南昌大学数字电路与逻辑设计课件第10章

1、第第10章章 D/A与与A/D转换器及其应用转换器及其应用 10.1 概述概述 传感器传感器 生生 产产 过过 程程A/D转换器转换器计计算算机机D/A转换器转换器驱动器驱动器 各种物理量各种物理量 电信号电信号 模拟量模拟量 数字信号数字信号数字信号数字信号 模拟信号模拟信号 模拟模拟 物理量物理量图图10-1 计算机检测与控制系统示意图计算机检测与控制系统示意图10.2 D/A转换器转换器 10.2.1 D/A转换原理与结构转换原理与结构 1. DAC转换器的基本原理转换器的基本原理 12101210(2222 )nnnnD dddd121012102222nnnnDdddd(10-1)

2、(10-2) ouuK DoiiK D12101210(2222 )nnounnuKdddd10.2.1 D/A转换原理与结构转换原理与结构 2. DAC转换器的组成转换器的组成 模拟量模拟量输出输出基准电压基准电压n位数字量位数字量输入输入输入寄存器输入寄存器n位电子开关位电子开关解码网络解码网络求和电路求和电路图图10-2 DAC转换器的电路结构框图转换器的电路结构框图 10.2.2 二进制权电阻网络二进制权电阻网络D/A转换器转换器 1. 电路结构电路结构 图图10-3 二进制权电阻网络二进制权电阻网络D/A转换器转换器 R2R4R8RVREFII0I1I2I3S0S1S2S3AiFRF

3、iVOd0d1d2d32工作原理工作原理 RVIRVIRVIRVIREFREFREFREF3210 2 4 801230123321032103842(2222)2REFREFREFREFREFVVVViIIIIDDDDRRRRVDDDDR（10-3） RFR/2 321032104(2222)22REFoF FVRVR iiDDDD （10-4） REFnnV212 0 10.2.2 二进制权电阻网络二进制权电阻网络D/A转换器转换器 10.2.3 倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器 1电路结构电路结构 2R2R2R2RVREFAI3I2I1I0S0S1S2S3AiFRFiVOd3

4、d2d1d0RRR2RI3I2I1I0BCDIREF图图10-4 R-2R倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器 2.工作原理工作原理 RVIREFREFRVIIRVIIRVIIRVIIREFREFREFREFREFREFREFREF16161 881441 22101233210o32104(2222)2REFFF FFVRVR iR iddddR （10-5） RFR 3210o32104(2222)2REFVVdddd （10-6） 10.2.3 倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器 【例【例10-1】 4位位R-2R倒倒T形电阻网络形电阻网络DAC如图如图10-4所示，设

5、基准所示，设基准电压电压 VREF = - 8V，RF= R，试求其最大输出电压值。，试求其最大输出电压值。解：解：将将d3 d2 d1 d0=1111代入式（代入式（10-6）得）得 32103210o3210448(2222)(2 12 12 12 1)7.522REFVVVddddV 故其最大输出电压值为故其最大输出电压值为7.5V。 10.2.4 DAC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 121n分辨率（10-7） 3转换速度转换速度 2转换精度转换精度 VLSB/2 4. 非线性误差非线性误差 5. 温度系数温度系数 10.2.5 DAC专用器件及应用举例专用器

6、件及应用举例 1. AD7520基本结构与性能参数基本结构与性能参数 图图10-5 AD7520内部逻辑结构图内部逻辑结构图 图图10-6 AD7520外引脚图外引脚图 10.2.5 DAC专用器件及应用举例专用器件及应用举例 2. AD7520应用举例应用举例 图图10-7 AD7520组成的锯齿波发生器组成的锯齿波发生器 图图10-8输出的锯齿波波形输出的锯齿波波形 10.2.5 DAC专用器件及应用举例专用器件及应用举例 3. 串行串行DAC转换器转换器TLC5615 12348765DINSCLK/CSDOUTVCCOUTREFINAGND图图10-9串行串行D/A转换器转换器TLC5

