数字电子技术第八章的PPT(徐丽香,第二版)

1、第第8单元单元 数数/模、模模、模/数转换数转换 学习要求学习要求 模数转换和数模转换的工作原理；模数转换和数模转换的工作原理；R-2R倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器的工作转换器的工作原理；原理；逐次比较型的逐次比较型的A/D转换转换器的工作原转换转换器的工作原理；理； 模数转换和数模转换的主要参数；模数转换和数模转换的主要参数； 掌握常用数模转换器的使用方法。掌握常用数模转换器的使用方法。 8.18.1概述概述 感官和器件接触和接收的是模拟信号，感官和器件接触和接收的是模拟信号，在存储在传送中使用的是数字信号。在存储在传送中使用的是数字信号。 把数字信号转变为相应的模拟信号的电把数字

2、信号转变为相应的模拟信号的电路称为数模（路称为数模（D /A）转换器，简称为）转换器，简称为DAC。 把模拟信号转变为相应的数字信号的电把模拟信号转变为相应的数字信号的电路称为模数（路称为模数（ A/D）转换器，简称为）转换器，简称为ADC。利用利用D/A转换、转换、A/D转换的系统转换的系统想一想：想一想：你身边有哪些电子产品内需要你身边有哪些电子产品内需要A/D转换器和转换器和D/A转换器？转换器？ 检测电路检测电路模拟电模拟电信号信号A/D转转换换数字电路数字电路或计算机或计算机系统系统D/A转换转换喇叭、显像管等喇叭、显像管等声音、图声音、图像等像等利用利用D/A转换、转换、A/D转换

3、的系统转换的系统 模拟信号模拟信号模拟信模拟信号号数字信数字信号号数字信数字信号号8. .2 数数/模（模（D/A）转换器）转换器 8. .2.1 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 对于有权码，先将每位代码按其权的大小转换成相对于有权码，先将每位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后相加，即可得到与数字量成正比的应的模拟量，然后相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现数字总模拟量，从而实现数字/ /模拟转换。模拟转换。D/A转换器DDD01n-1.vo输入输出01234567001010011100101110111vo/VD0001R-2R倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换

4、器转换器 所以，所以，无论无论Si处于何种位置，与处于何种位置，与Si相连的相连的2R电阻电阻均接均接“地地”（地或虚地）。（地或虚地）。 当当Di=1时，时，Si接运算放大器反相输入端（虚地），接运算放大器反相输入端（虚地），电流电流Ii流入求和电路；当流入求和电路；当Di=0时，时，Si将电阻将电阻2R接地。接地。 822 电阻网络电阻网络D/A转换器转换器 DDDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+Avoif1682R2R+V2RRI4R4IREFI8II2R2RIRIII1622模拟模拟开关开关数码数码 从任一端口左边往右看，对地电阻都为从任一端口左边往右看，对地电阻都为

5、R，每一端，每一端口都可以看作两路分流，所以，越往右后电流越小。口都可以看作两路分流，所以，越往右后电流越小。 节点对地等效电阻节点对地等效电阻 基准电流基准电流: I=VREF/R，流过各开关支路（从右到左）的电流分别为流过各开关支路（从右到左）的电流分别为 I/2、I/4、I/8、I/16。分析计算：分析计算：)21212121(041322310123DDDDRVIIIIIREF流入运算放大器反相端的总电流流入运算放大器反相端的总电流I I为为: : 运算放大器的输出电压为运算放大器的输出电压为 :)2D2D2D2D(R2VRIRu001122334REFff0 上式括号内为上式括号内为

6、n位二进制数的十进制数值，可用位二进制数的十进制数值，可用NB表示。表示。如果使式中如果使式中Rf=R，则上式可以改写为，则上式可以改写为:BnREF0N2Vu 将数码推广到将数码推广到n位的情况，可得出输入数字量与输出模拟位的情况，可得出输入数字量与输出模拟量之间的一般表达式量之间的一般表达式: : )222(20022110DDDRRVIRunnnnnfREFREFf分析计算：分析计算：2D/A转换器的输出方式转换器的输出方式 n按输出方式分有：数字电流型和数字按输出方式分有：数字电流型和数字电压型。电压型。n数字电流型要加一个电压放大器。数字电流型要加一个电压放大器。n按输出极性分有：单

