第9章数模与模数转换

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9.0 引言 9.1 D/A(Analog to Digital)转换器 9.2 A/D (Digital to Analog)转换器

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第9章数模与模数转换

教学基本要求掌握倒T形电阻网络D/A转换器(DAC) 集成D/A D/A转换器(DAC)、 1、掌握倒T形电阻网络D/A转换器(DAC)、集成D/A 转换器7520的工作原理及相关计算。 7520的工作原理及相关计算 转换器7520的工作原理及相关计算。 正确理解D/A转换器的两种输出方式。 D/A转换器的两种输出方式 2、正确理解D/A转换器的两种输出方式。 了解并行比较、 逐次比较、 双积分A/D A/D转换器 3 、 了解并行比较 、 逐次比较 、 双积分 A/D 转换器 (ADC)的工作原理及其特点 的工作原理及其特点。 (ADC)的工作原理及其特点。 正确理解D/A A/D转换器的主要参数 D/A、 转换器的主要参数。 4、正确理解D/A、A/D转换器的主要参数。

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D/A转换、A/D转换的应用传感器 (温度、压力、 温度、 温度 压力、 流量、应力等) 流量、应力等) 模 拟 传感器 A/D 转换器 计算机进行数字处理 如计算、滤波)、 (如计算、滤波)、 数据保存等 D/A 转换器 用模拟量作为控 制信号

数字控制 计算机

模拟 控制器

工业生产过程控制对象

ADC和DAC已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。 ADC和DAC已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。 已成为计算机系统中不可缺少的接口电路

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D/A转换器 9.1 D/A转换器D/A转换器概述 9.1.0 D/A转换器概述 形电阻网络D/A D/A转换器 9.1.1 倒T形电阻网络D/A转换器 权电流型D/A D/A转换器 9.1.2 权电流型D/A转换器 D/A转换器的输出方式 9.1.3 D/A转换器的输出方式 D/A转换器的主要技术指标 9.1.4 D/A转换器的主要技术指标 集成D/A D/A转换及其应用 9.1.5 集成D/A转换及其应用Department of Electronics and Information Science /dxx/Index.html

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9.1.0 D/A 转换器概述1、DAC的功能: 将数字量成正比地转换与之对应的模拟量 。 DAC的功能: 的功能 (设D/A转换器的输 入数字量为 n位) D/A转换器的输

4位 8位n=

数字量 n位 DAC

模拟量 0-5V或 5V或 0-9V等 9V等

9位 12位 12位 16位等 16位等

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9.1.0

D/A 转换器概述

实现D/A D/A? 如何实现D/A? 实现D/A D/A转换的基本思想 2. 实现D/A转换的基本思想数字量是用代码按数位组合而成的, 对于有权码, 数字量是用代码按数位组合而成的, 对于有权码, 每位代码都有一定的权值， 每位代码都有一定的权值，如能将每一位代码按其权 的大小转换成相应的模拟

量, 然后，将这些模拟量相 的大小转换成相应的模拟量, 然后， 即可得到与数字量成正比的模拟量, 这样， 加,即可得到与数字量成正比的模拟量, 这样，就可 以实现数字量--模拟量的转换。 以实现数字量--模拟量的转换。 --模拟量的转换

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9.1.0

D/A 转换器概述

D/A转换器的组成 转换器的组成: 3. D/A转换器的组成:基准电压

n 位数字 量输入

数码 寄存器

n 位模 拟开关

解码 网络

求和 电路

模拟量 输出

电阻网络 模拟电子开关 求和运算放大器Department of Electronics and Information Science /dxx/Index.html

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9.1.0

D/A 转换器概述

D/A转换器的分类 转换器的分类: 4. D/A转换器的分类:T型电阻网络DAC 型电阻网络DACD/A 转 换 器

按解码网络 结构分类

倒T形电阻网络DAC 形电阻网络DAC 权电流DAC 权电流DAC 权电阻网络DAC 权电阻网络DAC

按模拟电子开 关电路分类 双极型开关型DAC 双极型开关型DAC

CMOS开关型DAC CMOS开关型DAC 开关型

电流开关型DAC 电流开关型DAC ECL电流开关型DAC ECL电流开关型DAC 电流开关型

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形电阻网络D/A D/A转换器 9.1.1 倒T形电阻网络D/A转换器1、原理电路输入4 输入4位二进制数 模拟电子开关(LSB) D0 D1 D2 (MSB) D3 i∑ – vO +

