M5数字电子技术基础课件第二章数据转换和数据总线

1、2.1 2.1 数据转换数据转换2.1.12.1.1模拟量与数字量的含义模拟量与数字量的含义定义：定义：模拟量：连续的物理量，如：电压、电流、转角、长度模拟量：连续的物理量，如：电压、电流、转角、长度变量等。变量等。数字量：离散的、不连续的量，它可以用有限的数位来数字量：离散的、不连续的量，它可以用有限的数位来表示一个连续变化的物理量。表示一个连续变化的物理量。通常每一个数位可用电位的高低或脉冲的有无来表示，通常每一个数位可用电位的高低或脉冲的有无来表示，即数字电路中的即数字电路中的“1”1”或或“0”0”。 2.1.2 D/A2.1.2 D/A转换器转换器1. D/A1. D/A转换基本原理

2、和类型转换基本原理和类型 1) D/A1) D/A转换的基本原理转换的基本原理 D/AD/A转换器（转换器（DACDAC）就是一种将离散的数字量转）就是一种将离散的数字量转换为连续变化的模拟量的电路。换为连续变化的模拟量的电路。D D0 0D Dn-1n-1为输入的为输入的n n位二进制数字量位二进制数字量u uO O为输出模拟量为输出模拟量V VREFREF为实现转换所需的参考电压（又称基准电为实现转换所需的参考电压（又称基准电压）。压）。 三者应满足下列关系式：三者应满足下列关系式：其中其中“X”X”为二进制数字量为二进制数字量所代表的十进制数（或称所代表的十进制数（或称为比例系数）。为比

3、例系数）。 因此因此nREFO2VXu)22.22(200112211REFODDDDVunnnnn分辨率分辨率 = U= U输出输出/2/2n n即电路所能分辨出的最小电压。即电路所能分辨出的最小电压。转换精度转换精度 = 1/ 2= 1/ 2n n -1 -1如下表所示如下表所示：结论：结论：二进制数的位数越多，转换误差越小二进制数的位数越多，转换误差越小例如：例如：四位二进制数由四位二进制数由0-4V0-4V模拟信号输出，则模拟信号输出，则它的分辨率是多少？若转换精度要求为它的分辨率是多少？若转换精度要求为0.5%0.5%，需要选用多少位的，需要选用多少位的DAC?DAC?1.1.分辨率

4、分辨率 = 4/2= 4/24 4 = 0.25V= 0.25V2.2.转换精度转换精度=0.5% 1/2=0.5% 1/2n n 0.5% 0.5% n = 8n = 8位位3.3.线性度线性度4.4.输出建立时间输出建立时间5.5.电源抑制比电源抑制比6.6.温度系数温度系数A/D A/D 转换器转换器ADCADC的作用是将模拟量转换为数字量（二进制数的作用是将模拟量转换为数字量（二进制数据量）并输出。据量）并输出。A/DA/D转换原理：转换原理：1.1.取样：取样：就是将一个就是将一个时间时间上连续变化的模拟量转换为上连续变化的模拟量转换为时时间上离散的、幅度上连续变化间上离散的、幅度上

5、连续变化的模拟量。的模拟量。UI(t)为输入为输入的模拟信号的模拟信号波形图波形图取样后的取样后的脉冲信号脉冲信号 2.2.保保 持持：为了保证获得一个稳定的取样值，以便于进行为了保证获得一个稳定的取样值，以便于进行A/DA/D转换过程中的其他工作，故要求取样后得到转换过程中的其他工作，故要求取样后得到的模拟信号要保持一段时间，直到下一个取样的模拟信号要保持一段时间，直到下一个取样脉冲的到来。脉冲的到来。由此得来的是由此得来的是一个阶梯脉冲信号一个阶梯脉冲信号，而不是，而不是一串一串脉冲脉冲。3.3.量化：量化：采用后所保持的电压值不是连续的，不一定是采用后所保持的电压值不是连续的，不一定是整

6、数，有可能是无理数，计算机只能处理整数，整数，有可能是无理数，计算机只能处理整数，因此必须将这些数值化为某个最小单位的整数因此必须将这些数值化为某个最小单位的整数倍，即采样后的量化。倍，即采样后的量化。4.4.编码：编码：量化后用二进制数表示此整数的过程即量化后用二进制数表示此整数的过程即为编码。为编码。A/D A/D 转换器的主要指标转换器的主要指标1.1.分解度（分辨率）分解度（分辨率）ADCADC输出的二进制码位数越多，量化阶梯越小，输出的二进制码位数越多，量化阶梯越小，量化误差越小，转换精度越高，分解度越好。量化误差越小，转换精度越高，分解度越好。分解度（分辨率）分解度（分辨率）= U

