數(shù)字電子技術(shù)第八章的(徐麗香,第二)

學(xué)習(xí)要求

模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換的工作原理；R-2R倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理；逐次比較型的A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器的工作原理；

模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換的主要參數(shù)；掌握常用數(shù)模轉(zhuǎn)換器的使用方法。

當(dāng)前1頁，總共45頁。8.1概述感官和器件接觸和接收的是模擬信號，在存儲(chǔ)在傳送中使用的是數(shù)字信號。把數(shù)字信號轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的模擬信號的電路稱為數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換器，簡稱為DAC。把模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的數(shù)字信號的電路稱為模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器，簡稱為ADC。當(dāng)前2頁，總共45頁。利用D/A轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)想一想：你身邊有哪些電子產(chǎn)品內(nèi)需要A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器？

檢測電路模擬電信號A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字電路或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)D/A轉(zhuǎn)換喇叭、顯像管等聲音、圖像等利用D/A轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)

模擬信號模擬信號數(shù)字信號數(shù)字信號當(dāng)前3頁，總共45頁。8.2數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器8.2.1D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理

對于有權(quán)碼，先將每位代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后相加，即可得到與數(shù)字量成正比的總模擬量，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換。當(dāng)前4頁，總共45頁。1．R-2R倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器

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）。當(dāng)Di=1時(shí)，Si接運(yùn)算放大器反相輸入端（虛地），電流Ii流入求和電路；當(dāng)Di=0時(shí)，Si將電阻2R接地。

8．2．2電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器模擬開關(guān)數(shù)碼當(dāng)前5頁，總共45頁。從任一端口左邊往右看，對地電阻都為R，每一端口都可以看作兩路分流，所以，越往右后電流越小。

節(jié)點(diǎn)對地等效電阻

當(dāng)前6頁，總共45頁?；鶞?zhǔn)電流:I=VREF/R，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。分析計(jì)算：流入運(yùn)算放大器反相端的總電流IΣ為:

運(yùn)算放大器的輸出電壓為:當(dāng)前7頁，總共45頁。上式括號內(nèi)為n位二進(jìn)制數(shù)的十進(jìn)制數(shù)值，可用NB表示。如果使式中Rf=R，則上式可以改寫為:將數(shù)碼推廣到n位的情況，可得出輸入數(shù)字量與輸出模擬量之間的一般表達(dá)式:

分析計(jì)算：當(dāng)前8頁，總共45頁。2．D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式

按輸出方式分有：數(shù)字－電流型和數(shù)字電壓型。數(shù)字電流型要加一個(gè)電壓放大器。按輸出極性分有：單極性（只有負(fù)電壓或只有正電壓）和雙極性（從負(fù)電壓變化正到正電壓）。當(dāng)前9頁，總共45頁。1.轉(zhuǎn)換精度

3．DAC的主要性能指標(biāo)

（2）轉(zhuǎn)換誤差——比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差、非線性誤差。此外，也可用D/A轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓(數(shù)字量：00000001)與最大輸出電壓(數(shù)字量：全1）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）。（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(shí)際應(yīng)用中，常用數(shù)字量的位數(shù)表示D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率。最小vO=-KNB=-K×1

最大vO=-KNB=-K×(2n-1)vO=-KNB當(dāng)前10頁，總共45頁。2.轉(zhuǎn)換速度——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?jǐn)?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）建立時(shí)間（tset）——當(dāng)輸入的數(shù)字量發(fā)生變化時(shí)，輸出電壓變化到相應(yīng)穩(wěn)定電壓值所需時(shí)間。最短可達(dá)0.1μS。3.溫度系數(shù)當(dāng)前11頁，總共45頁。4．集成電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用

DAC0832帶有兩個(gè)輸入數(shù)據(jù)緩沖寄存器，是一種單電源（+5~+15V）的CMOS型器件。其參考電壓VREF可在-9V~+9V范圍內(nèi)選擇，轉(zhuǎn)換速度約為1μs。

