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第九章數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路第1頁,課件共23頁,創(chuàng)作于2023年2月二.倒T形電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器(4位)所以,無論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為模擬開關(guān),由輸入數(shù)碼Di控制,當Di=1時,Si接運算放大器反相輸入端(虛地),電流Ii流入求和電路;當Di=0時,Si將電阻2R接地。第2頁,課件共23頁,創(chuàng)作于2023年2月可算出,基準電流I=VREF/R,輸出電壓:則流過各開關(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)字量擴展到n位,則有:可簡寫為:vO=-KNB
其中:K=第3頁,課件共23頁,創(chuàng)作于2023年2月三.權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器為進一步提高D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度,可采用權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器。第4頁,課件共23頁,創(chuàng)作于2023年2月采用具有電流負反饋的BJT恒流源電路的權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器:第5頁,課件共23頁,創(chuàng)作于2023年2月由倒T形電阻網(wǎng)絡分析可知,IE3=I/2,IE2=I/4,IE1=I/8,IE0=I/16,于是可得輸出電壓為
可推得n位倒T形權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓:基準電流:第6頁,課件共23頁,創(chuàng)作于2023年2月四.D/A轉(zhuǎn)換器應用舉例DAC0808是8位權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器,其中D0~D7是數(shù)字量輸入端。用這類器件構(gòu)成的D/A轉(zhuǎn)換器時,需要外接運算放大器和產(chǎn)生基準電流用的電阻R1。當VREF=10V、R1=5kΩ、Rf=5kΩ時,輸出電壓為:第7頁,課件共23頁,創(chuàng)作于2023年2月DAC0808D/A轉(zhuǎn)換器輸出與輸入的關(guān)系(設VREF=10V)第8頁,課件共23頁,創(chuàng)作于2023年2月1.轉(zhuǎn)換精度五.D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(2)轉(zhuǎn)換誤差——此外,也可用D/A轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比來表示分辨率,N位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率可表示為1/(2n-1)。2.轉(zhuǎn)換速度3.溫度系數(shù)——在輸入不變的情況下,輸出模擬電壓隨溫度變化產(chǎn)生的變化量。一般用滿刻度輸出條件下溫度每升高1℃,輸出電壓變化的百分數(shù)作為溫度系數(shù)。(2)轉(zhuǎn)換速率(SR)——在大信號工作狀態(tài)下模擬電壓的變化率。(1)分辨率——D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級數(shù)。輸入數(shù)字量位數(shù)越多,分辨率越高。所以,在實際應用中,常用字量的位數(shù)表示D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率。(1)建立時間(tset)——當輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時,輸出電壓變化到相應穩(wěn)定電壓值所需時間。最短可達0.1μS。第9頁,課件共23頁,創(chuàng)作于2023年2月9.2A/D轉(zhuǎn)換器一.A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟和取樣定理由于輸入的模擬信號在時間上是連續(xù)量,所以一般的A/D轉(zhuǎn)換過程為:取樣、保持、量化和編碼。第10頁,課件共23頁,創(chuàng)作于2023年2月
取樣定理:
因為每次把取樣電壓轉(zhuǎn)換為相應的數(shù)字量都需要一定的時間,所以在每次取樣以后,必須把取樣電壓保持一段時間。可見,進行A/D轉(zhuǎn)換時所用的輸入電壓,實際上是每次取樣結(jié)束時的vI值。式中fS為取樣頻率,fimax為輸入信號vI的最高頻率分量的頻率。第11頁,課件共23頁,創(chuàng)作于2023年2月二.取樣—保持電路電路組成及工作原理(取Ri=Rf):當控制信號vL為高電平時,T導通,vI經(jīng)電阻Ri和T向電容Ch充電。則充電結(jié)束后vO=-vI=vC。N溝道MOS管T作為開關(guān)用。當控制信號返回低電平后,T截止。Ch無放電回路,所以vO的數(shù)值可被保存下來。第12頁,課件共23頁,創(chuàng)作于2023年2月三.并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器(3位)第13頁,課件共23頁,創(chuàng)作于2023年2月并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器真值表第14頁,課件共23頁,創(chuàng)作于2023年2月1.轉(zhuǎn)換原理:四.逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器第15頁,課件共23頁,創(chuàng)作于2023年2月
