南昌大学数字电路及逻辑设计课件第10章

第10章

D/A与A/D转换器及其应用

10.1概述

传感器生产过程A/D转换器计算机D/A转换器驱动器各种物理量电信号模拟量数字信号数字信号模拟信号模拟物理量图10-1计算机检测与控制系统示意图10.2D/A转换器

10.2.1D/A转换原理与结构

1.DAC转换器的基本原理(10-1)(10-2)10.2.1D/A转换原理与结构

2.DAC转换器的组成

模拟量输出基准电压n位数字量输入输入寄存器n位电子开关解码网络求和电路图10-2DAC转换器的电路结构框图10.2.2二进制权电阻网络D/A转换器

1.电路结构

图10-3二进制权电阻网络D/A转换器

R2R4R8RVREFII0I1I2I3S0S1S2S3AiFRFi∑VOd0d1d2d32．工作原理（10-3）

RF＝R/2（10-4）

0～

10.2.2二进制权电阻网络D/A转换器

10.2.3倒T型电阻网络D/A转换器

1．电路结构

2R2R2R2RVREFAI3I2I1I0S0S1S2S3AiFRFi∑VOd3d2d1d0RRR2RI3’I2’I1’I0’BCDIREF图10-4R-2R倒T形电阻网络D/A转换器2.工作原理（10-5）

RF＝R（10-6）

10.2.3倒T型电阻网络D/A转换器

【例10-1】4位R-2R倒T形电阻网络DAC如图10-4所示，设基准电压VREF=-8V，RF=R，试求其最大输出电压值。解：将d3d2d1d0=1111代入式（10-6）得

故其最大输出电压值为7.5V。10.2.4DAC转换器的主要技术参数

1．分辨率

（10-7）3．转换速度2．转换精度

VLSB/24.非线性误差5.温度系数10.2.5DAC专用器件及应用举例

1.AD7520基本结构与性能参数图10-5AD7520内部逻辑结构图图10-6AD7520外引脚图

10.2.5DAC专用器件及应用举例

2.AD7520应用举例

图10-7AD7520组成的锯齿波发生器图10-8输出的锯齿波波形10.2.5DAC专用器件及应用举例

3.串行DAC转换器TLC561512348765DINSCLK/CSDOUTVCCOUTREFINAGND图10-9串行D/A转换器TLC561510.2.6DAC0832及其应用

图10-10DAC0832的逻辑符号和引脚图

(a)逻辑符号(b)引脚图

10.2.6DAC0832及其应用

图10-11DAC0832的典型应用电路10.3A/D转换器

10.3.1A/D工作原理

图10-12采样过程操作示意图

1．采样--保持x(t)y(t)s(t)x(t)s(t)y(t)00t输入模拟信号t取样脉冲t取样信号采样开关10.3.1A/D工作原理

图10-13采样--保持电路(a)，及输出波形(b)

1．采样--保持10.3.1A/D工作原理

图10-14集成取样-保持器LE198的电路原理图(a)及符号(b)1．采样--保持10.3.1A/D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1，其它位为0时所对应的模拟量，即1LSB。数字信号最低有效位中的1表示的数量大小，就等于Δ。把量化后的离散量用相应的二进制码表示，称作编码。量化过程中，采样电压不一定能被△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ε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差。量化级分得越多（n越大），量化误差就越小。

2.量化和编码

10.3.2A/D转换器工作原理

图10-15並行比较型A/D转换器原理框图

1．并行比较型A/D转换器位寄存器2n-1优先编码器Q0Q2n-2D1D0Dn-1Q1Q2n-3C+++---vI(2n-1)△-△/23△/2△/2CP比较器10.3.2A/D转换器工作原理

图10-16逐次比较型A/D转换器原理框图2.反馈比较型A/D转换器

D/A转换器寄存器控制逻辑Dn-1D0D1Dn-2………vAvICPvL+vCC+-比较器10.3.2A/D转换器工作原理

图10-17计数比较型A/D转换器原理框图

2.反馈比较型A/D转换器

CPD/A转换器计数器Dn-1D0D1Dn-2……vAvIvL+vCC+-比较器10.3.2A/D转换器工作原理

对输入模拟电压uI和基准电压-UREF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T2，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N就是正比于输入模拟信号的数字量信号。基于双积分型A/D转换方式有以下两个优点：（1）抗干扰能力强。（2）具有良好的稳定性，可实现高精度转换。3.双积分型A/D转换器

10.3.3A/D转换器的主要技术参数

1．分辨率2．转换误差

3．转换时间

10.3.4典型集成A/D转换器及应用

基本原则：（1）根据检测通道的总误差和分辨率要求，选取A/D转换精度和分辨率。（2）根据被测信号的变化率及转换精度要求确定A/D转换器的转换速率。（3）根据环境条件选择A/D芯片的环境参数。（4）根据接口设计是否简便及价格等选取A/D芯片。