7、极性（只有负电压按输出极性分有：单极性（只有负电压或只有正电压）和双极性（从负电压变或只有正电压）和双极性（从负电压变化正到正电压）。化正到正电压）。1.转换精度转换精度 3DAC的主要性能指标的主要性能指标 （2）转换误差）转换误差比例系数误差、失调误差、非线性误差。比例系数误差、失调误差、非线性误差。 此外，也可用此外，也可用D/A转换器的最小输出电压转换器的最小输出电压(数字量：数字量：00000001)与最大输出电压与最大输出电压(数字量：全数字量：全1）之比来表示分）之比来表示分辨率，辨率，N位位D/A转换器的分辨率可表示为转换器的分辨率可表示为 1/（2n-1）。）。（1）分辨率）

8、分辨率D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。级数。输入数字量位数越多，分辨率越高。所以，在实际应用中，输入数字量位数越多，分辨率越高。所以，在实际应用中，常用数字量的位数表示常用数字量的位数表示D/A转换器的分辨率。转换器的分辨率。最小最小 vO= - KNB = - K1 最大最大 vO= - KNB = - K(2n-1)vO= - KNB)2(10BiniiDN2.转换速度转换速度在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高化量。一般用满刻度输出条件下温度每

9、升高1，输出电压，输出电压变化的百分数作为温度系数。变化的百分数作为温度系数。（2）转换速率（）转换速率（SR）在大信号工作状态下模拟电压的变在大信号工作状态下模拟电压的变化率。化率。（1）建立时间（）建立时间（tset）当输入的数字量发生变化时，输出当输入的数字量发生变化时，输出电压变化到相应稳定电压值所需时间。最短可达电压变化到相应稳定电压值所需时间。最短可达0.1S。3. 温度系数温度系数4集成电阻网络集成电阻网络D/A转换器的应转换器的应用用 DAC0832带有两个输入数据缓冲寄存器，是一种单带有两个输入数据缓冲寄存器，是一种单电源（电源（+5+15V）的）的CMOS型器件。其参考电压

10、型器件。其参考电压VREF可在可在-9V+9V范围内选择，转换速度约为范围内选择，转换速度约为1s。 D/A转换器在实际电路中应用很广，它不仅常作为接口转换器在实际电路中应用很广，它不仅常作为接口电路用于微机系统，而且还可利用其电路结构特征和输入、电路用于微机系统，而且还可利用其电路结构特征和输入、输出电量之间的关系构成数控电流源、电压源、数字式可编输出电量之间的关系构成数控电流源、电压源、数字式可编程增益控制电路和波形产生电路等。程增益控制电路和波形产生电路等。 DAC0832的功能示意图和外引线图的功能示意图和外引线图下图是一个单极性电压输出的电路原理图，根据下图是一个单极性电压输出的电路

11、原理图，根据数字量转换，得到的输出电流数字量转换，得到的输出电流Iout1通过运算放大通过运算放大器的反馈电阻器的反馈电阻 流向放大器的输出端，其输出流向放大器的输出端，其输出电压为电压为 。 FBROUT1FB-IR数字输入数字输入下图是一个双极性电压输出电路原理图，其输出下图是一个双极性电压输出电路原理图，其输出电压电压OUTREFBV=V(N -128)/128数字输入数字输入DAC0832的应用电路的应用电路想一想：想一想：要求输出电压的最大值为要求输出电压的最大值为10V，分辨率为，分辨率为10mV，则最少应选用多少位的则最少应选用多少位的DAC？ 8.2.2 8.2.2 一位一位D

12、/AD/A转换器转换器 一位一位D/A转换器：把数字量的大小转换成不同脉冲宽度或转换器：把数字量的大小转换成不同脉冲宽度或不同脉冲频率的一种转换器。不同脉冲频率的一种转换器。 一位（一位（bit）数模转换器由于电路简单、失真小、内置数字滤）数模转换器由于电路简单、失真小、内置数字滤波器，可以提高输出模拟信号的信噪比等原因，在音频波器，可以提高输出模拟信号的信噪比等原因，在音频DAC中应用中应用得非常多。得非常多。 一位一位D/A转换波形图转换波形图 由于由于输入的模拟信号在时间上是连续量，所以一般的输入的模拟信号在时间上是连续量，所以一般的A/D转换过程为：转换过程为： 取样、保持、量化和编码

