数模与模数转换器.ppt

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1、概述D/A转换器A/D转换器,第九章 数模与模数转换器,Digital Analog Converter and Analog Digital Converter,第九章数模与模数转换器,教学要求1.掌握倒T形电阻网络D/A转换器(DAC)、集成D/A转换器7533的工作原理及相关计算。2.正确理解D/A转换器的两种输出方式。3.掌握并行比较、逐次比较、双积分A/D转换器(ADC)的工作原理及其特点。4.了解D/A转换器、A/D转换器的主要技术指标及典型应用。,D/A转换、A/D转换的应用,模,拟,传感器,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

2、可缺少的接口电路。,传感器(温度、压力、流量、应力等）,计算机进行数字处理（如计算、滤波）、数据保存等,用模拟量作为控制信号,能将模拟信号转换成数字信号的电路称为模数转换器(A/D)；而将能将数字信号转换成模拟信号的电路称为数模转换器（D/A);转换精度和速度是衡量它们的重要技术指标。,91 D/A转换器（DAC）,NB是n位二进制代码的输入数字量。为了将数字量转换成模拟量，必须将每1位的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，即可得与数字量成正比的总模拟量，从而实现了数字模拟转换。此即D/A转换器的基本思想。,1.n位D/A转换器的示意图如下：,9.1.1 D/A转换器的基

3、本原理,2.对D/A的基本要求:输出模拟量与输入数字量值成正比。,3.4位D/A转换器的原理电路如图9.1.2所示：,9,图题7.1.5,4.n位D/A转换器的一般方框图如下：,基准电压,n位模拟开关,解码网络,求和电路,n位数字量输入,模拟量输出,解码网络一般有倒T形电阻网络、T形电阻网络、权电流网络等；电子开关也有TTL 型和CMOS型，据此不同的组合可有不同类型的D/A转换器。,9.1.2 倒T形电阻网络D/A转换器,1.4位倒T形电阻网络D/A转换器的工作原理,Si由Di控制，Di0时，Si将电阻2R接地；Di1时，Si将电阻2R接（相应电流也送）运放“”端。处于线性运用状态的运放，虚

4、地使每条2R电阻支路的电流恒定，与开关状态无关。,由图可得流入运放的总电流,分析电路可知，从每个节点向左看，每个二端网络的等效电阻均为R。与开关相连的电阻2R上的电流从高位到低位按2的负整数幂递减。如图所示,输出电压,可见电路中输入的每一个二进制数NB,均能在其输出端得到与之成正比的模拟电压VO。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）、AD7533（10位）及AK7546（16位高精度）等。,由上式可见，要提高D/A转换器的转换精度，电路参数的选择要注意以下几点：,基准电压要稳定，要求高时可选用带隙基准电压源。,倒T型电阻网络中R和2R电阻的精度要高。,

5、每个模拟开关的开关电压降要相等。以保证各支路的电流按2的整数倍递减。,运放的零点漂移要小。,2.集成D/A转换器,AD7533D/A转换器,AD7533D/A转换器是10位CMOS电流开关形D/A转换器，为电流输出型。使用时外加运放，反馈电阻可外加或用片内电阻。,图9.1.5 AD7533内部电路,图9.1.5电路 AD7533引脚图,T1T3组成电平转移电路,使输入信号能与TTL电平兼容，即使TTL的高电平提高以适应CMOS的需要。,Di=1时，T9导通，权电流经T9流入运放的反相端；Di=0时，T8导通，权电流经T8接地。,图9.1.6 CMOS模拟开关电路,2.电子开关电路之一,T9驱动

6、电路,T8驱动电路,913 权电流型D/A转换器,由于倒T电形阻网络D/A转换器存在模拟开关电压降，会产生转换误差，权电流型D/A转换器可以提高转换精度。,用一组恒流源代替T型电阻网络,1.4位权电流型D/A转换器,上图电路中，当输入数字量的某一位代码Di=1时，开关Si接运放的反相输入端，相应的权电流流入求和电路；当Di=0时，开关Si接地分析该电路，可得出,电路分析：,采用了恒流源电路后，各支路权电流的大小均不受开关导通电阻和压降的影响，这就降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。,图9.1.8 实际的权电流D/A转换器电路,2.实际的权电流D/A转换器,对实际的权电流D/A转换器电路分析