求和运算放大器Rf

电阻网络2R 2RI 16

S0 I/16 2R R I 8

S1 I/8 2R R I 4

S2 I/4 2R R I 2

S3 I/2 +VREF I

输 出 模 拟 电 压

则将电阻2 Di=0, Si则将电阻2R接地 根据运放线性运用时虚地的概念可知，无论模拟开关S 根据运放线性运用时虚地的概念可知，无论模拟开关Si处于 何种位置，与Si相连的2R电阻将接“地I 或虚地。 何种位置， 相连的2R电阻将接 2R电阻将接 接运算放大器反相端， “ i 或虚地。 Di=1, Si接运算放大器反相端，电流”流入求和电路i i iDepartment of Electronics and Information Science /dxx/Index.html

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形电阻网络D/A D/A转换器 9.1.1 倒T形电阻网络D/A转换器2、D/A转换器的倒T形电阻网络 D/A转换器的倒T 转换器的倒基准电源V 提供的总电流为： =? 基准电源VREF提供的总电流为：I =? 流过各开关支路的电流： 流过各开关支路的电流：I3 =?I2 =? I1 =? I0 =?

RA B

RC

RD

R I/4 I/22R R

I/162R 2R

I/8I1R B 2R

I0R

2R

I2

I3I

V REF I= RVREF

I/16

A

I/8

I/4

C

I/2

D

流入每个2R电阻的电流从高位到低位按2的整数倍递减。 流入每个2R电阻的电流从高位到低位按2的整数倍递减。 2R电阻的电流从高位到低位按Department of Electronics and Information Science /dxx/Index.html

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形电阻网络D/A D/A转换器 9.1.1 倒T形

电阻网络D/A转换器工作原理： 3. 工作原理：Rf (LSB) D0 D1 D2 (MSB D3 iΣ –

A+ S0 S1 S2 S3

υO

2R

2R

I0R

2R

I1R

2R

I2R

2R

I3

I流入运放的总电流： 流入运放的总电流：=

+VREF

I I I I D0 + 3 D1 + 2 D2 + 1 D3 i∑ = I0 + I1 + I2 + 24 2 2 2 I3 VREF 3 VREF D0 D1 D2 D3 = 4 = ( 4 + 3 + 2 + 1) ∑ ( Di 2i ) 2 × R i =0 R 2 2 2 2

(9.1.1)

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形电阻网络D/A D/A转换器 9.1.1 倒T形电阻网络D/A转换器工作原理： 3. 工作原理：Rf (LSB) D0 D1 D2 (MSB D3 iΣ –

A+ S0 S1 S2 S3

υO

2R

2R

I0R

2R

I1R

2R

I2R

2R

I3 I+VREF

输出模拟电压： 输出模拟电压：

υO = iΣ Rf

Rf VREF 3 = 4 ∑ ( Di 2i ) R 2 i =0

(9.1.2)

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形电阻网络D/A D/A转换器 9.1.1 倒T形电阻网络D/A转换器工作原理： 3. 工作原理：位倒T形电阻网络DAC的输出模拟电压： DAC的输出模拟电压 4 位倒T形电阻网络DAC的输出模拟电压： Rf VREF 3 υO = iΣ Rf = 4 ∑ ( Di 2i ) R 2 i =0 位倒T形电阻网络DAC, DAC,有 推广到 n 位倒T形电阻网络DAC,有：

(9.1.2)

VREF Rf n 1 i υ O = n ∑ ( Di 2 ) R i=0 2 令： K = 则VREF Rf , n 2 R

(9.1.3) (9.1.4)

NB =

∑ (Di=0

n 1

i

2i )

υO = – K NB

上式表明，在电路中输入的每一个二进制数N 上式表明，在电路中输入的每一个二进制数NB, 均能得到与之成正比的模拟电压输出。 均能得到与之成正比的模拟电压输出。

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Rf i D/A转换器 形电阻网络D/A – 9.1.1 倒T形电阻网络D/A转换器Σ

(LSB) D0

D1

D2

(MSB D3

AS S S S 为提高D/A转换器的精度，对电路参数的要求： 为提高D/A转换器的精度，对电路参数的要求： D/A转换器的精度0 1 2 3

υO

+

(1)基准电压稳定性好2R 2R 基准电压稳定性好； (1)基准电压稳定性好； 2R 2RR R R

2RREF

+V 形电阻网络中R 2R电阻比值的精度要高 电阻比值的精度要高； (2) 倒T形电阻网络中R和2R电阻比值的精度要高；

(3) 每个模拟开关的开关电压降要相等 (4)为实现电流从高位到低位按2的整数倍递减， (4)为实现电流从高位到低位按2的整数倍递减，模拟开关 为实现电流从高位到低位按 的导通电阻也相应地按2的整数倍递增。 的导通电阻也相应地按2的整数倍递增。 为进一步提高D/A转换器的精度，可采用权电流型D/A转换器。 为进一步提高D/A转换器的精度，可采用权电流型D/A转换器。 D/A转换器的精度 D/A转换器Department of Electronics and Information Science /dxx/Index.html