13、。取样、保持、量化和编码。如图所示。如图所示。 83 模模/数（数（A/D）转换器）转换器 8.3.1 A/D转换的基本原理转换的基本原理1A/D转换原理转换原理 模拟信号模拟信号数字信号数字信号采采样样保保持持量量化化编编码码D/A转换的信号处理过程转换的信号处理过程 （1）采样和保持）采样和保持 采样：把在时间上是连续的输入模拟信号采样：把在时间上是连续的输入模拟信号ui转换成在转换成在时间上是断续的信号，输出脉冲波的包络仍反映输入信号时间上是断续的信号，输出脉冲波的包络仍反映输入信号幅度的大小。幅度的大小。 取样定理，采样信号的频率取样定理，采样信号的频率fs和输入模拟信号的最高和输入模

14、拟信号的最高频率频率fimax之间必须满足下述条件之间必须满足下述条件:fs2fimax 因为每次把取样电压转换为相应的数字量都需要一定因为每次把取样电压转换为相应的数字量都需要一定的时间，所以在每次取样以后，必须把取样电压保持一段的时间，所以在每次取样以后，必须把取样电压保持一段时间。时间。（2）量化和编码）量化和编码 在用数字量表示取样电压时，也必须把它化成这个最在用数字量表示取样电压时，也必须把它化成这个最小数量单位的整倍数，这个转化过程就叫做量化。所规定小数量单位的整倍数，这个转化过程就叫做量化。所规定的最小数量单位叫做量化单位，用的最小数量单位叫做量化单位，用S表示。表示。 编码是把

15、量化的数值用二进制代码表示。把编码后编码是把量化的数值用二进制代码表示。把编码后的二进制代码输出就得到的二进制代码输出就得到A/D转换的输出信号，转换的输出信号，对同一对同一正弦波，若正弦波，若S越小，误差将越小，编码时所需二进制代越小，误差将越小，编码时所需二进制代码的位数就越多，对器件要求也越高。码的位数就越多，对器件要求也越高。 2A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 分辨率分辨率说明说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。转换器对输入信号的分辨能力。 一般以输出二进制（或十进制）数的位数表示。因为，一般以输出二进制（或十进制）数的位数表示。因为，在最大输入电压一定时，输出位数愈

16、多，量化单位愈小，在最大输入电压一定时，输出位数愈多，量化单位愈小，分辨率愈高。分辨率愈高。（1）分辨率）分辨率 例如，相对误差例如，相对误差LSB/2，就表明实际输出的数字量和，就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。个字。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和理论上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。常用最低有效位的倍数表示。的输出数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。（2）转换速度）转换速度可用转换时间表示可用转换时间表示, ,指从转换控制信号指从转换控制信号

17、到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。 并行比较并行比较A/D转换器转换速度最高；逐次比较型转换器转换速度最高；逐次比较型A/D转转换器次之；间接换器次之；间接A/D转换器的速度最慢。转换器的速度最慢。（2）转换速度）转换速度3A/D转换器的分类、特点及应用转换器的分类、特点及应用 可分成并行比较型、逐次逼近型和积分型可分成并行比较型、逐次逼近型和积分型 A/D转换器的分类、特点及应用转换器的分类、特点及应用分类分类特点特点应用应用并行比较型并行比较型速度最快，但设备成速度最快，但设备成本较高，精度也不易本较高，精度也不易做高做高数

18、字通信技术和高速数数字通信技术和高速数据采集技术据采集技术逐次逼近型逐次逼近型工作速度中等，精度工作速度中等，精度也较高，成本较低也较高，成本较低中高速数据采集系统、中高速数据采集系统、在线自动检测系统、动在线自动检测系统、动态测控系统态测控系统积分型积分型精度可以做得很高，精度可以做得很高，抗干扰性能很强，速抗干扰性能很强，速度很慢度很慢数字仪表（数字万用表、数字仪表（数字万用表、高精度电压表）和低速高精度电压表）和低速数据采集系统数据采集系统832 逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器转换器 1逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器原理转换器原理 ：Gd3g3+ d2g2+ d1g1+ d0g0di

