數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)2

數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)演示文稿目前一頁\總數(shù)四十七頁\編于七點數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)目前二頁\總數(shù)四十七頁\編于七點

概述在實際工程中大量遇到的是連續(xù)變化的物理量。所謂連續(xù)，包括兩方面的含義：一方面從時間上來說，它是隨時間連續(xù)變化的；另一方面從數(shù)值上來說，它的數(shù)值也是連續(xù)變化的。這種連續(xù)變化的物理量通常稱為模擬量。在數(shù)字系統(tǒng)內(nèi)部，只能對數(shù)字信號進(jìn)行處理。必須先轉(zhuǎn)化成離散的數(shù)字信號，再輸入數(shù)字系統(tǒng)識別和處理；又必須把數(shù)字系統(tǒng)發(fā)出的控制命令等轉(zhuǎn)化為模擬信號，去驅(qū)動模擬調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這兩個過程，都需要數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口來完成。第十章數(shù)模轉(zhuǎn)換器與模數(shù)轉(zhuǎn)換器目前三頁\總數(shù)四十七頁\編于七點

概述數(shù)模轉(zhuǎn)換即將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬電量(電壓或電流)，使輸出的模擬電量與輸入的數(shù)字量成正比。實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路稱數(shù)模轉(zhuǎn)換器

Digital-AnalogConverter，簡稱

D/A轉(zhuǎn)換器或DAC。

模數(shù)轉(zhuǎn)換即將模擬電量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，使輸出的數(shù)字量與輸入的模擬電量成正比。

實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路稱模數(shù)轉(zhuǎn)換器

Analog-DigitalConverter，簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC。

第十章數(shù)模轉(zhuǎn)換器與模數(shù)轉(zhuǎn)換器目前四頁\總數(shù)四十七頁\編于七點A/D

轉(zhuǎn)換器

D/A

轉(zhuǎn)換器

模擬

控制器

工業(yè)生產(chǎn)過程控制對象

模

擬

傳感器

ADC和DAC已成為計算機(jī)系統(tǒng)中不可缺少的接口電路。將溫度、壓力、流量、應(yīng)力等物理量轉(zhuǎn)換為模擬電量。計算機(jī)進(jìn)行數(shù)字處理（如計算、濾波）、保存等用模擬量作為控制信號數(shù)字控制

計算機(jī)

概述A/D和D/A轉(zhuǎn)換器是把微型計算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展到檢測和過程控制的必要裝置，是把計算機(jī)和生產(chǎn)過程、科學(xué)實驗過程聯(lián)系起來的重要橋梁。第十章數(shù)模轉(zhuǎn)換器與模數(shù)轉(zhuǎn)換器目前五頁\總數(shù)四十七頁\編于七點壓力,溫度,流量,液位等通過傳感器轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電壓或電流的模擬信號由DAC轉(zhuǎn)換成模擬量信號的電壓和或電流數(shù)字計算機(jī)工業(yè)控制系統(tǒng)示意圖由計算機(jī)依次選通，進(jìn)入ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號經(jīng)過計算機(jī)數(shù)據(jù)處理，輸出為數(shù)字量計算機(jī)選擇某一執(zhí)行機(jī)構(gòu)，去調(diào)節(jié)控制對象。目前六頁\總數(shù)四十七頁\編于七點10.1數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)

D/A轉(zhuǎn)換器實質(zhì)上是一個譯碼器（解碼器）。一般常用的線性D/A轉(zhuǎn)換器，其輸出模擬電壓uO和輸入數(shù)字量Dn之間成正比關(guān)系。UREF為參考電壓。

D/A轉(zhuǎn)換器是將輸入的二進(jìn)制數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，以電壓或電流的形式輸出。uO＝DnUREF第十章數(shù)模轉(zhuǎn)換器與模數(shù)轉(zhuǎn)換器目前七頁\總數(shù)四十七頁\編于七點數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合而成的，對于有權(quán)碼，每位代碼都有一定的權(quán)值，如能將每一位代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后，將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字量成正比的模擬量，從而實現(xiàn)數(shù)字量--模擬量的轉(zhuǎn)換。①實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的基本思想

