數(shù)模轉(zhuǎn)換與模數(shù)轉(zhuǎn)換

1、1電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心二七年五月三十一日二七年五月三十一日2目 錄31.概念及其應(yīng)用 2.主要技術(shù)指標(biāo) （1）精度：用分辨率、轉(zhuǎn)換誤差表示 （2）速度：用轉(zhuǎn)換時(shí)間、轉(zhuǎn)換速率表示 模擬 控制 被測(cè)被控對(duì)象傳感 器A/D計(jì)算 機(jī)D/A圖1 典型的數(shù)字控制系統(tǒng)框圖 4 1.DAC的基本原理 數(shù)碼寄存器模擬 開關(guān)譯碼 網(wǎng)絡(luò)求和放大器DuA參考電源UREF圖2 DAC方框圖102niiiREFREFADKUKDUu5圖3 D和uA的關(guān)系圖11111110110111001011101010010001001000110100010101110110246-6-4-2DuA6（1）構(gòu)成 （2）工作原理 電

2、阻網(wǎng)絡(luò)、雙向電子模擬開關(guān)、求和放大器、數(shù)碼寄存器、參考電源 通常取 Rf=R，則： 2.倒T型R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)DAC REFniiifnREFOKDUDRRUu1022DUunREFO27圖4 倒T型R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換電路 123456ABCD654321DCBAT itleN um berR evisionSizeBD ate:19-A pr-2002Sheet of File:D :PR O T E L 99SE L ibrarySchProtel第 八 章D raw n B y:uRFRRR2R2R2R2R2R2RSSSSS012n -2n -1DDDDDn -1n -2n -3

3、10PABCMNRI22n-1n-1ORI4RI8RI2RIRI2nRURIR EF=RI2IUR EF8 滿量程電壓值： REFnnOmUu212 3.DAC的主要參數(shù) （1）分辨率 LSB：Least Significant Bit a. 用輸出的電壓（電流）值表示 輸入變化1LSB時(shí)，輸出端產(chǎn)生的電壓變化。MSB：Most Significant Bit 122nOmnREFuUR9b. 用百分比表示 121) 12(22nnnREFnREFOmUUUuRc. 用位數(shù)n表示 (2)轉(zhuǎn)換誤差 a. 絕對(duì)誤差：實(shí)際值與理想值之間的差值。b. 相對(duì)誤差：絕對(duì)誤差與滿量程的比值。10從輸入的數(shù)字

4、量發(fā)生突變開始，直到輸出電壓進(jìn)入與穩(wěn)態(tài)值相差LSB范圍以內(nèi)的這段時(shí)間。 (3)建立時(shí)間tset tsetLSBuOt11 1.模數(shù)轉(zhuǎn)換的一般過程 （1）采樣和保持 （2）量化與編碼 量化電平（離散電平） ：都是某個(gè)最小單位（量化單位）的整數(shù)倍的電平。 舍尾方法 四舍五入方法 12Otu1(t)(a)模擬輸入信號(hào)13Ot( b)采樣信號(hào))(tS14Ot(b)采樣輸出信號(hào))(tS15圖5 模擬信號(hào)的采樣保持OtuO(t)（c）采樣保持信號(hào)16REFnREFUU812采樣保持信號(hào)uO量化電平uqREFOREFUuU8887)87(7REFOREFUuU8281)21 (1REFOUu810)10(0

5、1max最大量化誤差17REFREFnUU1521221采樣保持信號(hào)uO量化電平uqREFOREFUuU15151513)5 . 75 . 6(7REFOREFUuU153151)5 . 15 . 0(1REFOUu1510)5 . 00(02max最大量化誤差18（1）組成 2.逐次逼近式ADC 電壓比較器、D/A轉(zhuǎn)換器、時(shí)序分配器、JKFF、寄存器 2.工作原理 先使JKFF的最高位為1，其余低位為0，比較，下一CP有效沿到，決定1的去留；再使JKFF的次高位為1，其余低位為0，比較，下一CP有效沿到，決定1的去留；19直到最低位比較完為止。此時(shí)JKFF中所存的數(shù)碼就是所求的輸出數(shù)字量。轉(zhuǎn)

6、換位數(shù)為N，則轉(zhuǎn)換時(shí)間為(N+1)Tcp。3.ADC的主要參數(shù) （1）分辨率：所能分辨的輸入模擬量的最小值。a. 用輸入的電壓（電流）值表示 nnREFUUR22Im20圖6 4位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)圖123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:19-Apr-2002Sheet of File:D:PROTEL99SELibrarySchProtel第 八 章Drawn By:1ACFD/A轉(zhuǎn)換器UREFUREFCP012 3 4時(shí)序分配器QDCQQAQBGDDDD0123ASR JKBSR JKCSR JKDSR JKDDDDuI2

