第九章 数-模和模-数转换.pdf
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1、1 University of Science and Technology of China 第九章第九章第九章第九章 数模与模数转换器数模与模数转换器数模与模数转换器数模与模数转换器 第五版第五版506506506506页页 2 University of Science and Technology of China 9. 19. 19. 19. 1 概述概述概述概述 模数转换器(模数转换器(ADCADCADCADC)是是将模拟信号转换将模拟信号转换 成数字信号成数字信号的电路,而数模转换器(的电路,而数模转换器(DACDACDACDAC) 是是将数字信号转换成模拟信号将数字信号转换成模
2、拟信号的电路。由于的电路。由于D/AD/AD/AD/A 转换器的工作原理比转换器的工作原理比A/DA/DA/DA/D转换器的工作原理简单转换器的工作原理简单, , 而且在有些而且在有些A/DA/DA/DA/D转换器中需要用转换器中需要用D/AD/AD/AD/A转换器作为转换器作为 内部的反馈电路内部的反馈电路, ,故本章首先介绍故本章首先介绍D/AD/AD/AD/A转换器。转换器。 3 University of Science and Technology of China 9. 19. 19. 19. 1 概述概述概述概述 1 1 1 1数模转换的基本原理和典型电路数模转换的基本原理和典型
3、电路 主要介绍:主要介绍: 权电阻网络数模转换器;权电阻网络数模转换器; 倒梯形电阻网络数模转换器;倒梯形电阻网络数模转换器; 权电流型数模转换器;权电流型数模转换器; 开关树型数模转换器;开关树型数模转换器; 权电容网络数模转换器。权电容网络数模转换器。 ( ( ( (最后两种转换器因最后两种转换器因学时所限不介绍学时所限不介绍) ) ) ) 4 University of Science and Technology of China 9. 19. 19. 19. 1 概述概述概述概述 2 2 2 2模数转换的基本原理与典型电路模数转换的基本原理与典型电路 主要介绍:主要介绍: (1) (
4、1) (1) (1) 模数转换的一般原理和步骤:模数转换的一般原理和步骤: 取样定理与量化和编码;取样定理与量化和编码; 采样保持电路;采样保持电路; (2) (2) (2) (2) 直接直接A/DA/DA/DA/D转换器:转换器: 并联比较型并联比较型A/DA/DA/DA/D转换器;转换器; 反馈比较型反馈比较型A/DA/DA/DA/D转换器;转换器; 5 University of Science and Technology of China 9. 19. 19. 19. 1 概述概述概述概述 (3) (3) 间接间接A/DA/DA/DA/D转换器:转换器: 双积分型双积分型A/DA/D
5、A/DA/D转换器;转换器; V-FV-FV-FV-F变换型变换型A/DA/DA/DA/D转换器。转换器。 由于学时所限,间接由于学时所限,间接A/DA/DA/DA/D转换器、转换器、 D/AD/AD/AD/A转换转换 器和器和A/DA/DA/DA/D转换器的转换精度以及转换速度等问题转换器的转换精度以及转换速度等问题 就不介绍了。就不介绍了。 6 University of Science and Technology of China 9. 2 D/A9. 2 D/A9. 2 D/A9. 2 D/A转换器转换器转换器转换器 9.2.19.2.19.2.19.2.1 权电阻网络权电阻网络D/
6、AD/AD/AD/A转换器转换器 我们已经知道,一个多位二进制数中每一位我们已经知道,一个多位二进制数中每一位 的的1 1所代表的数值大小称为这一位的权,所以对所代表的数值大小称为这一位的权,所以对 于二进制数于二进制数 ,其从最高位,其从最高位 (MSB)(MSB)到最低位到最低位(LSB)(LSB)的权依次为:的权依次为: 7 University of Science and Technology of China 9. 2 D/A9. 2 D/A9. 2 D/A9. 2 D/A转换器转换器转换器转换器 图图11.2.111.2.111.2.111.2.1是是4 4 4 4位权电阻网络位
7、权电阻网络D/AD/AD/AD/A转换器的原转换器的原 理图,图中理图,图中S S S S3 3 3 3、S S S S2 2 2 2、S S S S1 1 1 1和和S S S S0 0 0 0是是4 4 4 4个电子开关,它个电子开关,它 们的状态分别受输入代码们的状态分别受输入代码d d d d3 3 3 3、d d d d2 2 2 2、d d d d1 1 1 1和和d d d d0 0 0 0的取的取 值控制,值控制,当代码当代码 d d d di i i i=1=1=1=1时,开关接到参考电压时,开关接到参考电压 V V V VREFREFREFREF上,相应地有支路电流流向求和
8、放大器上,相应地有支路电流流向求和放大器 ( ( ( (运放运放) ) ) ),d d d di i i i=0=0=0=0时支路电流为零。时支路电流为零。 8 University of Science and Technology of China 9.2.19.2.19.2.19.2.1 权电阻网络权电阻网络权电阻网络权电阻网络D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器 图图图图图图图图11.2.1 11.2.1 11.2.1 11.2.1 11.2.1 11.2.1 11.2.1 11.2.1 权电阻网络权电阻网络权电阻网络权电阻网络权电阻网络权电阻网络权电阻网络权电阻网络D/A