7、可得到输出电压为,上式表明，基准电流IREF即输出电压VO仅与基准电压VREF和电阻R1有关，而与BJT、R、2R电阻无关。这样，电路降低了对BJT参数及R、2R取值的要求，对于集成化十分有利。常用的此类转换器有AD1408、DAC0806、DAC0808等。,914 D/A转换器的输出方式,常用的D/A转换器绝大部分是数字电流转换器，输出量是电流。如要实现电压输出，还须转换。输出电压或为0伏到正满度值，或为0伏到负满度值的称为单极性输出方式。采用单极性输出方式时，输入数字量采用自然二进制码。,对权电流D/A转换器，如果R1=Rf,则有,对倒T型电阻网络D/A转换器，如果R=Rf,则有,表9.

8、1.1 8位D/A转换器在单极性输出时的输入/输出关系,倒T形电阻网络D/A转换器单极性电压输出的电路如下：,对图（a)有,(a)反相输出,D/A转换器的单极性电压输出,对图（b)有,D/A转换器的单极性电压输出,(b)同相输出,在实际应用中，D/A转换器 输入的数字量有正极性也有负极性。这就要求D/A转换器能将不同极性的数字量对应转换为正、负极性的模拟电压，工作于双极性方式。双极性D/A转换器常用的编码有：2的补码、偏移二进制码及符号-数值码（符号位加数值码）等。下表是对应关系。,表9.1.2 常用双极性及输出模拟量,比较表912和表911可见，偏移二进制码与无符号二进制码形式上相同，它实际

9、上是将二进制码对应的模拟量的0值偏移至80H，使偏移后的数中，只有大于128的才是正数，而小于128的则为负数。所以，若将单极性8位D/A转换器的输出电压减去VREF/2(80H所对应的模拟量），就可得到极性正确的偏移二进制码输出电压。,若D/A转换器输入数字量是2的补码，则先将它转换为偏移二进制码，然后输入到上述D/A转换电路中就可实现其双极性输出。而2的补码加80H并舍弃进位就可得到偏移二进制码。实现2的补码加80H只需将2的补码的高位求反即可。,于是可得采用2的补码输入的8位双极性输出D/A转换电路如下：,由图得,915 D/A转换器的主要技术指标,分辨率,分辨率是D/A转换器对输入微小

10、量变化敏感程度的表征。其定义为D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。等级越多，分辨率愈高。所以，实际应用中，n位D/A转换器的分辨率用输入数字量的位数来表示，也可以用级数2n表示，还可以用分辨最小输出电压与最大输出电压之比表示，即n位D/A转换器的分辨率可表示为,它表示D/A转换器在理论上可以达到的精度。,915 D/A转换器的主要技术指标,2.转换精度,D/A转换器实际输出的模拟量与理论值之间存在误差，因而将这些误差的最大值定义为转换精度。,转换误差有比例系数误差、失调误差和非线性误差。,（1）比例系数误差：实际转换特性曲线的斜率与理想特性曲线斜率的偏差。如在n位倒T形电阻网络D/A转

11、换器中，当VREF偏离标准值VREF时，就会在输出端产生误差电压VO,VO=,（2）失调误差：由运算放大器的零点漂移引起，其大小与输入数字量无关，该误差使输出电压的转换特性曲线发生平移，3位D/A转换器的失调误差如图所示。,图9.1.11 3位D/A转换器的失调误差,失调误差为模拟量的实际起始数值与理想起始数值之差。,(3)非线性误差:是一种没有一定变化规律的误差，一般用在满刻度范围内，偏移理想的转移特性的最大值来表示。模拟开关处于不同的位置有不同的导通电压和导通电阻，各电阻支路电阻误差不同等都可能导致非线性误差。,综上所述，高精度的D/A转换器必需是高分辨率的D/A转换器、高稳定度的VREF