19、1 有效有效0 无效无效有效砝码的总重量逐次逼近重物的重量：有效砝码的总重量逐次逼近重物的重量：原理框图原理框图（1）清零）清零 （2）触发转换过程）触发转换过程（3）等待转换过程的结束）等待转换过程的结束（4）读取数字信号结果）读取数字信号结果 脉冲脉冲uiuAEOC启动脉冲启动脉冲数字量输出数字量输出待转换电压输入待转换电压输入顺序脉冲顺序脉冲发生器发生器逐次逼近逐次逼近寄存器寄存器数数 / 模模转换转换电 压 比电 压 比较器较器逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器的原理框图转换器的原理框图电压值和过程分析电压值和过程分析假设该假设该A/D转换器所用转换器所用D/A转换最大输出电压为转换最大

20、输出电压为1.0V，设输入电，设输入电压为压为0.625V。3位数码从左到右排列分别为高位、次高位、低位，位数码从左到右排列分别为高位、次高位、低位，若为若为1时所对应的电压值如表时所对应的电压值如表: :二进制代码二进制代码“1”所在位置所在位置高位高位次高次高位位低位低位相对应电压值相对应电压值（V）050.250.125逐次逼近过程发析如表逐次逼近过程发析如表: 即当即当0.625V电压输入该电压输入该D/A转换器，相应输出的数字信转换器，相应输出的数字信号从最高位到最低位排列是号从最高位到最低位排列是101。 顺序顺序顺序脉顺序脉冲发生冲发生器数码器数码逐次逼逐次逼近寄存近寄存器数码器

21、数码uA（V）与输入与输入电压比电压比较结果较结果比 较 后 逐比 较 后 逐次 逼 近 寄次 逼 近 寄存 器 锁 存存 器 锁 存结果结果（ 启 动（ 启 动脉冲）脉冲）000000 时 钟 脉时 钟 脉冲冲11001000506250.5100时 钟 脉时 钟 脉冲冲21101100.750.6250.75100时 钟 脉时 钟 脉冲冲31111010.6250.625=0.625101时 钟 脉时 钟 脉冲冲4输出输出EOC 输 出 锁 存输 出 锁 存结果结果1012集成集成A/D转换器的应用转换器的应用 （1） ADC0804引脚及使用说明引脚及使用说明 1 2 3 4 5 6 7

22、 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 CS RD WR CLKIN INTR AGND DGND V CLKR D D D D D D D D IN+ IN- REF/2 V V V CC 0 1 2 3 4 5 6 7 ADC0804 100s 输出 高阻 CS RD WR INTR 读数 数据 ADC0804引脚图引脚图 ADC0804控制信号的时序控制信号的时序图图 (2). ADC0804的典型应用的典型应用 在现代过程控制及各种智能仪器和仪表中，为采集被控在现代过程控制及各种智能仪器和仪表中，为采集被控（被测）对象数据以达到由计算机进行实时检测、

23、控制的目（被测）对象数据以达到由计算机进行实时检测、控制的目的，常用微处理器和的，常用微处理器和A/D转换器组成数据采集系统。单通道转换器组成数据采集系统。单通道微机化数据采集系统的示意图如图微机化数据采集系统的示意图如图: : 8. .4 V/F转换和转换和F/V转换转换 8. .4.1 V/F转换转换 下面，介绍用专用下面，介绍用专用V/F、F/V转换芯片转换芯片LM331来实现来实现V/F转转换。换。LM331的内部结构和电路典型接法如图的内部结构和电路典型接法如图: LM331构成的构成的V/F转换器转换器 8. .4.2 F/V转换转换 想一想想一想：如果要你如果要你做一个数码录音放