9、D/AD/AD/AD/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器转换器转换器转换器转换器 9 University of Science and Technology of China 9.2.19.2.19.2.19.2.1 权电阻网络权电阻网络权电阻网络权电阻网络D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器 求和放大器是一个负反馈放大器,其中运求和放大器是一个负反馈放大器,其中运 放放A A A A视为理想运放,其工作原理为:视为理想运放,其工作原理为: V+ V- V+ V- V+ V- V+ V- 时,运放输出电压时,运放输出电压 V V V VO O O O为正;为正;V- V
10、- V- V- V+V+V+V+ 时,运时,运 放输出电压放输出电压V V V VO O O O为负。为负。在认为运放输入电流为在认为运放输入电流为 零的条件下,可以得到:零的条件下,可以得到: 10 University of Science and Technology of China 9.2.19.2.19.2.19.2.1 权电阻网络权电阻网络权电阻网络权电阻网络D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器 V V V VO O O O = = = = = = = =R R R RF F F F(I (I (I (I3 3 3 3+I+I+I+I2 2 2 2+I+I+I+I1
11、1 1 1+I+I+I+I0 0 0 0) (11.2.1) (11.2.1) (11.2.1) (11.2.1) 由于由于V- =0V- =0V- =0V- =0,故各支路电流为:故各支路电流为: I I I I3 3 3 3=V=V=V=VREFREFREFREFd d d d3 3 3 3/R I/R I/R I/R I1 1 1 1=V=V=V=VREFREFREFREFd d d d1 1 1 1/2 /2 /2 /22 2 2 2R R R R I I I I2 2 2 2=V=V=V=VREFREFREFREFd d d d2 2 2 2/2R I/2R I/2R I/2R I0
12、 0 0 0=V=V=V=VREFREFREFREFd d d d0 0 0 0/2 /2 /2 /23 3 3 3R R R R 将它们代入式将它们代入式(11.2.1)(11.2.1)(11.2.1)(11.2.1)并取并取R R R RF F F FR/2R/2R/2R/2,则得到则得到 V V V VO O O O= (11.2.2)= (11.2.2)= (11.2.2)= (11.2.2) 11 University of Science and Technology of China 9.2.19.2.19.2.19.2.1 权电阻网络权电阻网络权电阻网络权电阻网络D/AD/AD
13、/AD/A转换器转换器转换器转换器 对于对于n n n n位的权电阻网络位的权电阻网络D/AD/AD/AD/A转换器,当反馈转换器,当反馈 电阻取为电阻取为R/2R/2R/2R/2时,输出电压的计算公式可写成:时,输出电压的计算公式可写成: V V V VO O O O= (11.2.3)= (11.2.3)= (11.2.3)= (11.2.3) 上式表明,上式表明,输出的模拟电压输出的模拟电压V V V VO O O O正比于输入正比于输入 的数字量的数字量D D D Dn n n n,从而实现了从数字量到模拟量的从而实现了从数字量到模拟量的 转换。转换。 12 University of
14、 Science and Technology of China 9.2.19.2.19.2.19.2.1 权电阻网络权电阻网络权电阻网络权电阻网络D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器 图图11.2.111.2.111.2.111.2.1所示电路的优点是,所用电阻元件所示电路的优点是,所用电阻元件 很少,电路结构简单。它的很少,电路结构简单。它的缺点是缺点是, ,各个电阻的各个电阻的 阻值相差较大。阻值相差较大。如输入的数字量增加到如输入的数字量增加到8 8 8 8位时,位时, 权电阻网络中最小的电阻和最大的电阻阻值将相权电阻网络中最小的电阻和最大的电阻阻值将相 差差1281281
15、28128倍(如倍(如R=10K, 2R=10K, 2R=10K, 2R=10K, 27 7 7 7R=1.28MR=1.28MR=1.28MR=1.28M)。要在很宽的)。要在很宽的 阻值范围内保证每个电阻都有很高的精度是十分阻值范围内保证每个电阻都有很高的精度是十分 困难的,特别对制作集成电路更加不利。困难的,特别对制作集成电路更加不利。 13 University of Science and Technology of China 9.2.19.2.19.2.19.2.1 权电阻网络权电阻网络权电阻网络权电阻网络D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器 为克服这个缺点,在输入数
16、字量的位数较为克服这个缺点,在输入数字量的位数较 多时多时, ,可以采用图可以采用图11.2.211.2.211.2.211.2.2所示的所示的双级权电阻网络双级权电阻网络。 即即每一级仍然用每一级仍然用4 4 4 4个电阻个电阻,它们之间的阻值之比,它们之间的阻值之比 还是还是1 1 1 1:2 2 2 2:4 4 4 4:8 8 8 8。可以证明,只要。可以证明,只要两级间的串两级间的串 联电阻联电阻RsRsRsRs=8R=8R=8R=8R,则可得到与式则可得到与式(11.2.3)(11.2.3)(11.2.3)(11.2.3)完全相同完全相同 的输出表达式。即:的输出表达式。即: Vo=