7、61510.2.6 DAC0832及其应用及其应用 图图10-10 DAC0832的逻辑符号和引脚图的逻辑符号和引脚图 (a) 逻辑符号逻辑符号 (b) 引脚图引脚图 10.2.6 DAC0832及其应用及其应用 图图10-11 DAC0832的典型应用电路的典型应用电路 101()I256REFOUTDVR102255()I256REFOUTDVROOUT1V(I)fbR 10.3 A/D转换器转换器 10.3.1 A/D工作原理工作原理 图图10-12 采样过程操作示意图采样过程操作示意图 1采样采样-保持保持 x(t)y(t)s(t)x(t)s(t)y(t)00t输入模拟信号输入模拟信号

8、t 取样脉冲取样脉冲t 取样信号取样信号采样开关采样开关10.3.1 A/D工作原理工作原理 图图10-13 采样采样-保持电路保持电路(a)，及输出波形，及输出波形(b) 1采样采样-保持保持 10.3.1 A/D工作原理工作原理 图图10-14 集成取样集成取样-保持器保持器LE198的电路原理图的电路原理图(a)及符号及符号(b) 1采样采样-保持保持 AARR230030k1LSovovDD1212IvvLChhCLF198VVV21458763OFF+IvvLov（外接）地（a）（b）10.3.1 A/D工作原理工作原理 为将模拟信号转换为数字量，在用数字量表示取样电压时，必须为将模

9、拟信号转换为数字量，在用数字量表示取样电压时，必须把采样把采样-保持电路的输出电压化成这个最小数量单位的整倍数，这保持电路的输出电压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。量化的最小数值单位称为量化单位，用个转化过程就叫做量化。量化的最小数值单位称为量化单位，用表示。它是数字信号最低位为表示。它是数字信号最低位为1，其它位为，其它位为0时所对应的模拟量，时所对应的模拟量，即即1LSB。 数字信号最低有效位中的数字信号最低有效位中的1表示的数量大小，就等于表示的数量大小，就等于。把量。把量化后的离散量用相应的二进制码表示，称作编码。化后的离散量用相应的二进制码表示，称作编码。 量化

10、过程中，采样电压不一定能被量化过程中，采样电压不一定能被整除，因此量化后必然整除，因此量化后必然存在误差。这种量化前后的不等（误差）称之为量化误差，用存在误差。这种量化前后的不等（误差）称之为量化误差，用表表示。量化误差是原理性误差，只能用较多的二进制位缩小量化误示。量化误差是原理性误差，只能用较多的二进制位缩小量化误差。量化级分得越多（差。量化级分得越多（n越大），量化误差就越小。越大），量化误差就越小。 2. 量化和编码量化和编码 10.3.2 A/D转换器工作原理转换器工作原理 图图10-15 並行比较型並行比较型A/D转换器原理框图转换器原理框图 1并行比较型并行比较型A/D转换器转换

11、器 位寄存器位寄存器2n-1优先编码器优先编码器Q0Q2n-2D1D0Dn-1Q1Q2n-3C+-vI(2n-1)-/23/2/2CP比较器比较器10.3.2 A/D转换器工作原理转换器工作原理 图图10-16 逐次比较型逐次比较型A/D转换器原理框图转换器原理框图 2. 反馈比较型反馈比较型A/D转换器转换器 D/A转换器转换器寄存器寄存器控制逻辑控制逻辑Dn-1D0D1Dn-2vAvICPvL+vCC + -比较器比较器10.3.2 A/D转换器工作原理转换器工作原理 图图10-17 计数比较型计数比较型A/D转换器原理框图转换器原理框图 2. 反馈比较型反馈比较型A/D转换器转换器 CP

