电工与电子技术第十一章信号产生与转换电路

1、第十一章 信号产生与转换电路 信号产生电路也称波形发生电路，是无线通信、自动测量以及自动控制系统中不可缺少的一种电路 模拟信号产生电路正弦波振荡电路非正弦波发生电路RC振荡电路LC振荡电路石英晶体振荡电路矩形波发生电路三角波发生电路锯齿波发生电路压控振荡电路信号产生包括模拟信号产生电路和脉冲信号产生电路 模拟信号波形发生电路分为正弦波振荡电路和非正弦波发生电路两大类。脉冲信号波形发生电路分为单脉冲和周期脉冲产生电路 1D/A、A/D转换器的概念转换器的概念 能将模拟量转换为数字量的电路称为能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器模数转换器，简称简称A/D转换器转换器或或ADC； 能将数字量转

2、换为模拟量的电路称为能将数字量转换为模拟量的电路称为数模转换器数模转换器，简称简称D/A转换器转换器或或DAC。 2D/A、A/D转换器的实际举例转换器的实际举例锅炉加锅炉加热信号热信号采集和采集和控制系控制系统统 11.3 数字信号与模拟信号的相互转换数字信号与模拟信号的相互转换R2R倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器如图所示。转换器如图所示。 分别从虚线分别从虚线A、B、C、D处向右看的二端网络等效电处向右看的二端网络等效电阻阻都是都是R。 不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地虚地）还是接到还是接到地地，也就是不论输入数字信号是，也就是不

3、论输入数字信号是1还是还是0，各支路各支路的电流不变的电流不变。 11.3.1 数模转换器数模转换器1数模转换器的组成和工作原理数模转换器的组成和工作原理RUIREFREFRUIIIRUIIIRUIIIRUIIREFREFREFREFREFREFREFREF1616121 8812144121 2211021323)2222(2001122334oDDDDRRUiRiRuFREFFFF该公式可推广到该公式可推广到n位！位！基准电源基准电源UREF提供的总电流提供的总电流IREF =？)161814121(0123DDDDUREF设RF=R例例 4位位R2R倒倒T形电阻网络形电阻网络DAC如上图

4、所示，设基准电压如上图所示，设基准电压UREF=5V，RF= R，试求输入二进制数，试求输入二进制数D3D2D1D0=0110时输出时输出电压值。电压值。VVVDDDDUuREF875. 11665)02121202(25)2222(201234001122334o解：解：将将D3D2D1D0=0110代入公式代入公式练习练习 已知八位转换电路中，当输入数字量为已知八位转换电路中，当输入数字量为10000000时，时，输出电压为输出电压为6.4V，则当输入为则当输入为01010000时，其输出电压为（时，其输出电压为（）。）。4VNVNRRVIRV8REFF8REFFOUT22NRVI8REF

5、2如如VREF=5V，N=255，则，则VO=4.980VN=128，则，则VO=2.500VN=64，则，则VO=1.250VN=10，则，则VO=0.195VN=1， 则则VO=0.0195V八位八位R2R倒倒T形电阻网络形电阻网络DAC2.D/A转换器的主要技术参数1分辨率分辨率分辨率用输入二进制数的分辨率用输入二进制数的有效位数有效位数表示。在分辨率为表示。在分辨率为n位位的的D/A转换器中，输出电压能区分转换器中，输出电压能区分2n个不同的输入二进制代码状个不同的输入二进制代码状态，能给出态，能给出2n个不同等级的输出模拟电压。个不同等级的输出模拟电压。 D3D2D1D0 uo(V)

6、 D3D2D1D0 uo(V)0 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 10.00.51.01.52.02.53.03.51 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 14.04.55.05.56.06.57.07.5也可以用转换器也可以用转换器的最小输出电压的最小输出电压ULSB（输入数字（输入数字量只有最低位为量只有最低位为1时对应的输出时对应的输出电压）与最大输电压）与最大输出电压出电压UMSB（输（输入数字全为入数字全为1时时对应的输出电压）对应的输出电压