2.邏輯電路第16頁,課件共23頁,創(chuàng)作于2023年2月五.雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器它由積分器、過零比較器(C)、時鐘脈沖控制門(G)和定時器、計數(shù)器(FF0~FFn)等幾部分組成。第17頁,課件共23頁,創(chuàng)作于2023年2月(2)第一次積分階段工作原理:(1)準備階段計數(shù)器清零,積分電容放電,
vO=0V。t=0時,開關(guān)S1與A端接通,輸入電壓vI加到積分器的輸入端。積分器從0開始積分:第18頁,課件共23頁,創(chuàng)作于2023年2月由于vO<0V,過零比較器輸出vC=1,控制門G打開。計數(shù)器從0開始計數(shù)。t=T1=2nTC
經(jīng)過2n個時鐘脈沖后,觸發(fā)器FF0~FFn-1都翻轉(zhuǎn)到0態(tài),而Qn=1,開關(guān)S1由A點轉(zhuǎn)到B點,第一次積分結(jié)束。第一次積分時間為:
(3)第二次積分階段第一次積分結(jié)束時,積分器的輸出電壓VP為:當t=t1時,S1轉(zhuǎn)接到B點,基準電壓-VREF加到積分器的輸入端;積分器開始向相反進行第二次積分。當t=t2時,積分器輸出電壓vO>0V,比較器輸出vC=0,控制門G被關(guān)閉,計數(shù)停止。第19頁,課件共23頁,創(chuàng)作于2023年2月在此階段結(jié)束時vO的表達式可寫為:設T2=t2-t1,于是有:設在此期間計數(shù)器所累計的時鐘脈沖個數(shù)為λ,則:可見,T2與VI成正比,T2就是雙積分A/D轉(zhuǎn)換過程的中間變量。上式表明,計數(shù)器中所計得的數(shù)λ(λ=Qn-1…Q1Q0),與在取樣時間T1內(nèi)輸入電壓的平均值VI成正比。只要VI<VREF,轉(zhuǎn)換器就能將輸入電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。T2=λTC
第20頁,課件共23頁,創(chuàng)作于2023年2月六.A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(1)分辨率——說明A/D轉(zhuǎn)換器對輸入信號的分辨能力。一般以輸出二進制(或十進制)數(shù)的位數(shù)表示。因為,在最大輸入電壓一定時,輸出位數(shù)愈多,量化單位愈小,分辨率愈高。1.轉(zhuǎn)換精度例如,相對誤差≤±LSB/2,就表明實際輸出的數(shù)字量和理論上應得到的輸出數(shù)字量之間的誤差小于最低位的半個字。(2)轉(zhuǎn)換誤差——它表示A/D轉(zhuǎn)換器實際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別。常用最低有效位的倍數(shù)表示。2.轉(zhuǎn)換時間——指從轉(zhuǎn)換控制信號到來開始,到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號所經(jīng)過的時間。并行比較A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度最高;逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器次之;間接A/D轉(zhuǎn)換器的速度最慢。第21頁,課件共23頁,創(chuàng)作于2023年2月本章小結(jié)1.A/D和D/A轉(zhuǎn)換器是現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)的重要部件,應用日益廣泛。5.A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)是轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度,在與系統(tǒng)連接后,轉(zhuǎn)換器的這兩項指標決定了系統(tǒng)的精度與速度。目前,A/D與D/A轉(zhuǎn)換器的發(fā)展趨勢是高速度、高分辨率及易于與微型計算機接口,用以滿足各個應用領(lǐng)域?qū)π盘柼幚淼囊蟆?.倒T型電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器中電阻網(wǎng)絡阻值僅有R和2R兩種,各2R支路電流Ii與Di數(shù)碼狀態(tài)無關(guān),是一定值。由于支路電流流向運放反相端時不存在傳輸時間,因而具有較高的轉(zhuǎn)換速度。3.在權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器中,由于恒流源
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