guān)用。當(dāng)控制信號(hào)返返回低電平后后，T截止。。Ch無(wú)放電回路，，所以vO的數(shù)值可被保存下來(lái)來(lái)。三．并行比比較型A/D轉(zhuǎn)換器（3位）優(yōu)先編碼器的的輸入端為高高電平有效，，優(yōu)先級(jí)別按按I1、、I2、I3、I4、I5、I6、、I7依次升升高，對(duì)I1、I2、I3、I4、、I5、I6、I7的編編碼分別為D3D2D0=001、010、011、、100、101、110、111，當(dāng)所有的的輸入都無(wú)效效時(shí)，輸出為為D3D2D0=000。電阻分壓器由由7個(gè)阻值為為R的電阻和和1個(gè)阻值值為R/2的的電阻串聯(lián)構(gòu)構(gòu)成，一端接接參考電壓源源UREF，，另一端接地地，電阻之間間的連接點(diǎn)分分別與右邊的的運(yùn)算放大器器的反相輸入入端相連，因因?yàn)檫\(yùn)算放大大器的輸入端端的電流可以以近似認(rèn)為是是0，所以電電阻分壓器的的8個(gè)電阻阻才可以認(rèn)為為是串聯(lián)的關(guān)關(guān)系。電壓比比較器由7個(gè)個(gè)處于非線(xiàn)性性工作狀態(tài)的的運(yùn)算放大器器組成，同相相輸入端連接接在一起，接接模擬輸入電電壓信號(hào)，每每個(gè)運(yùn)算放大大器的反相輸輸入端具有固固定的電位，，如圖18-3-5所示示。運(yùn)算放大大器的輸出接接D觸發(fā)器的的輸入端，D觸發(fā)器的輸輸出端與優(yōu)先先編碼器的7個(gè)輸入端相相連。優(yōu)先編編碼器的輸入入端為高電平平有效，優(yōu)先先級(jí)別按I1、I2、I3、I4、I5、、I6、I7依次升高，，對(duì)I1、I2、I3、、I4、I5、I6、I7的編碼分分別為D3D2D0=001、、010、011、100、101、110、、111，當(dāng)當(dāng)所有的輸入入都無(wú)效時(shí)，，輸出為D3D2D0=000。并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器器真值表1．轉(zhuǎn)換原原理：四．逐次比比較型A/D轉(zhuǎn)換器2．邏輯電電路五．雙積分型型A/D轉(zhuǎn)換換器它由積分器、、過(guò)零比較器器（C）、時(shí)時(shí)鐘脈沖控制制門(mén)（G）和和定時(shí)器、計(jì)數(shù)器（FF0～FFn）等幾部分組組成。（2）第一次次積分階段工作原理：（1）準(zhǔn)備階段計(jì)數(shù)器清零，，積分電容放電電，vO=0V。t=0時(shí)，開(kāi)關(guān)關(guān)S1與A端接通，輸入電電壓vI加到積分器的輸入入端。積分器從0開(kāi)始積積分：由于vO<0V，過(guò)零零比較器輸出出vC=1，控制門(mén)門(mén)G打開(kāi)。計(jì)計(jì)數(shù)器從0開(kāi)開(kāi)始計(jì)數(shù)。t=T1=2nTC經(jīng)過(guò)2n個(gè)時(shí)鐘脈沖后后，觸發(fā)器FF0～FFn－1都翻轉(zhuǎn)到0態(tài)態(tài)，而Qn=1，開(kāi)關(guān)S1由A點(diǎn)轉(zhuǎn)到B點(diǎn)，第一次次積分結(jié)束。。第一次積分分時(shí)間為：（3）第二次次積分階段第一次積分結(jié)結(jié)束時(shí)，積分分器的輸出電電壓VP為：當(dāng)t=t1時(shí)，S1轉(zhuǎn)接到B點(diǎn)，，基準(zhǔn)電壓－－VREF加到積分器的的輸入端；積積分器開(kāi)始向相反進(jìn)進(jìn)行第二次積積分。當(dāng)t=t2時(shí)，積分器輸輸出電壓vO>0V，比較較器輸出vC=0，控制門(mén)門(mén)G被關(guān)閉，，計(jì)數(shù)停止。。在此階段結(jié)束束時(shí)vO的表達(dá)式可寫(xiě)寫(xiě)為：設(shè)T2=t2－t1，于是有：設(shè)在此期間計(jì)計(jì)數(shù)器所累計(jì)計(jì)的時(shí)鐘脈沖沖個(gè)數(shù)為λ，則：可見(jiàn)，T2與VI成正比，T2就是雙積分A/D轉(zhuǎn)換過(guò)過(guò)程的中間變變量。上式表明，計(jì)計(jì)數(shù)器中所計(jì)計(jì)得的數(shù)λ（λ=Qn-1…Q1Q0），與在取樣樣時(shí)間T1內(nèi)輸入電壓的的平均值VI成正比。只要要VI<VREF，轉(zhuǎn)換器就能能將輸入電壓壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字字量。T2=λTC六．A/D轉(zhuǎn)換器的主主要技術(shù)指標(biāo)標(biāo)（1）分辨率率——說(shuō)明A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)對(duì)輸入信號(hào)的的分辨能力。。一般以輸出二二進(jìn)制（或十十進(jìn)制）數(shù)的的位數(shù)表示。。因?yàn)?，在最最大輸入電壓壓一定時(shí)，輸輸出位數(shù)愈多多，量化單位位愈小，分辨辨率愈高。1.轉(zhuǎn)換精精度例如，相對(duì)誤誤差≤±LSB/2，，就表明實(shí)際際輸出的數(shù)字字量和理論上上應(yīng)得到的輸輸出數(shù)字量之之間的誤差小小于最低位的的半個(gè)字。（2）轉(zhuǎn)換誤誤差——它表示A/D轉(zhuǎn)換器器實(shí)際輸出的的數(shù)字量和理理論上的輸出出數(shù)字量之間間的差別。常常用最低有效效位的倍數(shù)表表示。2.轉(zhuǎn)換時(shí)時(shí)間——指從轉(zhuǎn)換換控制信號(hào)到到來(lái)開(kāi)始，到到輸出端得到到穩(wěn)定的數(shù)字字信號(hào)所經(jīng)過(guò)過(guò)的時(shí)間。并行比較A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換速度最高高；逐次比較較型A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器次之；；間接A/D轉(zhuǎn)換器的速速度最慢。本章小結(jié)1．A/D和和D/A轉(zhuǎn)換換器是現(xiàn)代數(shù)數(shù)字系統(tǒng)的