12、和低零点漂移的运放相配合才能实现。,3.转换速度,当D/A转换器输入的数字量发生变化时，输出的模拟量并不是立即达到所对应的值，它需要一定的时间。通常用建立时间和转换速率两参数来描述D/A转换器的转换速度。,建立时间（tset)：输入的数字量发生变化时,输出电压变化到相应稳定值(达到误差LSB/2时）所需时间。一般用全0变到全1需时表示,转换速率（SR)：大信号工作状态下模拟电压的最大变化率。,4.温度系数：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。一般用满刻度时温度升1度输出电压变化的百分数作为温度系数。,916 D/A转换器的应用,前已介绍，AD7533D/A转换器是10位CMO

13、S电流开关形D/A转换器。电路如下。,图9.1.5 AD7533内部电路,D/A转换器应用广泛，举例如下：,1.数字式可编程增益控制电路,根据虚地原理，由图得,AD7533,脉冲波产生电路,由AD7533、运算放大器及4位同步二进制计数器74LVC163（同步清零）组成的波形产生电路如图9.1.13（a）所示。,计数器采用反馈清零法，组成模10计数器。在时钟脉冲作用下，输出状态为00001001。,图9.1.13 波形产生电路,（a）电路,（b）工作波形,前已分析，计数器输出状态为00001001。,由公式,可得VO波形如图（b）,如采用可逆计数器可得三角波。,70503010,92 A/D(

14、模数)转换器（ADC）,9.2.1 A/D转换的一般工作过程,三、量化和编码,二、取样定理 fS2 fimax,一、A/D转换的一般步骤 取样保持量化编码,A/D转换器要将时间上连续，幅值也连续的模拟量转换为时间上离散，幅值也离散的数字信号，它一般要包括取样，保持，量化及编码4个过程。,A/D转换器概述,能将模拟电压成正比地转换成对应的数字量。,A/D功能:,1.取样与保持,取样是将随时间连续变化的模拟量转换为时间离散的模拟量,采样信号S(t)的频率愈高，所采得信号经低通滤波器后愈能真实地复现输入信号。合理的采样频率fs由采样定理确定。,则 fs 2fimax(9.2.1),如fimax为输入

15、信号最高频率分量的频率,要将取样电路每次采得模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，为了给后续的量化编码过程提供一个稳定的值，在取样电路后要加保持电路，将所采样的模拟信号保持一段时间。取样与保持过程往往是通过采样与保持电路同时完成的。,电路要求：AV1AV2=1,A1 的Ri 高，A2 的Ri 高、Ro低。,采样,不能放电,保持,1.取样与保持,9.2.1 A/D转换的一般工作过程,（1）电路及工作原理,工作原理：在t=t0时，开关S闭合，电容被迅速充电，由于AV1 AV2=1因此VO=VI,在t0t1时间间隔内 是取样阶段。当t=t1时刻，开关S断开,进入t1到t2的保持阶段。,(b)波形图,

16、(a)原理图,实际 取样保持电路LF198,经改进的电路及工作原理,运放均作为电压跟随器使用uO=uO=uI,由uL来控制开关S的通断：uL=1，S闭合；否则S断开,S闭合时外接电容上的电压也等于uI，并在S断开后使uo也保持不变。,实际 取样保持电路LF198,单片集成取样保持电路LF198,偏置电源,量化与编码,为将模拟信号转换为数字量，在A/D转换过程中，还必需将取样-保持电路的输出电压，按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上。即将输出电压表示为最小数量单位的整数倍，这一转化过程称为数值量化，简称量化。,量化后的数值最后还须通过编码过程用一个代码表示出来。编码后得到的代码就是A/D转换

17、器输出的数字量。,量化过程中所取最小数量单位称为量化单位，用表示。它是数字信号最低位为1时所对应的模拟量，即1LSB所对应的模拟量。,量化误差：量化过程中由于取样电压不一定能被整除而存在的量化前后的误差。用表示。量化误差属原理误差，它是无法消除的。转换器的位数越多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。,量化过程的两种近似量化方式：只舍不入法（舍尾取整法）和四舍五入法。,以3位A/D转换器为例，设输入信号VI的变化范围为01V。,用只舍不入方式时，取=（18）V，量化中把不足量化单位的部分舍去，如数值在0（18）V间当作0，用二进制数000表示，数值在（18）V（28）V 间当作1，用二进制