7、= U输入输入/2/2n n例如：例如：输入模拟电压满量程为输入模拟电压满量程为5V5V、8 8位位ADCADC可分辨的最可分辨的最小模拟电压为：小模拟电压为：5/25/28 8=19.53mV=19.53mV的的ADCADC分辨同样的电压，则分解度为分辨同样的电压，则分解度为5/25/21010=4.88mV=4.88mV2.2.转换速度转换速度完成一次完成一次A/DA/D转换操作需要的时间。转换操作需要的时间。不同类型不同类型ADCADC，转换速度相差较大。，转换速度相差较大。并联比较型并联比较型ADCADC转换速度最快；转换速度最快；逐次逼近型逐次逼近型次之；次之；间接型（双积分型）间接

8、型（双积分型）ADCADC转换速度较慢。转换速度较慢。3.3.温度系数温度系数4.4.量化误差：提高分解度，可降低量化误差。量化误差：提高分解度，可降低量化误差。5.5.输入模拟电压范围输入模拟电压范围6.6.电源抑制电源抑制2.2 2.2 光纤技术光纤技术1.1.定义：定义：有线传输系统有线传输系统：用导线传输时，传输线上的频率可以用信号源的频率。这种信息传输系统称为有线传输系统无线传输系统无线传输系统：在无线电传输时，信号在发射机中进行调制后，频率转换到能用天线向空间发射的频段内；而接收机将从空间接收到的信息再还原到信号源的频率。这种信息传输系统称为无线传输系统。光纤传输系统光纤传输系统：

9、用光纤传输信息时，必须通过对光源的调制将信息转换到红外线光的频段再进行传输。这种信息传输系统称为光纤传输系统。 无论采用哪种传输方式，在信号到达转换器后，都由它将（电信（电信号）号）转换成（声音信号）（声音信号）和（光信号）（光信号）。信息可以用（模拟方式）（模拟方式）传输，也可以用（数字方式）（数字方式）传输。在信息传输技术中，主要要求信息内容应该得到无失真的传输。而信息传输的效率则是次要的，因为能量的损耗可以通过相应的放大进行补偿。传输通路上的所有装置都是传输线路的组成部分。各种传输线路的起始部分都是一个转换器，它把声音信号和光信号转换成电信号注：信息传输时所用的频率必须与传输媒介相配合。

10、注：信息传输时所用的频率必须与传输媒介相配合。在实际中，传输媒介可以是导线和光纤，在无线电传输时，则利用自由空间。2.2.光纤的主要作用：光纤的主要作用：引导光线在光纤内沿直线或弯曲的途径传播。3.3.光纤传输原理：光纤传输原理：它是由两种折射率不同的材料构成的，即折射率较大的芯材料在中心，折射率较小的包层材料在外表。利用全反射和折射原理，使光线在光纤中传播，并且光线不会射到光纤以外。4.4.为了实现长距离的光纤通信，必须较小光纤的衰减。为了实现长距离的光纤通信，必须较小光纤的衰减。要实现大容量的通信，就要求光纤有很宽的带宽。要实现大容量的通信，就要求光纤有很宽的带宽。单模光纤的带宽最宽，是理

11、想的传输介质，但是它的纤芯直径很细，仅几个微米，所以工艺要求极高。要实现光纤通信，需要有适当的光源。要实现光纤通信，需要有适当的光源。光检测器件也有相应的发展。光检测器件也有相应的发展。5.5.光纤数据传输的优点：光纤数据传输的优点：（1）光纤的重量比电缆的重量轻。（2）光纤不受电磁场的干扰。（3）光纤的传输速度块。（4）光纤的信息传输量比较大。 6.6.大气传输光通信的缺点：大气传输光通信的缺点：(1) 气候对通信的影响十分严重，如大雾时，通信几乎中断。（2）由于大气气温的不均匀，使它的密度或折射率不均匀以及大气湍流的影响等，使光线发生漂移和抖动。因此，通信的信噪比变劣，传输不稳定。（3）大

