數字電路基礎課件重慶工商大學CH9文檔ppt第1頁，共38頁。A/D

轉換器

D/A

轉換器

模擬

控制器

工業(yè)生產過程控制對象

模

擬

傳感器

ADC和DAC已成為計算機系統(tǒng)中不可缺少的接口電路。將溫度、壓力、流量、應力等物理量轉換為模擬電量。計算機進行數字處理（如計算、濾波）、保存等用模擬量作為控制信號數字控制

計算機概述第2頁，共38頁。9.1D/A轉換器9.1.1D/A轉換的基本原理9.1.2倒T形電阻網絡D/A轉換器9.1.4D/A轉換器的輸出方式9.1.3權電流D/A轉換器9.1.5D/A轉換器的技術指標9.1.6D/A轉換器的應用第3頁，共38頁。將數字量轉換為與之成正比模擬量。n位數字量DAC9.1D/A轉換器模擬量數

/

模轉換器:A

=KD

O=–KNB

第4頁，共38頁。數字量是用代碼按數位組合而成的，對于有權碼，每位代碼都有一定的權值，如能將每一位代碼按其權的大小轉換成相應的模擬量，然后將這些模擬量相加，即可得到與數字量成正比的模擬量，從而實現(xiàn)數字量--模擬量的轉換。①實現(xiàn)D/A轉換的基本思想ND＝b4×24＋b3×23＋b2×22＋b1×21＋b0×20

＝1×24＋1×23＋0×22＋0×21＋1×20將二進制數ND＝(11001)B轉換為十進制數。9.1.1D/A轉換的基本原理第5頁，共38頁。②

D/A轉換器的組成:DAC的數字數據可以并行輸入也可串行輸入用存放在數字寄存器中的數字量的各位數碼由輸入數字量控制產生權電流將權電流相加產生與輸入成正比的模擬電壓第6頁，共38頁。③實現(xiàn)D/A轉換的原理電路

第7頁，共38頁。④D/A轉換器的分類:按解碼網絡結構分類T型電阻網絡DAC倒T形電阻網絡DAC權電流DAC權電阻網絡DAC按模擬電子開關電路分類CMOS開關型DAC雙極型開關型DAC電流開關型DACECL電流開關型DACD/A轉

換

器第8頁，共38頁。9.1.2倒T形電阻網絡D/A轉換器Di=0,Si則將電阻2R接地Di=1,Si接運算放大器反相端，電流Ii流入求和電路

電阻網絡模擬電子開關求和運算放大器輸出模擬電壓輸入4位二進制數根據運放線性運用時虛地的概念可知，無論模擬開關Si處于何種位置，與Si相連的2R電阻將接“地”或虛地。1、4位倒T形電阻網絡D/A轉換器基準電壓電阻網絡模擬電子開關求和運算放大器第9頁，共38頁。D/A轉換器的倒T形電阻網絡基準電源VREF提供的總電流為：I=？流過各開關支路的電流：I3=？I2=？I1=？I0=？I/4I/8I/16RRRRI/2I/4I/8I/16I/2I3I2I1I0流入每個2R電阻的電流從高位到低位按2的整數倍遞減。I3=VREF/2RI2=VREF/4RI1=VREF/8RI0=VREF/16R第10頁，共38頁。流入運放的總電流：i

＝I0+I1+I2+I3輸出模擬電壓：第11頁，共38頁。4位倒T形電阻網絡DAC的輸出模擬電壓：n位倒T形電阻網絡DAC有：令：則

O=–KNB

在電路中輸入的每一個二進制數NB，均能得到與之成正比的模擬電壓輸出。第12頁，共38頁。AD7533D/A轉換器使用:1)要外接運放2)運放的反饋電阻可使用內部電阻，也可采用外接電阻2.集成D/A轉換器10位CMOS電流開關型D/A轉換器第13頁，共38頁。Di=1時，開關Si接運放的反相端；Di=0時，開關Si接地。9.1.3權電流D/A轉換器1.4位權電流D/A轉換器第14頁，共38頁。在恒流源電路中，各支路權電流的大小均不受開關導通電阻和壓降的影響，這樣降低了對開關電路的要求，提高了轉換精度。第15頁，共38頁。9.1.5D/A轉換器的主要技術指標分辨率：其定義為D/A轉換器模擬輸出電壓可能被分離的等級數。n位DAC最多有2n個模擬輸出電壓。位數越多D/A轉換器的分辨率越高。分辨率也可以用能分辨的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比給出。n位D/A轉換器的分辨率可表示為1、分辨率第16頁，共38頁。2、轉換精度：轉換精度是指對給定的數字量，D/A轉換器實際值與理論值之間的最大偏差。產生原因：由于D/A轉換器中各元件參數值存在誤差，如基準電壓不夠穩(wěn)定或運算放大器的零漂等各種因素的影響。幾種轉換誤差：有如比例系數誤差、失調誤差和非線性誤差等第17頁，共38頁。9.1.6集成D/A轉換器的應用(1)數字式可編程增益控制電路

D2

D7

uO

D0

D1

2R

2R

2R

2R

R

R

R

D8

D9

R

R

R

uI

2R

2R

2R

-

+

RF

IOUT1

IOUT2

VREF

第18頁，共38頁。

D2

D7

uOD0

D1

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2R

R

R

R

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uIOUT2I

IOUT1

倒T形電阻網絡OVIAuu=Iout1＝

I0+I1+I2+…I9根據虛斷有:第19頁，共38頁。(2)