18、数001表示。这种量化方式的最大误差为。,(1)量化及量化误差,用四舍五入方式时，取(1/2)=（1/15）V，量化中把不足半个量化单位的部分舍去，对于等于或大于半个量化单位的部分按一个量化单位处理。如数值在0（1/15）V之间当作0，用二进制数000表示，数值在（1/15）V（3/15）V间当作1，用二进制数001表示,数值在（3/15）V（5/15）V间当作2，用二进制数010表示这种量化方式的最大误差为1/2。即最大量化误差为,因此，大多数A/D转换器采用四舍五入方式,只舍不入量化方式:量化中把不足1个量化单位的部分舍弃；最大量化误差为：,四舍五入量化方式:量化过程将不足半个量化单位部分

19、舍弃，对于等于或大于半个量化单位部分按一个量化单位处理。其最大量化误差为：最大量化误差为,（2）两种量化方式图象说明,111,110,101,100,011,010,001,000,0=0 v,7=7/8 v,6=6/8 v,5=5/8 v,4=4/8 v,3=3/8 v,2=2/8 v,1=1/8 v,110,101,100,011,010,001,000,0=0 v,1=2/15 v,2=4/15 v,3=6/15 v,4=8/15 v,5=10/15 v,6=12/15 v,7=14/15 v,111,A/D(模数)转换器的种类,按工作原理可分为两类：直接A/D转换器和间接A/D转换器,

20、直接A/D转换器:可将模拟信号直接转换为数字信号，特点是转换速度较快，典型电路有并行比较型A/D转换器和逐次比较型A/D转换器。,间接A/D转换器：先将模拟信号转换为某一中间量（时间或频率），然后将中间量转换为数字量输出，特点是转换速度较慢，典型电路有双积分型A/D转换器和电压频率转换型A/D转换器。,9.2.2 并行比较型A/D转换器,一、电路组成（P448）比较器组、寄存器组、编码器,二、工作原理,表921,三、主要特点转换精度主要取决于量化电平的划分，精度越高，所用的器件越多，电路越复杂。n位转换器需转换速度最快。,9.2.2 并行比较型A/D转换器 1、电路组成,电压比较器,输入模拟电

21、压,精密电阻网络（23个电阻）,精密参考电压,D触发器,输出数字量,10.2.2 并行比较型A/D转换器 2、工作原理,11VREF/15,9VREF/15,13VREF/15,7VREF/15,3VREF/15,VREF/15,5VREF/15,VI=8VREF/15,1,1,1,1,0,0,0,0,0,0,1,1,1,1,优先级别I7最高I1最低,001,vi,vO,比较器的输出状态由寄存器存储经优先编码器编码，得到数字量输出。,属四舍五入量化方式,表9.2.1 3位并行A/D转换器输入与输出关系对照表,根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与各比较器输出状态的关系。,9.2.2

22、 并行比较型A/D转换器 3、电路特点：,在并行A/D转换器中，输入电压I同时加到所有比较器的输入端，从I加入到三位数字量稳定输出所经历的时间为比较器、D触发器和编码器延迟时间之和。如不考虑各器件的延迟，可认为三位数字量是与I输入时刻同时获得的。所以它具有最短的转换时间。,缺点是电路复杂，如三位ADC需比较器的个数目为7个，n位转换器需2n-1个比较器。位数越多矛盾越突出。,为了解决提高分辨率和增加元件数的矛盾，可以采取分级并行转换的方法。,单片集成并行比较型A/D转换器的产品很多，如AD公司的AD9012(TTL工艺8位)、AD9002(ECL工艺，8位)、AD9020(TTL工艺，10位)