7、1CPCP0CP1CP2CP4CP3圖7 時(shí)序分配器輸出波形22b. 用百分比表示 nREFnREFUUUuR212Imc. 用位數(shù)n表示 （2）轉(zhuǎn)換誤差 a.絕對(duì)誤差 ：與輸出數(shù)字量對(duì)應(yīng)的理論模擬值與產(chǎn)生該數(shù)字量的實(shí)際輸入模擬值之間的差值 23絕對(duì)誤差與額定最大輸入模擬值（FSR）的比值，通常用百分?jǐn)?shù)表示。 b.相對(duì)誤差 ：（3）轉(zhuǎn)換時(shí)間和轉(zhuǎn)換速率 24 美國National Semiconduct (NSC)公司DAC系列：八位、十位、十二位三種。采用CMOS/Si（硅）-Cr（鉻）工藝和倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)。1、八位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0830/0831/0832系列管腳圖及引腳功能： 25片選

8、寫入1模擬地?cái)?shù)字輸入?yún)⒖茧妷簲?shù)字地反饋電阻電源輸入鎖存允許寫入2轉(zhuǎn)移控制數(shù)字輸入電流輸出1電流輸出226內(nèi)部框圖8位輸入寄存器8位D/A轉(zhuǎn)換器272、應(yīng)用提示l 所有不用的數(shù)字輸入端應(yīng)連到VCC或地，如果懸浮，則將該引腳作為邏輯“1”處理。l 單極性輸出nDREFVV2560281、實(shí)驗(yàn)課題：設(shè)計(jì)一個(gè)可編程波形發(fā)生器、實(shí)驗(yàn)課題：設(shè)計(jì)一個(gè)可編程波形發(fā)生器 技術(shù)指標(biāo)：開關(guān)K2K1=01時(shí)，輸出正斜率鋸齒波。開關(guān)K2K1=10時(shí)，輸出負(fù)斜率鋸齒波。開關(guān)K2K1=11時(shí)，輸出由正負(fù)斜率鋸齒波合成的三角波。輸出鋸齒波時(shí)f=1kHz；輸出三角波時(shí)f=0.5kHz.輸出正負(fù)斜率鋸齒波上升或下降的臺(tái)階數(shù)大于或

9、等于16。輸出幅度V0在0V至2V間可調(diào)。電源電壓為5V。29輸出波形示意圖302、設(shè)計(jì)提示組成框圖：31所用器件： DAC0832 一片 LM324 一片74393 一片7486 一片7400 一片時(shí)鐘可由數(shù)字實(shí)驗(yàn)箱提供32單元電路設(shè)計(jì)單元電路設(shè)計(jì) D/A轉(zhuǎn)換：轉(zhuǎn)換：由DAC0832完成。因16個(gè)臺(tái)階，可用4位二進(jìn)制數(shù)。根據(jù)輸出電壓選定數(shù)字輸入端。輸出電壓計(jì)算公式：其中：VREF參考電壓，Dn是二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為等值的十進(jìn)制數(shù)。4位二進(jìn)制數(shù)接在不同的數(shù)字輸入端，轉(zhuǎn)換的Dn值不同，輸出電壓也就不同。例：輸入的二進(jìn)制數(shù)為“1111”，當(dāng)接在D0D3端時(shí)，Dn=23+22+21+20=15,若VREF

10、為5V時(shí)，V0-(5/256)*15=-0.29V; 接D3D6端時(shí)，Dn=26+25+24+23=120,V0=-2.34V(輸出電壓也不能太大，要考慮運(yùn)放的飽和失真)nDREFVV256033 輸出幅度受到運(yùn)放動(dòng)態(tài)范圍的限制。LM324運(yùn)放的輸出是一個(gè)對(duì)管，負(fù)載是有源負(fù)載，上飽和區(qū)為1.5V，下飽和區(qū)為1.5V，其動(dòng)態(tài)范圍為+3.5V-3.5V。34 輸出電路：輸出電路：由LM324完成?？紤]輸出電壓可從0V調(diào)到2V。 計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器：為數(shù)模轉(zhuǎn)換器提供4位二進(jìn)制數(shù)，M16。由74393完成。下降沿觸發(fā)。 波形控制電路：波形控制電路：在開關(guān)K2K1的控制下，實(shí)現(xiàn)三種不同波形的輸出。當(dāng)K2K101時(shí)，轉(zhuǎn)換器輸入的二進(jìn)制數(shù)為00001111為加法計(jì)數(shù);當(dāng)K2K110時(shí)，轉(zhuǎn)換器輸入的二進(jìn)制數(shù)為11110000為減法計(jì)數(shù)；當(dāng)K2K111時(shí)，轉(zhuǎn)換器先輸入00001111,再輸入11110000。由7486異或門實(shí)現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)加法計(jì)數(shù)（正斜率波形），計(jì)數(shù)器輸出與“0”異或；減法計(jì)數(shù)（負(fù)斜率波形），與“1”異或；為實(shí)現(xiàn)先加后減（三角波）則通過組合電路，使其先加后減。整個(gè)控制電路由7486、7400、74393中另一個(gè)計(jì)數(shù)器完成。35波形控制及轉(zhuǎn)換電路圖36由題意可知：三角波的頻率為正負(fù)斜率鋸齒波的1/2。顯然可由模32計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)。K1