脈沖波產生電路74163具同步清零功能74163和與非門構成十進制計數器：0000~1001第20頁，共38頁。9.2.6集成A/D轉換器及其應用9.2A/D轉換器9.2.1A/D轉換的一般工作過程9.2.2并行比較型A/D轉換器9.2.3逐次比較型A/D轉換器9.2.4雙積分式A/D轉換器9.2.5A/D轉換器的主要技術指標第21頁，共38頁。概述ADCDn~D0輸出數字量輸入模擬電壓能將模擬電壓成正比地轉換成對應的數字量。1.A/D功能:9.2A/D轉換器第22頁，共38頁。①并聯(lián)比較型特點:轉換速度快,轉換時間10ns~1

s,但電路復雜。②逐次逼近型特點:轉換速度適中，轉換時間為幾

s~100

s，轉換精度高，在轉換速度和硬件復雜度之間達到一個很好的平衡。③雙積分型特點:轉換速度慢，轉換時間幾百

s~幾ms，但抗干擾能力最強。2.A/D轉換器分類第23頁，共38頁。取樣時間上離散的信號保持、量化量值上也離散的信號編碼模擬信號時間上和量值上都連續(xù)數字信號時間上和量值上都離散9.2.1A/D轉換的一般工作過程

A/D轉換器一般要包括取樣，保持，量化及編碼4個過程。第24頁，共38頁。1.取樣與保持

采樣是將隨時間連續(xù)變化的模擬量轉換為在時間離散的模擬量。采樣信號S(t)的頻率愈高，所采得信號經低通濾波器后愈能真實地復現(xiàn)輸入信號。合理的采樣頻率由采樣定理確定。采樣定理：設采樣信號S(t)的頻率為fs，輸入模擬信號

I(t)的最高頻率分量的頻率為fimax，則fs≥2fimaxS(t)=1:開關閉合S(t)=0:開關斷開第25頁，共38頁。采得的模擬信號轉換為數字信號都需要一定時間，為了給后續(xù)的量化編碼過程提供一個穩(wěn)定的值，在取樣電路后要求將所采樣的模擬信號保持一段時間。采樣保持取樣與保持電路及工作原理第26頁，共38頁。2.量化與編碼數字信號在數值上是離散的。采樣–保持電路的輸出電壓還需按某種近似方式歸化到與之相應的離散電平上，任何數字量只能是某個最小數量單位的整數倍。量化后的數值最后還需通過編碼過程用一個代碼表示出來。經編碼后得到的代碼就是A/D轉換器輸出的數字量。量化編碼第27頁，共38頁。在量化過程中由于所采樣電壓不一定能被

整除，所以量化前后一定存在誤差，此誤差我們稱之為量化誤差，用

表示。量化誤差屬原理誤差，它是無法消除的。A/D轉換器的位數越多，各離散電平之間的差值越小，量化誤差越小。兩種近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。4.量化誤差：量化前的電壓與量化后的電壓差5.量化方式第28頁，共38頁。011111101011000110100010000Δ=0v7Δ=7/8v6Δ=6/8v5Δ=5/8v4Δ=4/8v3Δ=3/8v2Δ=2/8v1Δ=1/8v輸入信號編碼量化后電壓a)只舍不入量化方式:量化中把不足一個量化單位的部分舍棄；對于等于或大于一個量化單位部分按一個量化單位處理。最大量化誤差為：最小量化單位＝1/8VΔ=1LSB=1/8V例：將0~1V電壓轉換為3位二進制代碼第29頁，共38頁。b)四舍五入量化方式:量化過程將不足半個量化單位部分舍棄，對于等于或大于半個量化單位部分按一個量化單位處理。最大量化誤差為：最小量化單位：011111101011000110100010000Δ=0v7Δ=14/15v6Δ=12/15v5Δ=10/15v4Δ=8/15v3Δ=6/15v2Δ=4/15v1Δ=2/15v輸入信號編碼模擬電平Δ=1LSB=

2/15V＝1/15V例：將0~1V電壓轉換為3位二進制代碼第30頁，共38頁。所加砝碼重量結果

9.2.3逐次比較型A/D轉換器逐次逼近轉換過程與用天平稱物重非常相似。第一次8克砝碼總重<待測重量Wx，8克砝碼保留8克第二次再加4克砝碼總重仍<待測重量Wx，4克砝碼保留12克第三次再加2克砝碼總重>待測重量Wx，2克砝碼撤除12克第四次再加1克砝碼總重＝待測重量Wx，1克砝碼保留13克1.轉換原理所用砝碼重量：8克、4克、2克和1克。設待秤重量Wx=13克。第31頁，共38頁。1.轉換原理100…0100…0

I

≥5V

1

A=6.84VVREF=10V第一個CP：第32頁，共38頁。1.轉換原理

第二個CP：010…0110…010

I

<7.5V

I=6.84VVREF=10V第33頁，共38頁。1.轉換原理第三個CP：001…0101…0

I

≥6.25V101

A=6.84VVREF=10V第34頁，共38頁。10000000

A=6.84VVREF=10V1010111111000000101000001011000010101000101011001010111010101111第35頁，共38頁。小結：1、逐次比較型A/D轉換器輸出