ND＝b4×24＋b3×23＋b2×22＋b1×21＋b0×20

＝1×24＋1×23＋0×22＋0×21＋1×20將二進(jìn)制數(shù)ND＝(11001)B轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。D/A轉(zhuǎn)換的基本原理第十章數(shù)模轉(zhuǎn)換器與模數(shù)轉(zhuǎn)換器目前八頁\總數(shù)四十七頁\編于七點即：D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓uO，等于代碼為1的各位所對應(yīng)的各分模擬電壓之和。①實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的基本思想D/A轉(zhuǎn)換的基本原理目前九頁\總數(shù)四十七頁\編于七點DAC的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可以并行輸入也可串行輸入

用存放在數(shù)字寄存器中的數(shù)字量的各位數(shù)碼

由輸入數(shù)字量控制

產(chǎn)生權(quán)電流

將權(quán)電流相加產(chǎn)生與輸入成正比的模擬電壓②

D/A轉(zhuǎn)換器的組成D/A轉(zhuǎn)換的基本原理目前十頁\總數(shù)四十七頁\編于七點③

D/A轉(zhuǎn)換器的分類:按解碼網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分類T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC權(quán)電流DAC

權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC按模擬電子開關(guān)電路分類CMOS開關(guān)型DAC雙極型開關(guān)型DAC電流開關(guān)型DACECL電流開關(guān)型DACD/A轉(zhuǎn)

換

器D/A轉(zhuǎn)換的基本原理目前十一頁\總數(shù)四十七頁\編于七點(1)T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC

R-2RT型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC是由模擬開關(guān)、R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)、運算放大器、基準(zhǔn)電壓幾部分組成。10.1數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)T型電阻網(wǎng)絡(luò)模擬開關(guān)運算放大器（求和運算）基準(zhǔn)電壓目前十二頁\總數(shù)四十七頁\編于七點

10.1數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)由R和2R兩種規(guī)格電阻組成電阻網(wǎng)絡(luò)，常稱為R-2RT型D/A轉(zhuǎn)換器，S0、S1

、S2

、S3四個模擬開關(guān)，表示數(shù)字信號d0、d1

、d2

、d3的取值情況。2R4位T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC電路目前十三頁\總數(shù)四十七頁\編于七點

10.1數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)總電流I2R34位T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC電路目前十四頁\總數(shù)四十七頁\編于七點

10.1數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)4位T型DAC電路輸出電壓為：2R目前十五頁\總數(shù)四十七頁\編于七點

10.1數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)4位T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC電路輸出電壓為：2R目前十六頁\總數(shù)四十七頁\編于七點例：設(shè)8位T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC如圖所示，已知UREF＝－10V，輸入量數(shù)字D＝11010110。試求：(1)RF＝3R時，輸出模擬電壓U0＝？(2)RF，＝2R時，輸出模擬電壓U0，＝？

10.1數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)目前十七頁\總數(shù)四十七頁\編于七點例：設(shè)8位T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC如圖所示，已知UREF＝－10V，輸入量數(shù)字D＝11010110。試求：(1)RF＝3R時，輸出模擬電壓U0＝？(2)RF，＝2R時，輸出模擬電壓U0，＝？

10.1數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)解：在電路中n＝8，D＝11010110

（1）當(dāng)RF＝3R時，由可得：目前十八頁\總數(shù)四十七頁\編于七點例：設(shè)8位T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC如圖所示，已知UREF＝－10V，輸入量數(shù)字D＝11010110。試求：(1)RF＝3R時，輸出模擬電壓U0＝？(2)RF，＝2R時，輸出模擬電壓U0，＝？

10.1數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)解：在電路中n＝8，D＝11010110（2）當(dāng)RF＝2R時，