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权电流型D/A D/A转换器 9.1.2 权电流型D/A转换器(L S B ) D0 D1 D2 (M S B ) D3 iΣ Rf

电 路S0 S1 S2 S3

–

+

υO

I 16–V REF

I 8

I 4

I 2

Di =1时，开关Si接运放 =1时的反相端; 的反相端;

Di= 0时，开关Si接地。 0时 接地。

I Rf ( D3 2 3 + D 2 2 2 + D1 21 + D0 2 0 ) 24 3 I = 4 R f ∑ D i 2 i 采用恒流源电路后对提高转换精度有什么好处？ 采用恒流源电路后对提高转换精度有什么好处？ 2 i=0 =在恒流源电路中， 在恒流源电路中，各支路权电流的大小均不受开关导通电阻和压 降的影响，这样降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。 降的影响，这样降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。 Department of Electronics and Information Science /dxx/Index.html

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权电流型D/A D/A转换器 9.1.2 权电流型D/A转换器实际的权电流D/A转换器电路 实际的权电流D/A转换器电路 D/ARf (MSB) D3 (LSB) D0 iΣ – A1 +V I = IREF = REF

I REF

VREF = R1R1

D2

D1

υO

S3 I 2

S2 I 4 T1 IE2

S1 I 8 T0 IE1

S0 I 16 TC IEO

VREF

R1 – A2 + IREF Tr T3

V Rf υO = REF n I R1 2 16IEC IBB

∑D 2i =0 i

n 1

i

T2 IE3

υO = iΣ R f = –VEE

R

2R R f VREF

24 R1

R

( D3 23 + D2 22 + D1 21 + D0 20 )R R

2R

2R

2R

2R

偏 置 电 流

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D/A转换器的输出方式 9.1.3 D/A转换器的输出方式表9.1.1D7 D6

VREF Rf υO = n R1 2

Di 2i ∑i =0

n 1

8位D/A转换器在单极性输出时的输入/ 8位D/A转换器在单极性输出时的输入/输出关系 转换器在单极性输出时的输入D5 D4 D3 D2 D1 D0模拟量

1 1 1 0

1 0 0 1

1 0 0 1

1 0 0 1

1 0 0 1

1 0 0 1

1 0 0 1

1 1 0 1

+ V ref (

255 ) 256129 ) 256128 ) 256

…+V ref (+Vref

(

+V ref (

127 ) 256

…1 ) 2560 ) 256

0 0

0 0

0 0

0 0

0 0

0 0

0 0

1 0

+V ref (+V ref (

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D/A转换器的输出方式 9.1.3 D/A转换器的输出方式1. 单极性输出方式倒T形电阻网络D/A转换器单极性电压输出的电路 形电阻网络D/A转换器单极性电压输出的电路 D/AD0 D1 iΣ Rf 倒T 形 电阻网 络 D/A 转换器D0 D1 iΣ

…Dn-1 VREF

– A + vODn-1

…

倒T 形 电阻网 络D/A 转换器

+ R – A

vO

R1

R2

反相输出

VREF

同相输出

υO = i∑ Rf

υO = iΣ R(1 + R2 / R1 )

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D/A转换器的输出方式 9.1.3 D/A转换器的输出方式双极性输出的8 D/A转换器输入与输出关系 双极性输出的8位D/A转换器输入与输出关系十进 制数 2的补码 的补码 D 7 D 6 D 5 D 4 D 3 D 2 D 1D 0 偏移二进制码 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 模拟量

υO/VLSB

127 126…

0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0

0 0 0 0

127 126 -1 -127 -128

-1…

-127 -128

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正数：补码=原码 负数：补码=反码+1

(3)双极性输出 ) 1)2的补码 的补码符号位十进 制数 127 126 1 0 -1 -127 -128

2的补码D7 0 0 0 0 1 1 1 D6 1 1 0 0 1 0 0 D5 1 1 0 0 1 0 0 D4 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 1 D3 1 1 D2 1 1 D1 1 1 D0 1 0

模拟 127 126 1 0 -1 -127 -128

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自然二进制码-80H=偏移二进制码 2的补码+80H=偏移二进制码

2)偏移二进制码 偏移二进制码十进 制数 127 126 1 0 -1 -127 -128 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 D7 1 1 D6 1 1 D5 1 1 偏移二进制码 D4 D3 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 模拟量 D2 1 1 D1 1 1 D0 1 0 127 126 1 0 -1 -127 -128