23、等。,为了解 决提高分辨率和增加元件数的矛盾，可以采取分级并行转换的方法。如下图电路。,10位本需1023个比较器，现只需62个。,逐次比较型A/D转换器,逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似。,1.转换原理,所用砝码重量：8克、4克、2克和1克。设待秤重量Wx=13克。,称重过程,1,2,3,n,最后寄存器输出数字量,按照称重思路，将输入电压与不同的参考电压做多次比较，使转换所得的数字量对应的模拟量在数值上逐次逼近输入模拟量。工作原理示意如下：,由以上工作原理示意图，可设计电路组成框图如下：,第一个时钟脉冲使移位寄存器最高位置1其它位置0比较决定存1或0，然后第二个时钟脉冲使移位寄存器次高

24、位置1,图9.2.5 逐次比较型A/D转换器框图,逐次比较型A/D转换器,1.转换原理详解,1 0 0 0,1 0 0 0,I VREF/2,1,I VREF/2,0,（1）启动后第1个CP到来,设VREF10V,VI=6.84V,逐次比较型A/D转换器,1.转换原理,0 1 0 0,1 1 0 0,I 3/4VREF,1,0,1,0,I 3/4VREF,（2）第2个CP到来,设VREF10V,VI=6.84V,逐次比较型A/D转换器,1.转换原理,0 0 1 0,1 0 1 0,I 5/8VREF,1,0,1,0,I 5/8VREF,1,0,（3）第3个CP到来,设VREF10V,VI=6.

25、84V,10000000,I=6.84V,VREF=10V,1,0,1,0,1,1,1,1,逐次比较型A/D转换器,转换结果为D7D0=10101111,转换时间=80 s,t,1,0,0,0,0,1,1 1 1 1 0,1,F为并行置数端，高电平有效,S为高位串行输入,D/A转换器输出电压O VREF/2,送入比较器C与I比较；若I O则比较器C 输出c为1，否则为0。比较结果（1或0）送至数据寄存器的 D4D1。,2.4位逐次比较型A/D转换器电路,分析图927 的4位转换器电路的工作原理,图927 4位转换器电路,0,1,D3,1,1 1 1 0 1,1,D1,D2,D3,0,0,2.4

26、位逐次比较型A/D转换器电路,1,D2,1,1 1 0 1 1,1,D1,D2,D3,0,D3,2.4位逐次比较型A/D转换器电路,1,D2,1,1 0 1 1 1,1,D1,D2,D3,D3,D1,2.4位逐次比较型A/D转换器电路,最后再来一个CP，移位寄存器的QE变0，使Q0变1，把前一次比较的VC存Q1，作为D0输出。转换完毕。,小结：,1、逐次比较型A/D转换器输出数字量的位数越多转换精度越高；,2、逐次比较型A/D转换器完成一次转换所需时间与其位数n和时钟脉冲频率有关，位数愈少，时钟频率越高，转换所需时间越短；,逐次比较型A/D转换器,3、逐次比较型A/D的特点：分辨率较高，转换误

27、差较低，转换速度较快，应用较为广泛。常用的集成逐次比较型A/D有ADC0808/0809系列（8位）、AD575(10位)、AD574A(12位)等。,9.2.4 双积分型A/D转换器,1.原理电路组成示意,图9.2.8 双积分A/D转换器,10.2.4 双积分式A/D转换器,0,(1)准备阶段,2.工作原理,CR信号将计数器清零；开关S2闭合，待积分电容放电完毕后，断开S2。,9.2.4 双积分式A/D转换器,10.2.4 双积分式A/D转换器,t=t0时，开关S1与A端接通，正的被测电压I 加到积分器的输入端。积分器开始对I积分，o为负值,C为1使计数器开始计数，直到进位脉冲使Qn=1为止

28、。此阶段称为采样阶段,9.2.4 双积分式A/D转换器,+VI,10.2.4 双积分式A/D转换器,(2)第二次积分,1,1,VREF加到积分器的输入端，积分器开始向相反方向进行第二次积分；当t=t2时，积分器输出电压O0，比较器输出C=0，时钟脉冲控制门G被关闭，计数停止。,工作原理,9.2.4 双积分式A/D转换器,0,T1=2nTC,T2=Tc,T2=t2 t1,在计数器中所计的数=Qn-1Q1Q0，(就是A/D转换器得到的结果。,第一次定时积分结束时输出电压,第二次积分阶段,9.2.4 双积分型A/D转换器,A/D转换过程归纳：,计数器清零，S2闭合，电容C放电。,S1合向A端，积分器