12、气传输通信设备要求设在高处，收发两端直线可见。这种地理条件使大气传输光通信的使用有极大的局限性。 2.2.2光纤通信系统光纤通信系统光纤通信系统是一个以光纤传输线取代传统导线传输线的通信系统。它由A/D转换器、多路转换器、调制器、光源产生器、光源光纤耦合器、光纤、光信号检测器、电子处理器、多路分配器、D/A转换器组成，如下图所示：1.1.光传输的基本原理光传输的基本原理（1 1）光纤）光纤定义：定义：光纤：光纤：一种以导引光为目的，由玻璃或塑料做成的管子称为光纤，它是一种光波波导。光纤可以导引光沿着一个不是直线的路径传播，并且，现代技术可以使光纤对光的衰减率很小。（2 2）折射定律）折射定律定

13、义：定义：全反射：全反射：当入射角大于临界角时，会发现入射光线全部返回到了媒介1，这种现象称之为全反全反射射。物理学中的折射定律：光纤从媒介1入射到媒介2时，光线在两个媒介的交界面处将发生折射现象，如下图（a）所示： 光传输的基本原理实际上就是上述讨论的折射和全反射原理，光光传输的基本原理实际上就是上述讨论的折射和全反射原理，光纤的种类不同，其应用的原理也不同。纤的种类不同，其应用的原理也不同。2.2.光纤的种类与传输原理光纤的种类与传输原理定义：定义：单模式：单模式：把一根光线的传播路径称为单模式。多模式：多模式：在单模式情况下的光纤中，光的传输由很多条光线来完成，并且其路径又不同，其路径又

14、不同，称之为多模式。模式色散：模式色散：在多模式传输时，信号的能量被分散到许多路径上，从而使得数字脉冲信号的形状被拉长，脉冲边缘的棱角变圆，这种现象称之为模式色散，如下图所示： 光纤按照其工作原理分为两种：光纤按照其工作原理分为两种：多模式光纤多模式光纤 单模式光纤单模式光纤在这两种光纤中又都包含（有阶跃型）（有阶跃型）和（渐变型）（渐变型）。光纤的典型结构如下图所示：光纤的典型结构如下图所示： （1 1）多模式阶跃型光纤）多模式阶跃型光纤 如下图所示，r为光纤的半径，纤芯折射率大于包层的折射率，且两者呈阶跃型变化。 多模式阶跃型光纤的典型值： 纤芯直径典型值：100m； 包层外径典型值：20

15、0m； n芯芯n包层；典型值：包层；典型值：n芯芯=1.527=1.527，n包层包层=1.517=1.517； 带宽：（30MHz100MHz）km。从上述光纤的典型值中可以看出，多模式阶跃型光纤的直径比较大，容易实现耦合。这样也使光纤之间、光纤与光源之间以及与光检测器之间都能较好的耦合，从而使能量可以更有效地传输。它一般用于窄带传输系统和近距离通信中，例如用在飞机和轮船上。（2 2）多模式渐变型光纤）多模式渐变型光纤为了改变多模式阶跃型光纤模式色散比较大的缺点，可以对纤芯的折射率进行重新设置。其其纤芯折射率的特点为：纤芯折射率大于包层折纤芯折射率的特点为：纤芯折射率大于包层折射率，并且使纤

16、芯折射率按照射率，并且使纤芯折射率按照“抛物线抛物线”的规的规律变化，律变化，如下图所示：由于纤芯折射率是按抛物线的规律变化的，即：n芯芯1 1n芯芯2 2n芯芯3 3. 所以，在光线射入到不同折射率的纤芯时，光线逐层发生折射，如下图所示：如果纤芯的分层足够薄，就形成了多模式渐变多模式渐变型光纤的折射率分布及光线传播路径图示型光纤的折射率分布及光线传播路径图示中所显示的传播路径。入射角不同的光线经过不同的折射层形成了像“波”一样的传输路径，各路径在纤芯的中心轴上产生交点，如果从交点处取出信号，那么模式色散将大大减小，从而使输出信号的失真得到改善，如下图所示：多模式渐变型光纤的典型值： 纤芯直径

17、的典型值：50m； 包层外径的典型值：125m； n芯n包层；典型值：n芯=1.562，n包层=1.54； 带宽：（500MHz1000MHz）km。这种光纤用于带宽传输系统中，如闭路电视、海底光缆等长距离的通信系统中。（3 3）单模式阶跃型光纤）单模式阶跃型光纤这种光纤的唯一特点是：其纤芯的直径略大于3倍的光波波长。此时只有一种传输模式沿光纤的轴向传输，从而消除了模式色散引起的信号变形，如下图所示： 单模式阶跃型光纤典型值为： 纤芯直径的典型值：5m（2-10m）； 包层外径的典型值：10m； n芯n包层；典型值：n芯max=1.471，n包层=1.457； 带宽：（10GHz50GHz）k