12、D/A转换器转换器计数器计数器Dn-1D0D1Dn-2vAvIvL+vCC+-比较器比较器10.3.2 A/D转换器工作原理转换器工作原理 对输入模拟电压对输入模拟电压uI和基准电压和基准电压 -UREF分别进行积分，将输入电压分别进行积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔平均值变换成与之成正比的时间间隔T2，然后在这个时间间隔里对，然后在这个时间间隔里对固定频率的时钟脉冲计数，计数结果固定频率的时钟脉冲计数，计数结果N就是正比于输入模拟信号的就是正比于输入模拟信号的数字量信号。数字量信号。基于双积分型基于双积分型A/D转换方式有以下两个优点：转换方式有以下两个优点：（1）抗干扰能力

13、强。）抗干扰能力强。（2）具有良好的稳定性，可实现高精度转换。）具有良好的稳定性，可实现高精度转换。 3. 双积分型双积分型A/D转换器转换器 10.3.3 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2转换误差转换误差 3转换时间转换时间 10.3.4 典型集成典型集成A/D转换器及应用转换器及应用 基本原则：基本原则：（1）根据检测通道的总误差和分辨率要求，选取）根据检测通道的总误差和分辨率要求，选取A/D转换精度和转换精度和分辨率。分辨率。（2）根据被测信号的变化率及转换精度要求确定）根据被测信号的变化率及转换精度要求确定A/D转换器的转转换器的转换速率。换速率。（3）

14、根据环境条件选择）根据环境条件选择A/D芯片的环境参数。芯片的环境参数。（4）根据接口设计是否简便及价格等选取）根据接口设计是否简便及价格等选取A/D芯片。芯片。 1. ADC0809的应用的应用 图图10-18 ADC0809原理框图原理框图Start CLK控制与时序控制与时序EOC八八路路模模拟拟开开关关SAR开关树开关树 256R电阻网络电阻网络三态三态缓冲缓冲输出输出 电电 源源地址锁存地址锁存与译码与译码D0：D7OE VCC GNDIN0：IN7A0A1A2ALE Vref+Vref-比较器比较器1. ADC0809的应用的应用 选通模拟通道选通模拟通道IN0IN1IN2IN3I

15、N4IN5IN6IN7地地址址A200001111A100110011A001010101表表10-1 地址输入与模拟输入通道的选通关系地址输入与模拟输入通道的选通关系 图图10-19 ADC0809工作时序工作时序地址锁存 ALE地址时钟 CLK启动 START1/f tawstWALE稳定tStH稳定比较器内部输入模拟输入1/2LSB tD输出允许 OE变换结束 EOCtEOCtC输出 D7D0高阻态.A2A1A0 数据1. ADC0809的应用的应用 图图10-20 ADC0809典型应用电路典型应用电路 10.3.4 典型集成典型集成A/D转换器及应用转换器及应用 1. ADC0809

16、的应用的应用 【例【例10-2】ADC0809的输入模拟电压满量程为的输入模拟电压满量程为5V，当输入电压，当输入电压为为1.96V时，求对应的输出数字量？时，求对应的输出数字量？解：解：输入模拟电压与输出数字量对应的十进制数成正比：输入模拟电压与输出数字量对应的十进制数成正比： 10iVK D101051.96(11111111)( )D10( )100D故输出数字量故输出数字量D01100100。 因此因此,10.3.4 典型集成典型集成A/D转换器及应用转换器及应用 2. 串行串行A/D转换器转换器 图图10-21串行串行A/D转换器转换器MAXl87/189引脚图引脚图 第一步，启动第

17、一步，启动A/D转换，转换，等待转换结束。等待转换结束。第二步，串行读出转换结第二步，串行读出转换结果。果。 10.4 简易正弦信号发生器设计简易正弦信号发生器设计 10.4.1 工作原理工作原理 图图10-22 正弦信号发生器结构框图正弦信号发生器结构框图 10.4.2 定制定制ROM的初始化波形数据文件的初始化波形数据文件 图图10-23 设定初始化文件格式设定初始化文件格式 图图10-24 mif数据表格数据表格 10.4 简易正弦信号发生器设计简易正弦信号发生器设计 10.4.2 定制定制ROM的初始化波形数据文件的初始化波形数据文件 【例【例10-3 】romd.mif文件文件WID