29、对输入模拟电压进行定时积分，积分器输出与输入电压成正比。积分时间固定为T1,S1合向基准电压，积分器对基准电压进行反向积分，积分时间与上次的积分输出成正比。积分时间为T2,图9.2.9 双积分型A/D转换器各处工作波形,9.2.4 双积分式A/D转换器,优点：,1.由于转换结果与时间常数RC无关，从而消除了积分非线性带来的误差。,2.由于双积分A/D转换器在T1时间内采的是输入电压的平均值，因此具有很强的抗工频干扰的能力。,T1=2nTC,3.不需要稳定的时钟源，只要时钟源在一个转换周期时间内保持稳定即可。,双积分型A/D转换器要求VIVREF,如果VREF=2nV,则,双积分型ADC的特点：

30、,性能稳定，转换精度高电路简单，抗干扰能力强工作速度低适用于要求精度高，速度要求不高的场合,常用的双积分型A/D转换器有ADC-EK8B,ADC-EK10B,MC14433等。,9.2.5 A/D转换器的主要技术指标,一、转换精度：单片集成A/D转换器的转换精度是用分辨率和转换误差来描述。分辨率：对输入信号的分辩能力。用输出的二进制或十进制数的位数表示，n位A/D能区分出输入信号的最小电压为Vimax/2n.转换误差:输出误差的最大值。表示实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别，用最低有效位LSB的倍数表示,二、转换速度：用转换时间来表示。转换时间是指A/D转换器从转换信号到来开始，到

31、输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。时间少-速度快。,【例】某信号采集系统要求用一片A/D转换集成芯片在1秒内对16个热电偶的输出电压分时进行A/D转换。已知热电偶输出电压范围为0-0025V（对应于0450温度范围），需要分辨的温度为01，试问应选择多少位的A/D转换器，其转换时间为多少？,解：对于从0 450温度范围，信号电压为0-0025V，分辨的温度为01，这相当于,12位A/D转换器的分辨率为1/2n=1/4096,所以必需选用13位A/D转换器。,每秒16次分时转换，即取样、转换共需时间为1/16秒=625毫秒。对于这样慢速的的转换时间，任何一个A/D转换器都可达到。,（或分辩级

32、数4500）,926 集成A/D转换器及其应用,IN0IN7:8路模拟信号输入端。,D7D0：8位数字信号输出端。有三态特性。,CLOCK:时钟信号输入端。,ADC0809是AD公司采用CMOS工艺生产的一种8位逐次比较型A/D转换器。其内部电路如图9.2.10所示。,片内有8通道模拟开关，可接入8个模拟量输入。由于有输出数据锁存器，输出的数字量可直接与连接在计算机CPU数据总线相接，而无需附加接口电路。引脚作用如下：,ADDA、ADDB、ADDC:地址码输入端，不同的地址码选择不同通道的模拟量输入。,ALE：地址码锁存输入端，当输入地址码稳定后，ALE的上升沿将地址信号锁存于地址锁存器内。,

33、VREF(+)、VREF():分别为参考电压的正负输入端，一般情况下，分别接VCC、GND。,START:启动信号输入端，该信号的上升沿到来时片内寄存器被复位，在其下降沿开始A/D转换。,OE:输出允许控制输入端。当OE=1时，三态输出缓冲器的输出数据送到数据总线。,EOC:转换结束信号输出端。当A/D转换结束时EOC变为高电平，并将转换结果送入三态输出缓冲器，EOC可以作为向CPU发出的中断请求信号。,（1）转换时序,图9.2.11 ADC0809控制信号的定时图,ADC0809 使用时注意以下几点：,要进行零点和满刻度调节。,要进行参考电压的调节。,(4)正确接地。,ADC0809的典型应