7、）的的比值表示比值表示 3转换时间转换时间（输出建立时间）（输出建立时间） 从输入数字信号起，到输出电压或电流从输入数字信号起，到输出电压或电流达到稳定值达到稳定值时所时所需要的时间，称为转换时间（或输出建立时间）。需要的时间，称为转换时间（或输出建立时间）。2 2转换精度转换精度 指输出模拟电压的实际值与理想值之差，即最大静态指输出模拟电压的实际值与理想值之差，即最大静态转换误差。转换误差。一般情况下，精度不大于最小数字量的一般情况下，精度不大于最小数字量的1/2，即，即ULSB/2 单片集成单片集成D/A转换器建立时间可达转换器建立时间可达0.1us。 线性线性DAC0832采用采用CMO

8、S工艺制成的单片电流输出型工艺制成的单片电流输出型8位数位数/模转换器模转换器 图图12.1.3 DAC0832的内部组成框图的内部组成框图DAC0832典型应用电路图：典型应用电路图： 电流转换为电流转换为电压电压)(1OUTFBoIRU如UREF=5V，D=11000000时 V75364128256522256567O.)()(U A/D转换是将模拟信号转换为数字信号转换是将模拟信号转换为数字信号 (1)采样保持采样保持 采样采样是将时间上连续变化的信号转换为时间上离散的信号。是将时间上连续变化的信号转换为时间上离散的信号。 采样频率采样频率fS必须必须大于等于大于等于输入模拟信号包含的

9、最高频率输入模拟信号包含的最高频率fmax的两倍的两倍。 采样后的值必须保持不变，直到下一次采样为止。因为采样后的值必须保持不变，直到下一次采样为止。因为A/D转换必须花时间处理采样值。转换必须花时间处理采样值。 11.3.2 模数转换器模数转换器采样采样 和和保持保持操作操作1. 转换过程转换过程: 通过通过采样采样、保持保持、量化量化和和编码编码四个步骤完成。四个步骤完成。 (2) 量化编码量化编码 一般把上述采样保持后的值以某个一般把上述采样保持后的值以某个“最小数量单位最小数量单位”的整数倍来表示，这一过程称为的整数倍来表示，这一过程称为量化量化。规定的最小数量单。规定的最小数量单位称

10、为位称为量化单位量化单位或或量化间隔量化间隔，用，用“” 表示表示。 量化的方法一般有两种：量化的方法一般有两种：四舍五入法四舍五入法和和舍去小数法舍去小数法。 （1）四舍五入法四舍五入法：把：把/2的电压作为的电压作为“0”处理，把处理，把/2而而3/2的电压作为的电压作为“1”处理；处理； （2）舍去小数法舍去小数法：把：把的电压作为的电压作为“0”处理，把处理，把而而2的电压作为的电压作为“1”处处理。 显然，采用不同量化方式，显然，采用不同量化方式，其量化后的结果存在差异其量化后的结果存在差异；而且；而且上述量化结果与采样值之间上述量化结果与采样值之间存在误差存在误差，这种误差称为，这

11、种误差称为量化误差量化误差。把上述量化结果用代码表示，称为把上述量化结果用代码表示，称为编码。编码。例如：设例如：设1V，采样值分别为：，采样值分别为：2V、4.4V、4.5V和和5.7V。（1）四舍五入法：量化结果为：）四舍五入法：量化结果为：2V2，4.4V4，4.5V5，5.7V 6；（2）舍去小数法：量化结果为：）舍去小数法：量化结果为：2V2，4.4V4，4.5V4，5.7V 5。 用用3位代码可表示位代码可表示07；用；用4位代码可表示位代码可表示015；用；用8位位代码可表示代码可表示0127；用；用n位代码可表示位代码可表示0（2n 1）。显。显然，然，编码位数越多，量化误差就