目前十九頁\總數(shù)四十七頁\編于七點模擬開關(guān)S3-S0表示四位二進(jìn)制數(shù)四位的二進(jìn)制數(shù)當(dāng)Di=1表示Si接1,電阻上通過電流流向I01當(dāng)Di=0即表示開頭接0,流過相應(yīng)電阻的電流流向I02到地端各節(jié)點向右看的二端網(wǎng)絡(luò)的等阻值為R

等效電路為4位倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC電路

10.1數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)目前二十頁\總數(shù)四十七頁\編于七點由基準(zhǔn)電源VREF供出電流為:IR=VREF/R因此由節(jié)點D分出去的兩路支路電流必相等,則有等效電路為4位倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC電路目前二十一頁\總數(shù)四十七頁\編于七點同理可以得出：當(dāng)DI=1時，表示相應(yīng)的Ii流向IO1,

4位倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC電路

10.1數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)目前二十二頁\總數(shù)四十七頁\編于七點運算放大器和T形網(wǎng)絡(luò)中各支路電阻、反饋電阻組成反相求和運算電路。可得輸出電壓為：若取Rf=R,則D/A轉(zhuǎn)換后的輸出電壓表示為:同理,當(dāng)Di為n位的二進(jìn)制數(shù),則相應(yīng)R-2R倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)也有n個節(jié)點,則D/A轉(zhuǎn)換后的輸出電壓為:4位倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC電路

10.1數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)目前二十三頁\總數(shù)四十七頁\編于七點DAC的主要參數(shù)

10.1數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)分辨率

這是D／A轉(zhuǎn)換器中最重要的指標(biāo)，它表示D/A轉(zhuǎn)換器對模擬量的分辨能力。理論定義為最小輸出電壓(對應(yīng)的輸入數(shù)字量僅最低位為“1”)與最大輸出電壓(對應(yīng)的數(shù)字輸入量為全“1”)之比。對于前述4位D/A轉(zhuǎn)換器，其分辨率為1/15。分辨率越高，轉(zhuǎn)換時對應(yīng)最小數(shù)字輸入的模擬信號電壓數(shù)值越小，也就越靈敏。通常，使用數(shù)字輸入量的位數(shù)來給出分辨率。例如，單片集成D/A轉(zhuǎn)換器AD7522的分辨率為10位，單片集成D/A轉(zhuǎn)換器ADll47的分辨率為16位等。目前二十四頁\總數(shù)四十七頁\編于七點DAC的主要參數(shù)

10.1數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)線性度

通常用非線性誤差的大小表示D/A轉(zhuǎn)換器的線性度。而非線性誤差為理想的輸入/輸出特性曲線與實際轉(zhuǎn)換曲線的偏差，一般取偏差的最大值表示。轉(zhuǎn)換精度

轉(zhuǎn)換精度以最大的靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差（綜合誤差）的形式給出。這個轉(zhuǎn)換誤差應(yīng)該是包含非線性誤差、比例系數(shù)誤差以及漂移誤差等綜合誤差。但是有的產(chǎn)品說明書中,只是分別給出各項誤差,而未給出綜合誤差。應(yīng)該注意,轉(zhuǎn)換精度和分辨率是2個不同的概念。精度是指轉(zhuǎn)換后所得的實際值對于理想值的接近程度，而分辨率是指能夠?qū)D(zhuǎn)換結(jié)果發(fā)生影響的最小輸入量,對于分辨率很高的D／A轉(zhuǎn)換器并不一定具有很高的精度。目前二十五頁\總數(shù)四十七頁\編于七點DAC的主要參數(shù)