34、用,图9.2.13 单通道微机化数据采集系统示意图,第九章小结,转换精度和转换速度的概念以及表示方法,倒梯形电阻网络、权电流型D/A转换器工作原理输入与输出的定量关系,模数转换的一般过程及采样定理,1、逐次比较型A/D转换器输出数字量的位数越多转换精度越高；,2、逐次比较型A/D转换器完成一次转换所需时间与其位数n和时钟脉冲频率有关，位数愈少，时钟频率越高，转换所需时间越短；,并行比较型、逐次比较型、双积分型A/D转换器工作原理;输入与输出的定量关系;逐次比较型用得较多。,3、并行比较型转换速度最快，双积分型转换精度最高。,附：集成运放工作在 线性区的特点,虚断 i+=i-=0虚短 U+=U-

35、输出 UO=-IRR,附：运放积分器的工作原理,习题选解,解：（1）,所以,9.1.1 10位倒T形电阻网络D/A转换器如图9.1.1 所示。（1）试求输出电压的取值范围。（2）若要求电路输入数字量为200H时输出电压VO5V,试问VREF应取何值？,图9.1.1,(2)200H=512,所以 根据上式变换得,解：由教材（9.1.10）式,把已知值代入得Rf=16k,9.1.2 在图所示的4位权电流D/A转换器中，已知VREF=6V,R1=48k,当输入D3D2D1D0=1100时，VO=1.5V,试确定Rf的值。,变换得到,9.1.3 在图所示的倒T形电阻网络D/A转换器中，设Rf=R,外接

36、参考电压VREF=-10V,为保证VREF偏离标准值所引起的误差小于LSB/2，试计算VREF的相对稳定度应取多少？,图9.1.4 倒T形电阻网络D/A转换器,解：,由教材P440的9.1.12式(取绝对值）,对本题1LSB=1/16VREF,最大误差VO发生在数字为最大(D3D2D1D0=1111)15时,于是有,解（1）,(AD7533中RF=R),(2)由P438439的讨论可知，2的补码最高位反相后即得偏移二进制码。对本题，当,9.1.4 由AD7533组成双极性输出D/A转换器如图题9.1.4 所示。（1）根据电路写出输出电压VO的表达式。（2）试问实现输入为2的补码时的双极性输出电

37、路中VB、RB、VREF和片内的R应满足什么关系？,时，VO=0,即,由此得,此即为所求。,显然，VREF和VB 应为不同极性。这才能实现偏移二进制码的双极性输出。即原图D9应先接到一个反相器的输入端，反相器的输出端接到AD7533的最高位处，并要求,其中D9 D8 D0为2的补码，,D9反相后变为偏移二进制码。,也可以直接,电路的连接图,9.1.5 可编程放大器（数控可变增益放大器）电路如图题9.1.5 所示。（1）推导电路电压放大倍数AV=VO/VI的表达式。（2）当输入编码为（001H）和（3FFH）时，电压放大倍数AV分别为多少？（3）试问当输入编码为（000H）时，运放A1处于什么状

38、态？,A1,解：（1）,A1与AD7533和A2组成电压串联负反馈放大器；虚短，VI VO2,AD7533和A2组成10位D/A转换器，故,A3组成AV为1的反相比例放大器；故VO VREF 所以得,所以,（2）当输入为NB 001H1时，AV=210 当输入为NB 3FFH1023时，AV 1,(3)当输入为NB 000H时，,整个放大器处于开环工作状态，工作于非线性区，可能 自激。,解：,把74161接成9进制递增计数器，输出端接到AD7533的低4位输入端，其高6位输入端接地。而AD7533与运放接成单极性输出即可，VREF为正电压。电路图如下：,9.1.6 试用D/A转换器AD7533