18、m。群速色散（群速色散（GVDGVD）：）：单模式光纤中不存在模式色散，在实际传输中，由于光源发射到光纤里的光脉冲能量中包含有许多不同频率成分，这些脉冲中包含的不同频率分量将以不同的群速度传输，因此在传输过程中，必将出现脉冲展宽的现象，这一现象称之为群速色散（群速色散（GVDGVD）。）。产生群速色散的原因：材料色散和波导色散引起的。产生群速色散的原因：材料色散和波导色散引起的。 3.3.光源光源光源采用红外线发光二极管（IRED）和半导体激光器（ILD），其光源的特性曲线如下图所示：从上图的曲线中可以看出： 光源的辐射功率取决于注入电流强度的大小； GaAlAs半导体激光器具有阈值电流，而红

19、外线发光二极管（IRED）没有，但辐射功率小于半导体激光器； GaAlAs半导体激光器辐射成束的射线，因此它的耦合损耗比IRED小。（1）红外线发光二极管（IRED）定义： 面发射型面发射型IREDIRED：大部分光从IRED的上表面辐射到光纤中，所以IRED被称为“面发射型”IRED。光纤中使用的红外线发光二极管（IRED）与显示用的LED有所不同，因为它要发出一定波长的光，选用材料一般为GaAslnP。因为这四种元素混合在一起，其辐射光的波长为1.3m，而光纤对这一波长上的光损耗几乎为零。此外，IRED的外形也比较特别，它必须适合于向光纤发射光能量，如下图所示：面发射型面发射型IREDIR

20、ED一般作为低速、短距离光波传输系统的光源。一般作为低速、短距离光波传输系统的光源。（2 2）注入型激光二极管）注入型激光二极管定义：定义：光学谐振腔：光学谐振腔：能使一定波长的光产生驻波的空间称之为光学谐振腔。激光二极管简称为半导体激光器（激光二极管简称为半导体激光器（ILDILD），它与），它与LEDLED不同，它是通不同，它是通过受激辐射发光。过受激辐射发光。激光二极管是一种阈值器件。激光二极管是一种阈值器件。激光二极管是一种具有光学谐振腔的发光二极管。激光二极管是一种具有光学谐振腔的发光二极管。 光学谐振腔可以理解为一个空间，利用腔的两端对光的反射作用，把光提供到谐振腔中；在谐振腔中，

21、两个反射端之间的尺寸与光源产生的光波长之间存在着精确的关系。这一关系可以使腔中的一些光线在腔两端之间来回反射产生驻波。驻波。光学谐振腔的实际意义：光学谐振腔的实际意义：在一定条件下，利用这一反馈（光在腔两端之间的反射与叠加）就可以产生光的振荡。光的振荡使原始光源的光能量显著增强，并且上述光振荡产生的光是相干光。相干光。 “相干相干”的含义：的含义：同相位、同频率的波进行叠加，其结果使半导体激光器产生了极窄且又很强的光束，这就是激光。激光二极管可以作为许多光纤通信系统主干线激光二极管可以作为许多光纤通信系统主干线上的光源，它产生的光辐射量高于上的光源，它产生的光辐射量高于LEDLED，光输出，光

22、输出功率为功率为mWmW级，而级，而LEDLED只有几百只有几百W。此外，ILD的固有尺寸可以与光纤进行紧密配合，这样就减小了材料的色散。激光二极管适合用作单模式光纤传输线的光源。激光二极管适合用作单模式光纤传输线的光源。 4.4.光源的调制光源的调制“载波”是运载所要传输“信息”的工具。（1 1）调制：）调制：载波的某个量必须随信息信号的变化而变化，这就是调制调制。在调制之后，信息信号既包含在载波中，也包含在产生的新的频率分量中。（2 2）光波也可以作为载波。它也可以被调制。）光波也可以作为载波。它也可以被调制。光波运载的信息量比任何已知的无线电载波所运载的信息量都大。（3 3）光波的调制过

23、程：）光波的调制过程： 模拟调制模拟调制大量的光波由（IREDIRED）和（ILDILD）产生，当它们被正向偏置时，将有电流流动。因此，光源也可以被模拟信号调制，如下图所示：当输入端模拟信号变化时，晶体管T组成的放大器中的集电极电流将会随之变化，因此流过IRED或ILD的电流也发生变化，电流变化又引起光强度的变化，然后通过光纤传输这一强度变化的光信号。这种调制相当于RF载波的幅度调制。对于光源调制来说，也称之为直接强度调直接强度调制制。模拟调制的发展是有限的。模拟调制的发展是有限的。 数字调制数字调制光纤系统的潜能在于将信息以数字信号发射，这样能 提供高密度的通信。用光缆作为传输线的数字通信系

