西南交大数字电子技术第7章.ppt

西南交通大学微电子研究所InstituteofMicroelectronicsSWJTUeCCC第7章数字系统设计数字电子技术根底

7.1典型数字系统的构成随着影像技术、处理器技术、多媒体技术等技术的迅速开展，以这些技术为根底的数字系统得到了最为广泛的应用，其中影响力最大、结构最为典型的数字系统当属Intel、AMD、ARM等公司研发的处理器。我们以一款经典的冯·诺依曼结构处理器来了解数字系统的构成。图7.1.1冯·诺依曼结构处理器

7.1典型数字系统的构成输入设备完成对输入信号的采集和接收，常见的输入设备有键盘、触控装置、数据接收器装置等。输出设备完成对计算结果的采集和发送，常见的输出设备有显示器、数据发射器装置等。冯·诺依曼结构处理器的核心主要包括控制器、运算器和存储器三个局部。控制器主要完成对计算机指令的读取、解释等，同时完成各种计算任务的调用；主要构成为时序电路；运算器主要完成输入数据的算术运算等；主要构成为组合逻辑电路；存储器那么用于存储计算机需要处理的数据，以及用户输入的指令等；主要构成为ROM和RAM。

7.2数字系统重要组成部件：数据转换器数据转换器承担了数字信号世界与模拟信号世界沟通的桥梁作用，被广泛地应用于信号采集和处理系统中。一方面，数据转换器采集声、光、热、机械参数等模拟信号，将其转化为数字信号，使得原模拟信号所对应的数据能够被大量存储与数字系统中，并被数字系统的核心控制中枢处理器所快速处理。另一方面，数据转化器能够将处理器的运算结果实时转化为模拟信号，从而对声、光、热、机械等模拟装置进行控制。

7.2数字系统重要组成部件：数据转换器根据数据转换器的作用，数据转换器一般分为两种①模数转换器：用于将模拟信号转换为数字信号，通常称为A/D转换器或者ADC〔AnalogDigitalConverter〕；②数模转换器：用于将数字信号转换为模拟信号，通常称为D/A转换器或者DAC〔DigitalAnalogConverter〕。

7.2.1数模转换器DACDAC的功能是将数字量D转换为模拟量A，其功能可用公式(7-1)抽象和表示：1DAC根本原理公式(7-1)假设能找到D与A之间的映射关系K，那么即可完成信号之间的转换。对于数字量D，假设其位宽为n，那么其十进制数值可表示：

7.2.1数模转换器DAC1DAC根本原理二进制中每一位数值均可表示为开关值，那么该公式可用以下电路来进行计算：图7.2.1DAC原理示意图开关Si通过“通”和“断”来表示二进制数di，Si闭合，di=1；Si断开，di=0。

7.2.1数模转换器DAC1DAC根本原理根据线性运放“虚短”和“虚断”的特点，可知：

7.2.1数模转换器DAC1DAC根本原理将电路中的电流值代入中即可得到：比照两个公式即可知DAC的工作思想

7.2.1数模转换器DAC1DAC根本原理DAC内部结构通常如下图，由接口电路、模拟开关、基准电压源、转换网络、求和电路构成。其中，接口电路通常使用存放器组实现，用来对数字信号进行收集和存储。转换网络是DAC的核心结构，它的设计结构和精度直接影响到了整个DAC的性能。通常有电阻分压型、R-2R梯形型、权电流型等结构。

7.2.1数模转换器DAC2电阻分压器型DAC架构电阻分压器型DAC的转换网络较为简洁明了，其设计结构为在基准电压间串接多个阻值相等的电阻，利用二进制值的开关作用选取这一连串电阻中不同的分压点，从而将分压电的模拟电压输出，最终实现将数字信号转换为模拟信号的功能。图7.2.32位电阻分压器型DAC转换网络

7.2.1数模转换器DAC2电阻分压器型DAC架构图为2位电阻分压器型DAC转换网络的设计示意图。该DAC转换值最小步长为Vref/4。假设实现n位的转换网络，其分压电阻那么有2n个，并且需2n个模拟开关。

7.2.1数模转换器DAC2电阻分压器型DAC架构随着位数的增加，所需的元器件会呈指数递增，DAC面积也会急剧增大，这是该种转换网络架构的最大缺点。但是，该类型转换网络在设计中仅需一种电阻值，因此，有制造、工艺等因素引起的偏差较小。同时，由于设计结构的特点，该类型转换网络的转换速度比较快。

7.2.1数模转换器DAC3R-2R梯形型DAC架构电阻网络中只有R和2R两种电阻。输入数据D控制模拟开关的选择，假设Di=1，那么开关接通Vref；假设Di=0，那么开关接地。图7.2.4R-2R梯形型DAC架构梯形转换网络中，以Ni为视角中心，沿电流方向向右看，形成Ni两路并联的电阻均为2R。那么，运放虚地点左边的电阻值总和即为3R。

7.2.1数模转换器DAC3R-2R梯形型DAC架构假定输入数据D=4’b