39、和计数器74161组成如图题9.1.6 所示的阶梯波形发生器，要求画出完整的电路图。,图题,VREF应为正极性还是负极性？,9.2.1 在图所示并行比较器A/D转换器中VREF=7V,试问电路的最小量化单位等于多少？当VI=2.4V时，输出数字量D2D1D0=?,表9.2.1 3位并行A/D转换器输入与输出关系对照表,解：,根据表9.2.1可知,查表9.2.1可知,当VI=2.4V时,此时的量化误差为,9.2.2 在图9.2.5所示的逐次比较AD转换器中，若n=10，已知时钟频率为1 MHz，则完成一次转换所需时间是多少?如果要求完成一次转换的时间小于100 s，试问时钟频率应选多大?,9.2

40、.2 在图9.2.5所示的逐次比较AD转换器中，若n=10，已知时钟频率为1 MHz，则完成一次转换所需时间是多少?如果要求完成一次转换的时间小于100 s，试问时钟频率应选多大?,解：,9.2.3 在图9.2.7所示的逐次比较AD转换器中，设VREF=10V,VI=8.26V,试画出在时钟脉冲作用下 的波形并写出转换结果。,在中，,启动脉冲后在第一个CP作用下，D/A转换器,将之代入上式得,由于VI 5V，故D3=1保留，,在第二个CP作用下，,D/A转换器,于是,如此分析最后得到转换结果为,再比较,经过4个CP后得到转换结果为,波形如右：,9.2.4 计数型A/D转换器如图题9.2.4 所

41、示，试分析其工作原理。,图题9.2.4,解：图题9.2.4 为逐次逼近型A/D转换电路。工作过程：首先控制信号C=0,打开与门让CP和VC通过，,然后，CR=1清零使Q2Q1Q0=000,该数字量送入D/A转换器得到输出电压0V并与1/2LSB偏移电压相加得，然后与VI比较，根据大小关系决定VC 1或0，如1，则CP送入使计数器加1，变为001，又经D/A转换器转换、再与1/2LSB偏移电压相加。又与VI比较，如此循环下去。,一直到VI，VC 0将CP封锁为止。,控制信号C在7个CP后变为高电平，将转换结果（计数器状态）输出。,增加偏移电压使量化误差从1LSB减小到1/2LSB.,解：,（1）

42、,（2）,(3)由,得到,9.2.5 某双积分型A/D转换器中，计数器为十进制计数器，其最大计数容量为（3000）10。已知计数时钟脉冲频率fCP30kHz,积分器中R=100k,C=1F，输入电压VI的变化范围为05V,试求：,（1）第一次积分时间T1。（2）求积分器的最大输出电压,（3）当VREF=10V,第二次积分计数器计数值（2500）10时，输入电压的平均值为多少？,解：,图9.2.8的双积分A/D转换中，,如果,则,因此，保证在各种VI下完成一次转换所需要的最长时间为,因此最低转换频率为,9.2.6 在图9.2.8所示双积分型AD转换器中，设时钟脉冲频率为fcp，其分辨率为n位，写

43、出最低的取样频率表达式。,答：根据双积分A/D转换的工作原理，电路正常工作时，两次积分方向相反且第二次积分结束时输出电压必需过零。所以VI和VREF极性相反，且VI数值要小于VREF，,当VI数值大于VREF时，计数器会溢出，即复位后又回到第一次积分，因而无法确定T2即值，即无转换结果。,9.2.7 在双积分型A/D转换器中，输入电压VI和参考电压VREF在极性和数值上应满足什么关系？如果 那么电路能完成模数转换吗？为什么？,答：要注意：1.系统对精度的要求如何；,如用满度值为10V的8位A/D转换器去对最大值为0.5V的输入信号进行模数转换，这种使用方式不正确，它没有充分利用8位A/D转换器的精度（只用低4位），会引起较大的转换误差。,9.2.8 在用A/D转换器过程中应注意哪些主要问题，用满度值为10V的8位A/D转换器对输入信号幅值为0.5V的电压进行模数转换，这样使用正确吗？为什么？,2.输入信号的电压范围多少，是单极性还是双极性；,3.对转换器输出编码及逻辑电平有何要求；,4.根据输入信号情况要求转换时间是多少；,5.对参考电压要求如何；,6.对工作环境如电源电压稳定度要求如何；等等。,