D/A轉(zhuǎn)換器在實(shí)際電路中應(yīng)用很廣，它不僅常作為接口電路用于微機(jī)系統(tǒng)，而且還可利用其電路結(jié)構(gòu)特征和輸入、輸出電量之間的關(guān)系構(gòu)成數(shù)控電流源、電壓源、數(shù)字式可編程增益控制電路和波形產(chǎn)生電路等。

當(dāng)前12頁，總共45頁。DAC0832的功能示意圖和外引線圖當(dāng)前13頁，總共45頁。下圖是一個(gè)單極性電壓輸出的電路原理圖，根據(jù)數(shù)字量轉(zhuǎn)換，得到的輸出電流Iout1通過運(yùn)算放大器的反饋電阻流向放大器的輸出端，其輸出電壓為。

數(shù)字輸入當(dāng)前14頁，總共45頁。下圖是一個(gè)雙極性電壓輸出電路原理圖，其輸出電壓數(shù)字輸入當(dāng)前15頁，總共45頁。DAC0832的應(yīng)用電路想一想：要求輸出電壓的最大值為10V，分辨率為10mV，則最少應(yīng)選用多少位的DAC？

當(dāng)前16頁，總共45頁。8.2.2一位D/A轉(zhuǎn)換器

一位D/A轉(zhuǎn)換器：把數(shù)字量的大小轉(zhuǎn)換成不同脈沖寬度或不同脈沖頻率的一種轉(zhuǎn)換器。

一位（bit）數(shù)模轉(zhuǎn)換器由于電路簡單、失真小、內(nèi)置數(shù)字濾波器，可以提高輸出模擬信號的信噪比等原因，在音頻DAC中應(yīng)用得非常多。

一位D/A轉(zhuǎn)換波形圖當(dāng)前17頁，總共45頁。

由于輸入的模擬信號在時(shí)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。如圖所示。

8．3模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器

8.3.1A/D轉(zhuǎn)換的基本原理1．A/D轉(zhuǎn)換原理

模擬信號數(shù)字信號采樣保持量化編碼當(dāng)前18頁，總共45頁。D/A轉(zhuǎn)換的信號處理過程

當(dāng)前19頁，總共45頁。（1）采樣和保持

采樣：把在時(shí)間上是連續(xù)的輸入模擬信號ui轉(zhuǎn)換成在時(shí)間上是斷續(xù)的信號，輸出脈沖波的包絡(luò)仍反映輸入信號幅度的大小。取樣定理，采樣信號的頻率fs和輸入模擬信號的最高頻率fimax之間必須滿足下述條件:fs≥2fimax因?yàn)槊看伟讶与妷恨D(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量都需要一定的時(shí)間，所以在每次取樣以后，必須把取樣電壓保持一段時(shí)間。當(dāng)前20頁，總共45頁。（2）量化和編碼

在用數(shù)字量表示取樣電壓時(shí)，也必須把它化成這個(gè)最小數(shù)量單位的整倍數(shù)，這個(gè)轉(zhuǎn)化過程就叫做量化。所規(guī)定的最小數(shù)量單位叫做量化單位，用S表示。編碼是把量化的數(shù)值用二進(jìn)制代碼表示。把編碼后的二進(jìn)制代碼輸出就得到A/D轉(zhuǎn)換的輸出信號，對同一正弦波，若S越小，誤差將越小，編碼時(shí)所需二進(jìn)制代碼的位數(shù)就越多，對器件要求也越高。

當(dāng)前21頁，總共45頁。2．A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)

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(jìn)制（或十進(jìn)制）數(shù)的位數(shù)表示。因?yàn)椋谧畲筝斎腚妷阂欢〞r(shí)，輸出位數(shù)愈多，量化單位愈小，分辨率愈高。（1）分辨率