10.1數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)建立時間

所謂建立時間，系指數(shù)模轉(zhuǎn)換器中的輸入代碼有滿度值的變化時,其輸出模擬信號電壓(或模擬信號電流)達(dá)到滿刻度值±1/2LSB精度時所需要的時間。對于一個理想的D/A轉(zhuǎn)換器,其數(shù)字輸入信號從一個二進(jìn)制數(shù)變到另一個二進(jìn)制數(shù)時,其輸出模擬信號電壓,應(yīng)立即從原來的輸出電壓跳變到與新的數(shù)字信號相對應(yīng)的新的輸出電壓。但是在實際的D/A轉(zhuǎn)換器中,電路中的電容、電感和開關(guān)電路會引起電路時間延遲。不同型號的D/A轉(zhuǎn)換器，其建立時間不同,一般從幾個納秒到幾個微秒。輸出形式是電流的,其D/A轉(zhuǎn)換器的建立時間是很短的；輸出形式是電壓的,D/A轉(zhuǎn)換器的主要建立時間是其輸出運算放大器所需的響應(yīng)時間。目前二十六頁\總數(shù)四十七頁\編于七點T型/倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的特點：①優(yōu)點：電阻種類少，只有R和2R，提高了制造精度；而且支路電流流入求和點不存在時間差，提高了轉(zhuǎn)換速度。②應(yīng)用：它是目前集成D/A轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換速度較高且使用較多的一種，如8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832，就是采用倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)。

10.1數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)目前二十七頁\總數(shù)四十七頁\編于七點

A/D轉(zhuǎn)換是將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換過程通過取樣、保持、量化和編碼四個步驟完成。A/D轉(zhuǎn)換器的基本工作原理采樣保持量化編碼VIDO模擬量輸入數(shù)字量輸出

10.2模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)目前二十八頁\總數(shù)四十七頁\編于七點取樣（也稱采樣）是將時間上連續(xù)變化的信號，轉(zhuǎn)換為時間上離散的信號，即將時間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為一系列等間隔的脈沖，脈沖的幅度取決于輸入模擬量。1.取樣和保持取樣過程采樣脈沖輸入模擬信號采樣輸出信號

10.2模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)A/D轉(zhuǎn)換器的基本工作原理目前二十九頁\總數(shù)四十七頁\編于七點10.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)1.取樣和保持A/D轉(zhuǎn)換器的基本工作原理目前三十頁\總數(shù)四十七頁\編于七點模擬信號經(jīng)采樣后，得到一系列樣值脈沖。采樣脈沖寬度τ一般是很短暫的，在下一個采樣脈沖到來之前，應(yīng)暫時保持所取得的樣值脈沖幅度，以便進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因此，在取樣電路之后須加保持電路。①在采樣脈沖S(t)到來的時間τ內(nèi)，VT導(dǎo)通，UI(t)向電容C充電，假定充電時間常數(shù)遠(yuǎn)小于τ，則有：UO(t)＝US(t)＝UI(t)。－－采樣②采樣結(jié)束，VT截止，而電容C上電壓保持充電電壓UI(t)不變，直到下一個采樣脈沖到來為止。－－保持場效應(yīng)管VT為采樣門，電容C為保持電容，運算放大器為跟隨器，起緩沖隔離作用。取樣保持電路及輸出波形1.取樣和保持A/D轉(zhuǎn)換器的基本工作原理目前三十一頁\總數(shù)四十七頁\編于七點輸入的模擬電壓經(jīng)過取樣保持后，得到的是階梯波。而該階梯波仍是一個可以連續(xù)取值的模擬量，但n位數(shù)字量只能表示2n個數(shù)值。因此，用數(shù)字量來表示連續(xù)變化的模擬量時就有一個類似于四舍五入的近似問題。2.量化和編碼將采樣后的樣值電平歸化到與之接近的離散電平上，這個過程稱為量化。指定的離散電平稱為量化電平Uq

。用二進(jìn)制數(shù)碼來表示各個量化電平的過程稱為編碼。兩個量化電平之間的差值稱為量化單位Δ，位數(shù)越多，量化等級越細(xì)，Δ就越小。取樣保持后未量化的Uo值與量化電平Uq值通常是不相等的，其差值稱為量化誤差ε，即ε=Uo-Uq。量化的方法一般有兩種：只舍不入法和有舍有入法。A/D轉(zhuǎn)換器的基本工作原理

10.2模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)目前三十二頁\總數(shù)四十七頁\編于七點1)只舍不入法