18、TH = 8;DEPTH = 64;ADDRESS_RADIX = HEX;DATA_RADIX = HEX;CONTENT BEGIN0 : FF;1 : FE;2 : FC;3 : F9;4 : F5;（数据略去）（数据略去）3D : FC;3E : FE;3F : FF;END; 10.4.3 定制定制LPM元件元件 图图10-25 简易正弦信号发生器顶层电路设计简易正弦信号发生器顶层电路设计 10.4.4 完成顶层设计完成顶层设计 图图10-26 当前工程仿真波形输出当前工程仿真波形输出 10.4.4 完成顶层设计完成顶层设计 图图10-27利用利用In-System Memory C

19、ontent Editor读取读取LPM_ROM中数据中数据 10.5 A/D采样控制状态机电路设计采样控制状态机电路设计 10.5.1 控制原理控制原理 图图10-28 ADC0809采样控制状态图采样控制状态图 ST0ST1ST2ST3ST4ST5ALE=01EOC=1EOC=0ST6ST7START=01OE=1LOCK=0OE=0LOCK=1OE=0LOCK=010.5.2 ADC采样控制电路设计采样控制电路设计 图图10-29 ADC0809采样控制电路采样控制电路 10.5.3 状态译码器设计状态译码器设计 图图10-30 状态译码器状态译码器ADCINT描述描述 10.5.4 时

20、序仿真与时序分析时序仿真与时序分析 图图10-31 ADC0809采样状态机工作时序采样状态机工作时序 10.5.5 硬件实现与硬件实测硬件实现与硬件实测 最后锁定引脚，编译后下载于最后锁定引脚，编译后下载于FPGA中后，可以在实验系统上中后，可以在实验系统上（参考附录（参考附录1）硬件验证此项设计的准确性。在实验中可以将）硬件验证此项设计的准确性。在实验中可以将74374的输出用实验系统上的数码管显示，输入的模拟电压可以的输出用实验系统上的数码管显示，输入的模拟电压可以用实验系统上的电位器产生。如果一切准确，旋转电位器时，可以用实验系统上的电位器产生。如果一切准确，旋转电位器时，可以看到数码

21、管的数值变化。由于电位器的电压变化范围是看到数码管的数值变化。由于电位器的电压变化范围是05V，数，数码管显示的对应的数据应该是码管显示的对应的数据应该是00FF 。 实实 验验 10-1简易正弦信号发生器设计简易正弦信号发生器设计（1）按照）按照10.4节的流程，设计一个正弦信号发生器。要求节的流程，设计一个正弦信号发生器。要求ROM是是8位数据位数据线，线，8位地址线。位地址线。256个个8位波形数据的位波形数据的mif文件通过两种方式建立，一种用文件通过两种方式建立，一种用QuartusII的专用编辑器建立，另一种参考附录的专用编辑器建立，另一种参考附录1建立。首先创建工程、调建立。首先

22、创建工程、调用用LPM_ROM等模块、在原理图编辑窗中绘制电路图、全程编译、对设计进等模块、在原理图编辑窗中绘制电路图、全程编译、对设计进行时序仿真、根据仿真波形说明此电路的功能、引脚锁定编译、编程下载于行时序仿真、根据仿真波形说明此电路的功能、引脚锁定编译、编程下载于FPGA中，用实验系统上的中，用实验系统上的DAC0832作波形输出，用示波器来观察波形。作波形输出，用示波器来观察波形。完成实验报告。完成实验报告。（2）学习使用）学习使用QuartusII的的In-System Memory Content Editor来来观察观察FPGA中中LPM_ROM中的波形数据，并在在线改变数据后，