24、做一个数码录音放音器，你要参考如音器，你要参考如何选用器件？选定何选用器件？选定ADC器件后，请你器件后，请你计算一下采集计算一下采集1秒秒钟音频信号后得到钟音频信号后得到的数据量大小。想的数据量大小。想一想一想MP3机是如何机是如何工作？工作？LM331构成的构成的F/V转换转换器器 本单元本单元学习学习指指导导 把数字信号转换成模拟信号的电路称为数把数字信号转换成模拟信号的电路称为数/模（模（D/A）转换。它的主要指标有：分辨率、转换精度和转换时转换。它的主要指标有：分辨率、转换精度和转换时间。间。数数/模转换器有电阻网络和一位模转换器有电阻网络和一位D/A转换器。电阻网络转换器。电阻网络

25、D/A转换器是把输入数据量转换成与之相对应十进制转换器是把输入数据量转换成与之相对应十进制大小成正比的电压或电流输出。一位大小成正比的电压或电流输出。一位D/A转换器则把转换器则把是输入数据量的大小转换成脉宽的宽窄，然后通过低是输入数据量的大小转换成脉宽的宽窄，然后通过低通滤波器取出与脉宽成正比的平均直流成分，得到模通滤波器取出与脉宽成正比的平均直流成分，得到模拟信号。拟信号。本单元本单元学习学习指指导导 把模拟信号转换成数字信号的电路称为模把模拟信号转换成数字信号的电路称为模/数（数（A/D）转换。它的主要指标有：分辨率和转换时间。模转换。它的主要指标有：分辨率和转换时间。模/数转数转换器的

26、转换步骤是：采样、保持、量化、编码。在采换器的转换步骤是：采样、保持、量化、编码。在采样时，采样频率样时，采样频率fS和输入信号最大频率和输入信号最大频率fimax之间的关系之间的关系是：是：fS2fimax。模。模/数转换器主要有并行比较型、逐次数转换器主要有并行比较型、逐次逼近型和双积分型。逼近型和双积分型。电压电压/频率转换和频率频率转换和频率/电压转换在某种意义上也是一电压转换在某种意义上也是一种特殊的种特殊的A/D和和D/A转换。本章以专用转换。本章以专用V/F、F/V芯片芯片LM331为例，说明如何进行进行为例，说明如何进行进行V/F和和F/V转换。转换。 实验八实验八 D/A、A

27、/D转转换换 一、实验目的一、实验目的 1 进一步理解进一步理解D/A、A/D转换的原理，转换的方式转换的原理，转换的方式及各自的特点。及各自的特点。2了解了解D/A、A/D集成芯片的结构、功能测试及应集成芯片的结构、功能测试及应用。用。 二、实验仪器及材料二、实验仪器及材料 v1仪器：仪器： 示波器示波器v2数字电子实验箱数字电子实验箱v3材料：材料：DAC0832 8bit D/A转换转换 1片片ADC0809 8bit 逐次渐进式逐次渐进式A/D转换器转换器 1片片LM324 通用运算放大器通用运算放大器 1片片74LS74 双双D触发器触发器 1片片74LS02四或非门四或非门 一片一

28、片电阻：电阻：10k(2个个)按钮开关按钮开关 三实验内容三实验内容 1D/A转换器实验转换器实验 LM324工作时，工作时，VCC接接+12V，GND接接-12V。按。按图接好线，检查电路准确无误后接通电源。按表在图接好线，检查电路准确无误后接通电源。按表在DAC0832的信号输入端的信号输入端D0D7利用电平输出器输入利用电平输出器输入相应的电路状态，分别用电压表测量各输入情况下对相应的电路状态，分别用电压表测量各输入情况下对应下的模拟输出电压应下的模拟输出电压V0，并将测试结果输入填入表中。，并将测试结果输入填入表中。然后将输出电压按序号填入测试波形图中。然后将输出电压按序号填入测试波形图中。 1D/A转换器实验转换器实验 O（V） 0 1 2 3 4 5 6 7 8 序号 D/A转换器测试波形图序号 数字输入模拟电压输出D7D6D5D4D3D2D1D0 Vo(V)100000000200000001300000011400000111500001111600011111700111111801111111 DAC0832的D0D7输入的信号2A/D转换器实验 A/D转换器实验图 ADC0809是有路输入通道，只有输入是有路输入通道，只有输入ABC地址不同，地址不同，