當(dāng)Uo的尾數(shù)＜Δ時，舍尾取整。這種方法ε總為正值，εmax＝Δ

。2)有舍有入法當(dāng)Uo的尾數(shù)＜Δ/2時，舍尾取整；當(dāng)Uo的尾數(shù)≥Δ/2時，舍尾入整。這種方法ε可正可負(fù)，但是|ε

max|=Δ

/2。可見，它的誤差要小。2.量化和編碼A/D轉(zhuǎn)換器的基本工作原理目前三十三頁\總數(shù)四十七頁\編于七點A/D轉(zhuǎn)換器有直接轉(zhuǎn)換法和間接轉(zhuǎn)換法兩大類。直接法是通過一套基準(zhǔn)電壓與取樣保持電壓進(jìn)行比較，從而直接將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。其特點是工作速度高，轉(zhuǎn)換精度容易保證，調(diào)準(zhǔn)也比較方便。直接A/D轉(zhuǎn)換器有計數(shù)型、逐次比較型、并行比較型等。間接法是將取樣后的模擬信號先轉(zhuǎn)換成中間變量時間t或頻率f,然后再將t或f轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。其特點是工作速度較低，但轉(zhuǎn)換精度可以做得較高，且抗干擾性強(qiáng)。間接A/D轉(zhuǎn)換器有單次積分型、雙積分型等。A/D轉(zhuǎn)換器的主要電路形式

10.2模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)目前三十四頁\總數(shù)四十七頁\編于七點逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器它是一種常用A/D轉(zhuǎn)換方式,轉(zhuǎn)換速率比雙積分型快,每秒鐘采樣高達(dá)幾十萬次,逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換的過程與用天平稱物體質(zhì)量的過程相似。

(1)先在砝碼盤上加上128g砝碼，經(jīng)天平比較結(jié)果，重物149g<128g，則此砝碼保留，即相當(dāng)于最高位數(shù)碼D7記為1。

（2）再加64g砝碼，經(jīng)天平比較，重物149g<(128+64)g，則舍下64g砝碼，即相當(dāng)于數(shù)碼記為0。

10.2模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)目前三十五頁\總數(shù)四十七頁\編于七點逐一添加比較，凡砝碼總質(zhì)量小于物體質(zhì)量的砝碼留下，否則舍去。保留的砝碼為128g+16g+4g+1g=149g相當(dāng)于轉(zhuǎn)換的數(shù)碼為D7—D0=10010101逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器被保留的電壓相當(dāng)于天平所稱的物體質(zhì)量，而所轉(zhuǎn)換的數(shù)字量相當(dāng)于在天平上逐次添加砝碼所保留下來的砝碼質(zhì)量。

10.2模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)目前三十六頁\總數(shù)四十七頁\編于七點逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器原理圖逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器

10.2模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)目前三十七頁\總數(shù)四十七頁\編于七點逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的基本電路比較器C3位D/A轉(zhuǎn)換器數(shù)碼寄存器環(huán)形右移寄存器逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器目前三十八頁\總數(shù)四十七頁\編于七點為了提高ADC轉(zhuǎn)換精度,在輸出端加負(fù)的偏移電壓=0.5V,作為量化誤差修正,送入比較器的電壓為uO‘=uO-,使精度提高一倍。

3位D/A轉(zhuǎn)換器輸出的相當(dāng)于砝碼值的電壓,根據(jù)D/A轉(zhuǎn)換器原理可知,若VREF=8V,則3位DAC能分辨的最小電壓為S==×8V=1V

在CP時鐘脈沖作用下，QA~QE逐個循環(huán)產(chǎn)生脈寬與CP周期相同的節(jié)拍脈沖逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器目前三十九頁\總數(shù)四十七頁\編于七點工作原理設(shè)定：5.9V時時轉(zhuǎn)換開始前，先將FF2FF1、FF0清零。設(shè)QAQBQCQDQE

=10000G變?yōu)楦唠娖揭院?，轉(zhuǎn)換開始。逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器目前四十頁\總數(shù)四十七頁\編于七點Q2=1應(yīng)保留5.9V10000第一個節(jié)拍1003.5V001000工作原理逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器目