12、越小，精度越高编码位数越多，量化误差就越小，精度越高 2.A/D2.A/D转换器的种类和工作特点转换器的种类和工作特点(1) A/D转换器的种类转换器的种类 A/D转换器可分为转换器可分为直接直接A/D转换器和转换器和间接间接A/D转换器。转换器。 直接直接A/D转换器是将输入模拟电压直接转换成数字量转换器是将输入模拟电压直接转换成数字量;间接间接A/D转换器是先将输入模拟电压转换器是先将输入模拟电压转换成中间量转换成中间量，如时间或，如时间或频率，然后将这些中间量转换成数字量。频率，然后将这些中间量转换成数字量。常用的直接常用的直接A/D转换器：并联比较型转换器：并联比较型A/D转换器和逐次

13、比较型转换器和逐次比较型A/D转换器。转换器。常用的间接常用的间接A/D转换器：中间量为时间的双积分型转换器：中间量为时间的双积分型A/D转换器，转换器，中间量为频率的电压频率转换型中间量为频率的电压频率转换型A/D转换器。转换器。 (2) 常用常用A/D转换器的工作特点转换器的工作特点转换速度最高的是：并联比较型转换速度最高的是：并联比较型ADC；转换速度最低的是：双积分型转换速度最低的是：双积分型ADC；转换精度最高的是：双积分型转换精度最高的是：双积分型ADC；转换精度最低的是：并联比较型转换精度最低的是：并联比较型ADC；转换速度和转换精度均较高的是：逐次比较型转换速度和转换精度均较高

14、的是：逐次比较型ADC 3 A/D3 A/D转换器的主要技术参数转换器的主要技术参数(1) 分辨率分辨率 用输出二进制数的位数用输出二进制数的位数n表示，位数越多，对输入模拟信表示，位数越多，对输入模拟信号的分辨能力越强。号的分辨能力越强。例如：输入模拟电压的变化范围为例如：输入模拟电压的变化范围为05V。输出输出8位二进制数可以分辨的最小输入模拟电压为位二进制数可以分辨的最小输入模拟电压为5V2-820mV；而输出而输出12位二进制数可以分辨的最小输入模拟电压为位二进制数可以分辨的最小输入模拟电压为5V2-121.22mV。 (2) 转换误差转换误差 它表示它表示A/D转换器实际输出的数字量

15、和理论上的输出数字转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。常用最低有效位（量之间的差别。常用最低有效位（LSB）的倍数表示。）的倍数表示。(3) 转换时间转换时间 转换时间指完成一次转换所需的时间。转换时间是指从接转换时间指完成一次转换所需的时间。转换时间是指从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间。所经过的这段时间。转换时间主要取决于转换器的类型，不同转换器的转换速转换时间主要取决于转换器的类型，不同转换器的转换速度相差很多度相差很多 。并联型。并联型A/D转换器的转换速度可达转换器的转换速度可达5

16、0ns以内以内 ，逐次比较式在逐次比较式在10-100s以内，以内，双积分双积分A/D转换器等在数十转换器等在数十毫秒至数百毫秒之间。毫秒至数百毫秒之间。 4 4 集成集成A/DA/D转换器及应用举例转换器及应用举例ADC0809是采用是采用CMOS工艺制成的单片工艺制成的单片8位位8通道逐次比较通道逐次比较型型A/D转换器转换器 ININ0 0ININ7 7：8 8路模拟信号输入端。路模拟信号输入端。A A2 2、A A1 1、A A0 0：8 8路模拟信号的地址码路模拟信号的地址码输入端。输入端。ALEALE：地址锁存允许输入信号，在此：地址锁存允许输入信号，在此脚施加正脉冲，上升沿有效。脚施加正脉冲，上升沿有效。STARTSTART：启动信号输入端，应在此脚：启动信号输入端，应在此脚施加正脉冲施加正脉冲. .EOC：当转换结束后，：当转换结束后，EOC变为高电平。变为高电平。OE：输出允许信号，高电平有效。：输出允许信号，高电平有效。CLK：时钟信号输入端，外接时钟：时钟信号输入端，外接时钟频率一般为频率一般为640kHz。Ucc： +5V单电源供电。单电源供电。UREF（+）、）、UREF（-）：基准电压：基准电压的正端和负端。一般的正端和负端。