例如，相對誤差≤±LSB/2，就表明實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上應(yīng)得到的輸出數(shù)字量之間的誤差小于最低位的半個(gè)字。轉(zhuǎn)換誤差——它表示A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)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。當(dāng)前22頁，總共45頁。（2）轉(zhuǎn)換速度——可用轉(zhuǎn)換時(shí)間表示,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(shí)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。（2）轉(zhuǎn)換速度當(dāng)前23頁，總共45頁。3．A/D轉(zhuǎn)換器的分類、特點(diǎn)及應(yīng)用

可分成并行比較型、逐次逼近型和積分型A/D轉(zhuǎn)換器的分類、特點(diǎn)及應(yīng)用分類特點(diǎn)應(yīng)用并行比較型速度最快，但設(shè)備成本較高，精度也不易做高數(shù)字通信技術(shù)和高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)逐次逼近型工作速度中等，精度也較高，成本較低中高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、在線自動(dòng)檢測系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)測控系統(tǒng)積分型精度可以做得很高，抗干擾性能很強(qiáng)，速度很慢數(shù)字儀表（數(shù)字萬用表、高精度電壓表）和低速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)當(dāng)前24頁，總共45頁。8．3．2逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器

1．逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器原理：G≈d3g3+d2g2+d1g1+d0g0di1有效0無效有效砝碼的總重量逐次逼近重物的重量：當(dāng)前25頁，總共45頁。原理框圖（1）清零（2）觸發(fā)轉(zhuǎn)換過程（3）等待轉(zhuǎn)換過程的結(jié)束（4）讀取數(shù)字信號結(jié)果

脈沖uiuAEOC啟動(dòng)脈沖數(shù)字量輸出待轉(zhuǎn)換電壓輸入順序脈沖發(fā)生器逐次逼近寄存器數(shù)/模轉(zhuǎn)換電壓比較器逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的原理框圖當(dāng)前26頁，總共45頁。電壓值和過程分析假設(shè)該A/D轉(zhuǎn)換器所用D/A轉(zhuǎn)換最大輸出電壓為1.0V，設(shè)輸入電壓為0.625V。3位數(shù)碼從左到右排列分別為高位、次高位、低位，若為1時(shí)所對應(yīng)的電壓值如表:二進(jìn)制代碼“1”所在位置高位次高位低位相對應(yīng)電壓值（V）0．50.250.125當(dāng)前27頁，總共45頁。逐次逼近過程發(fā)析如表:

即當(dāng)0.625V電壓輸入該D/A轉(zhuǎn)換器，相應(yīng)輸出的數(shù)字信號從最高位到最低位排列是101。

順序順序脈沖發(fā)生器數(shù)碼逐次逼近寄存器數(shù)碼uA（V）與輸入電壓比較結(jié)果比較后逐次逼近寄存器鎖存結(jié)果（啟動(dòng)脈沖）000000

時(shí)鐘脈沖11001000．50．625>0.5100時(shí)鐘脈沖21101100.750.625<0.75100時(shí)鐘脈沖31111010.6250.625=0.625101時(shí)鐘脈沖4輸出EOC

輸出鎖存結(jié)果101當(dāng)前28頁，總共45頁。2．集成A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用

（1）ADC0804引腳及使用說明

ADC0804引腳圖

ADC0804控制信號的時(shí)序圖

當(dāng)前29頁，總共45頁。(2).ADC0804的典型應(yīng)用

在現(xiàn)代過程控制及各種智能儀器和儀表中，為采集被控（被測）對象數(shù)據(jù)以達(dá)到由計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測、控制的目的，常用微處理器和A/D轉(zhuǎn)換器組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。單通道微機(jī)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的示意圖如圖:

當(dāng)前30頁，總共45頁。8.4V/F轉(zhuǎn)換和F/V轉(zhuǎn)換

8.4.1V/F轉(zhuǎn)換

下面，介紹用專用V/F、F/V轉(zhuǎn)換芯片LM331來實(shí)現(xiàn)V/F轉(zhuǎn)換。LM331的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電路典型接法如圖:當(dāng)前31頁，總共45頁。LM331構(gòu)成的V/F轉(zhuǎn)換器