1.ADC0809的应用图10-18ADC0809原理框图StartCLK控制与时序EOC八路模拟开关SAR开关树256R电阻网络三态缓冲输出电源地址锁存与译码D0：：：D7OEVCCGNDIN0：：：IN7A0A1A2ALEVref+Vref-比较器1.ADC0809的应用选通模拟通道IN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7地址A200001111A100110011A001010101表10-1地址输入与模拟输入通道的选通关系图10-19ADC0809工作时序地址锁存ALE地址时钟CLK启动START1/ftawstWALE稳定tStH稳定比较器内部输入模拟输入1/2LSBtD输出允许OE变换结束EOCtEOCtC输出D7~D0高阻态…….…….…….…….…….…….…….…….…….…….A2A1A0数据1.ADC0809的应用图10-20ADC0809典型应用电路

10.3.4典型集成A/D转换器及应用

1.ADC0809的应用【例10-2】ADC0809的输入模拟电压满量程为5V，当输入电压为1.96V时，求对应的输出数字量？解：输入模拟电压与输出数字量对应的十进制数成正比：故输出数字量D＝01100100。

因此,10.3.4典型集成A/D转换器及应用

2.串行A/D转换器

图10-21串行A/D转换器MAXl87/189引脚图第一步，启动A/D转换，等待转换结束。第二步，串行读出转换结果。10.4简易正弦信号发生器设计

10.4.1工作原理

图10-22正弦信号发生器结构框图

10.4.2定制ROM的初始化波形数据文件

图10-23设定初始化文件格式图10-24mif数据表格

10.4简易正弦信号发生器设计

10.4.2定制ROM的初始化波形数据文件

【例10-3】romd.mif文件WIDTH=8;DEPTH=64;ADDRESS_RADIX=HEX;DATA_RADIX=HEX;CONTENTBEGIN0:FF;1:FE;2:FC;3:F9;4:F5;…（数据略去）3D:FC;3E:FE;3F:FF;END;

10.4.3定制LPM元件

图10-25简易正弦信号发生器顶层电路设计10.4.4完成顶层设计

图10-26当前工程仿真波形输出

10.4.4完成顶层设计

图10-27利用In-SystemMemoryContentEditor读取LPM_ROM中数据10.5A/D采样控制状态机电路设计

10.5.1控制原理

图10-28ADC0809采样控制状态图

ST0ST1ST2ST3ST4ST5ALE=0→1EOC=1EOC=0ST6ST7START=0→1OE=1LOCK=0OE=0LOCK=1OE=0LOCK=010.5.2ADC采样控制电路设计

图10-29ADC0809采样控制电路

10.5.3状态译码器设计

图10-30状态译码器ADCINT描述

10.5.4时序仿真与时序分析

图10-31ADC0809采样状态机工作时序

10.5.5硬件实现与硬件实测

最后锁定引脚，编译后下载于FPGA中后，可以在实验系统上（参考附录1）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，可以看到数码管的数值变化。由于电位器的电压变化范围是0—5V，数码管显示的对应的数据应该是00—FF。实验

10-1．简易正弦信号发生器设计（1）按照10.4节的流程，设计一个正弦信号发生器。要求ROM是8位数据线，8位地址线。256个8位波形数据的mif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1建立。首先创建工程、调用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DAC0832作波形输出，用示波器来观察波形。完成实验报告。（2）学习使用QuartusII的In-SystemMemoryContentEditor来观察FPGA中LPM_ROM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。（30学习使用QuartusII的SignalTapII观察FPGA输出的正弦波形。实验

10-2．8通道逻辑分析仪示波器显示控制电路设计根据第9章的实验9-2，和实验10-1，为此8通道逻辑分析仪设计一个显示控制电路。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LPM_ROM，只要一个8位计数器（计数时钟频率约60KHz）即可，让此计数器的输出直接接DAC0832，即可产生周期性锯齿波。选择示波器X-Y功能，让输出的锯齿波接示波器的X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9-28逻辑分析仪电路中RAM0的时钟inclock；另增加一个8选1多路选择器对RAM0的8位输出进行选择。多路选择器的输出随8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Y端，控制纵向幅度。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。使示波器类似于一个8踪示波器，同时展示8路采样所得的脉冲波形。最后完成实验报告。

实验

10-3．A/D采样控制电路设计（1）按照10.5节的流程，设计一个控制A/D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FPGA和ADC0908完成实验，待测模拟信号来自电位器，采样所得的两位16进制数据可以用数码管显示。最后完成实验报告。（2）用LPM_RAM取代74244，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