17、Vo=Vo=Vo= 14 University of Science and Technology of China 9.2.19.2.19.2.19.2.1 权电阻网络权电阻网络权电阻网络权电阻网络D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器 图图图图图图图图11.2.2 11.2.2 11.2.2 11.2.2 11.2.2 11.2.2 11.2.2 11.2.2 双级权电阻网络双级权电阻网络双级权电阻网络双级权电阻网络双级权电阻网络双级权电阻网络双级权电阻网络双级权电阻网络D/AD/AD/AD/AD/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器转换器转换器转换器转换器 15 Uni
18、versity of Science and Technology of China 9.2.19.2.19.2.19.2.1 权电阻网络权电阻网络权电阻网络权电阻网络D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器 9.2.2 9.2.2 倒倒T T T T形电阻网络形电阻网络D/AD/AD/AD/A转换器转换器 图图11.2.311.2.311.2.311.2.3所示倒所示倒T T T T形电阻网络形电阻网络D/AD/AD/AD/A转换器只转换器只 用了用了R R R R和和2R2R2R2R两种阻值的电阻两种阻值的电阻, ,有效地克服了权有效地克服了权 电阻网络电阻网络D/AD/AD/AD
19、/A转换器中电阻阻值相差太大的缺转换器中电阻阻值相差太大的缺 点。由图可见,点。由图可见,因为求和放大器反相输入端因为求和放大器反相输入端V-V-V-V- 的电位始终接近于零,所以无论开关的电位始终接近于零,所以无论开关S S S S3 3 3 3、S S S S2 2 2 2、 S S S S1 1 1 1、S S S S0 0 0 0合到哪一边,都相当于接到了合到哪一边,都相当于接到了“ “ “ “地地” ” ” ”电位电位 上,流过每条支路的电流也始终不变上,流过每条支路的电流也始终不变。 16 University of Science and Technology of China
20、9.2.29.2.29.2.29.2.2 倒倒倒倒T T T T形电阻网络形电阻网络形电阻网络形电阻网络D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器 图图图图图图图图11.2.3 11.2.3 11.2.3 11.2.3 11.2.3 11.2.3 11.2.3 11.2.3 倒倒倒倒倒倒倒倒T T T T T T T T型型型型型型型型电阻网络电阻网络电阻网络电阻网络电阻网络电阻网络电阻网络电阻网络D/AD/AD/AD/AD/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器转换器转换器转换器转换器 17 University of Science and Technology of Chin
21、a 9.2.29.2.29.2.29.2.2 倒倒倒倒T T T T形电阻网络形电阻网络形电阻网络形电阻网络D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器 这样,在计算倒这样,在计算倒T T T T形电阻网络中各支路的电形电阻网络中各支路的电 流时,可以将电阻网络等效地画成图流时,可以将电阻网络等效地画成图11.2.411.2.411.2.411.2.4的形的形 式。于是式。于是从从AAAA、BBBB、CCCC、DDDD每个端口向左看过去每个端口向左看过去 的等效电阻都是的等效电阻都是R R R R,因此从参考电压源因此从参考电压源V V V VREF REFREFREF流入 流入 倒倒T
22、T形电阻网络的总电流为形电阻网络的总电流为I=VI=VI=VI=VREF REFREFREF/R /R/R/R,而每个支,而每个支 路的电流依次为路的电流依次为I/2I/2I/2I/2、I/4I/4I/4I/4、I/8I/8I/8I/8、I/16I/16I/16I/16。 18 University of Science and Technology of China 9.2.29.2.29.2.29.2.2 倒倒倒倒T T T T形电阻网络形电阻网络形电阻网络形电阻网络D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器 图图图图图图图图11.2.4 11.2.4 11.2.4 11.2.4 1
23、1.2.4 11.2.4 11.2.4 11.2.4 计算倒计算倒计算倒计算倒计算倒计算倒计算倒计算倒T T T T T T T T型型型型型型型型电阻网络支路电流的等效电路电阻网络支路电流的等效电路电阻网络支路电流的等效电路电阻网络支路电流的等效电路电阻网络支路电流的等效电路电阻网络支路电流的等效电路电阻网络支路电流的等效电路电阻网络支路电流的等效电路 19 University of Science and Technology of China 9.2.29.2.29.2.29.2.2 倒倒倒倒T T T T形电阻网络形电阻网络形电阻网络形电阻网络D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换
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