當(dāng)前32頁，總共45頁。8.4.2F/V轉(zhuǎn)換

想一想：如果要你做一個(gè)數(shù)碼錄音放音器，你要參考如何選用器件？選定ADC器件后，請你計(jì)算一下采集1秒鐘音頻信號后得到的數(shù)據(jù)量大小。想一想MP3機(jī)是如何工作？LM331構(gòu)成的F/V轉(zhuǎn)換器

當(dāng)前33頁，總共45頁。本單元學(xué)習(xí)指導(dǎo)

把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的電路稱為數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換。它的主要指標(biāo)有：分辨率、轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換時(shí)間。數(shù)/模轉(zhuǎn)換器有電阻網(wǎng)絡(luò)和一位D/A轉(zhuǎn)換器。電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器是把輸入數(shù)據(jù)量轉(zhuǎn)換成與之相對應(yīng)十進(jìn)制大小成正比的電壓或電流輸出。一位D/A轉(zhuǎn)換器則把是輸入數(shù)據(jù)量的大小轉(zhuǎn)換成脈寬的寬窄，然后通過低通濾波器取出與脈寬成正比的平均直流成分，得到模擬信號。當(dāng)前34頁，總共45頁。本單元學(xué)習(xí)指導(dǎo)

把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的電路稱為模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換。它的主要指標(biāo)有：分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)間。模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換步驟是：采樣、保持、量化、編碼。在采樣時(shí)，采樣頻率fS和輸入信號最大頻率fimax之間的關(guān)系是：fS≥2fimax。模/數(shù)轉(zhuǎn)換器主要有并行比較型、逐次逼近型和雙積分型。電壓/頻率轉(zhuǎn)換和頻率/電壓轉(zhuǎn)換在某種意義上也是一種特殊的A/D和D/A轉(zhuǎn)換。本章以專用V/F、F/V芯片LM331為例，說明如何進(jìn)行進(jìn)行V/F和F/V轉(zhuǎn)換。

當(dāng)前35頁，總共45頁。實(shí)驗(yàn)八D/A、A/D轉(zhuǎn)換

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1．

進(jìn)一步理解D/A、A/D轉(zhuǎn)換的原理，轉(zhuǎn)換的方式及各自的特點(diǎn)。2．了解D/A、A/D集成芯片的結(jié)構(gòu)、功能測試及應(yīng)用。

當(dāng)前36頁，總共45頁。二、實(shí)驗(yàn)儀器及材料

1．儀器：

示波器2．?dāng)?shù)字電子實(shí)驗(yàn)箱3．材料：DAC08328bitD/A轉(zhuǎn)換

1片ADC08098bit逐次漸進(jìn)式A/D轉(zhuǎn)換器

1片LM324通用運(yùn)算放大器

1片74LS74雙D觸發(fā)器

1片74LS02四或非門

一片電阻：10kΩ(2個(gè))按鈕開關(guān)

當(dāng)前37頁，總共45頁。三．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1．D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)驗(yàn)

當(dāng)前38頁，總共45頁。LM324工作時(shí)，VCC接+12V，GND接-12V。按圖接好線，檢查電路準(zhǔn)確無誤后接通電源。按表在DAC0832的信號輸入端D0~D7利用電平輸出器輸入相應(yīng)的電路狀態(tài)，分別用電壓表測量各輸入情況下對應(yīng)下的模擬輸出電壓V0，并將測試結(jié)果輸入填入表中。然后將輸出電壓按序號填入測試波形圖中。

1．D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)驗(yàn)

當(dāng)前39頁，總共45頁。υO(shè)（V）012345678序號D/A轉(zhuǎn)換器測試波形圖當(dāng)前40頁，總共45頁。2．A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)驗(yàn)

A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)驗(yàn)圖當(dāng)前41頁，總共45頁。

ADC0809是有８路