23、从示波器上中的波形数据，并在在线改变数据后，从示波器上观察对应的输出波形。观察对应的输出波形。（30学习使用学习使用QuartusII的的SignalTapII观察观察FPGA输出的正弦波形。输出的正弦波形。 实实 验验 10-28通道逻辑分析仪示波器显示控制电路设计通道逻辑分析仪示波器显示控制电路设计 根据第根据第9章的实验章的实验9-2，和实验，和实验10-1，为此，为此8通道逻辑分析仪设计一个显通道逻辑分析仪设计一个显示控制电路。示控制电路。 首先根据实验首先根据实验10-1，设计一个锯齿波信号发生器。此发生器不需要，设计一个锯齿波信号发生器。此发生器不需要LPM_ROM，只要一个，只要

24、一个8位计数器（计数时钟频率约位计数器（计数时钟频率约60KHz）即可，让此计）即可，让此计数器的输出直接接数器的输出直接接DAC0832，即可产生周期性锯齿波。选择示波器，即可产生周期性锯齿波。选择示波器X-Y功功能，让输出的锯齿波接示波器的能，让输出的锯齿波接示波器的X端，控制横向扫描。端，控制横向扫描。 同时，用产生锯齿波的同一时钟同步控制图同时，用产生锯齿波的同一时钟同步控制图9-28逻辑分析仪电路中逻辑分析仪电路中RAM0的时钟的时钟inclock；另增加一个；另增加一个8选选1多路选择器对多路选择器对RAM0的的8位输出进位输出进行选择。多路选择器的输出随行选择。多路选择器的输出随

25、8路选择，每一次为输出有一个阶梯增量（作一路选择，每一次为输出有一个阶梯增量（作一个译码器类加法器），然后把输出接示波器的个译码器类加法器），然后把输出接示波器的Y端，控制纵向幅度。端，控制纵向幅度。 这样一来，就可以将采样获得的这样一来，就可以将采样获得的8路脉冲波形数据同时显示在示波器上。路脉冲波形数据同时显示在示波器上。使示波器类似于一个使示波器类似于一个8踪示波器，同时展示踪示波器，同时展示8路采样所得的脉冲波形。最后完路采样所得的脉冲波形。最后完成实验报告。成实验报告。 实实 验验 10-3A/D采样控制电路设计采样控制电路设计 （1）按照）按照10.5节的流程，设计一个控制节的流程

26、，设计一个控制A/D采样的状态机。首先创建采样的状态机。首先创建工程、在原理图编辑窗中绘制电路图、全程编译、对设计进行时序仿真、根工程、在原理图编辑窗中绘制电路图、全程编译、对设计进行时序仿真、根据仿真波形说明此电路的功能、引脚锁定编译、编程下载于据仿真波形说明此电路的功能、引脚锁定编译、编程下载于FPGA中，用实验中，用实验系统上的系统上的FPGA和和ADC0908完成实验，待测模拟信号来自电位器，采样所完成实验，待测模拟信号来自电位器，采样所得的两位得的两位16进制数据可以用数码管显示。最后完成实验报告。进制数据可以用数码管显示。最后完成实验报告。 （2）用）用LPM_RAM取代取代74244，进行连续采样，然后利用实验，进行连续采样，然后利用实验10-2的原理将采样所得的模拟信号波形显示在示波器上。的原理将采样所得的模拟信号波形显示在示波器上。 实实 验验 10-4采样保持器实验采样保持器实验按照图按照图10-14进行电路连接。进行电路连接。VI输入连续的模拟信号，输入连续的模拟信号，VL接接TTL电平的采电平的采样脉冲，样脉冲，CH是外接的保持电容。根据香农采样定理，采样脉冲的频率应是外接的保持电容。根据香农采样定理，采样脉冲的频率应fmax，才能不失真的恢复被测信号。用示波器观察采样保持器的输出信号，才能不失真的恢复被测信号。用示波器观察采样保持器的输出