24、统功能强大。光源发射机可以提供大量的分时多路数字化模拟信号和数字数据信号，这些信号对光源进行数字调制，这一过程也称之为数字强度调制数字强度调制。数字调制就像数字调制就像RFRF系统中的移幅键控（系统中的移幅键控（ASKASK）。）。光源的“亮”和“灭”由频率很高的两个电平控制。这一开关频率可以达到GHz范围。这种调制要采用合适的数字码，如下图所示： 上图中：图（a）是数字调制的一般框图，图（b）是TTL兼容驱动电路。 预偏置：预偏置：激光光源需要偏置电流，这一电流称为“预偏置”。预偏置预偏置是激光器在“关断”条件下的偏流。加“预偏置”可以使激光器减少接通延迟。另外，激光器还必须进行（老化补偿）

25、（老化补偿）和（温度补（温度补偿）偿）。5.5.光检测器光检测器（光接收机）（光接收机）是光纤通信系统中的重要组成部分。光接收机的作用：光接收机的作用：将光信号转回电信号，恢复光载波所携带的信息信号。光检测器对已调制的光信号进行解调，并将光信号转光检测器对已调制的光信号进行解调，并将光信号转换为电信号。换为电信号。光检测器使用的器件一般为（PINPIN光电二极管）光电二极管）和（雪（雪崩光电二极管（崩光电二极管（APDAPD）。）。下图所示为光接收机的方框图：下图所示为光接收机的方框图： 光检测器的物理基础光检测器的物理基础光电检测过程的基本机制是（光吸收）（光吸收）。光检测器有两种类型：（光

26、电导检测器）（光电导检测器）和（光电压检（光电压检测器）。测器）。（2 2）PINPIN二极管二极管PIN二极管就是在PN结中间插入本征半导体，使中间层材料具有本征高阻抗的性质。其结构如下图所示： 这样，可以使大部分电压降落于高阻区，形成一个高电场区，从而可以使电子空穴对加速运动。增加耗尽层的宽度可以减小扩散电流分量，从而增加光照射后所产生的（光电流强度）（光电流强度）和（响应速度）（响应速度）。本征区的宽度一般在20-50m之间，它广泛应用于1.31.5m的光接收机中。下图所示的电场分布情况可以看出，I区的电场强度最强。 （3 3）雪崩二极管（）雪崩二极管（APDAPD） 雪崩二极管的设计结

27、构能承受很高的反向偏压，在PN结内部形成一个极高的电场区。 雪崩倍增效应雪崩倍增效应：由入射光产生的电子空穴对在经过高电场区时，不断被加速而获得很高的能量，这些高能量的电子和空穴在运动过程中与价带中的受束缚的电子相碰撞，从而使晶格中的原子发生碰撞电离，产生二次电子空穴对。如此重复下去，使载流子和反向电流迅速增大，这个物理过程称之为雪崩倍增效应，雪崩倍增效应，它使一次光电流增加。 APDAPD和和PINPIN光电二极管的主要不同表现在增加光电二极管的主要不同表现在增加了一个附加层，以实现碰撞电离产生的二次电了一个附加层，以实现碰撞电离产生的二次电子子空穴对。空穴对。在反偏时，夹在I层和N层之间的

28、P层中存在着高电场，该层称为倍增区倍增区或增益区增益区，耗尽层仍为I层，它起着产生一次电子空穴对的作用，如下图所示： （3 3）光检测器电路）光检测器电路无论什么类型的光电二极管，当它加上反向电压之后，在光子的撞击下都会产生光电流，并且光电流强度与光子的强度成正比。在一个简单电路中，用一个合适的串联电阻可以将光电流转换成电压。如下图所示： 光纤传输系统的应用之一就是完成长距离通信，同时由于光纤系统带宽容量大，因而可以传送更多的信息。2.4.3 2.4.3 光纤在飞机上的应用光纤在飞机上的应用光纤在航线可更换组件（LRU）之间传输数字数据，如下图所示： 1.1.光纤光纤(1) (1) 光纤的优点：光纤的优点： 适应能力强应能力强光纤不会受电磁场的干涉影响，所以光纤提供了比铜线更清晰的信号，光纤也不会受到发动机转动或电源故障的影响； 中继距离长中继距离长光纤中的信号衰减较小，在长的线路上每30km才需要一个中继器，而铜线每5km就需要一个中继器，这使得光纤可以节约