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数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计9.1 数/模转换器DAC9.2 模/数转换器ADC第1页数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数数/模和模模和模/数转换器数转换器 了解数模和模数转换基本概念；熟悉数模和模数转换器特点；了解惯用数模和模数转换器主要技术指标意义。学习目与要求第2页数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数数/模和模模和模/数转换器数转换器 数/模与模/数是计算机与外部设备主要接口，也是数字测量和数字控制系统主要部件。能将数字量转换成模拟量装置称为数/模转换器，简称A/D转换器；能将模拟量转换为数字量装置称为模/转换器，简称D/A转换器。传感器传感器ADCADC数字计算机数字计算机DACDAC模拟控制模拟控制控制对象控制对象数字信号数字信号模拟信号模拟信号第3页数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数数/模和模模和模/数转换器数转换器9.1 数数/模转换器模转换器DAC 数/模转换器中文字D D代表数字量，A A代表模拟量，转换器用C C表示。当前常见D/A转换器中，有权电阻网络D/A转换器，倒梯形电阻网络D/A转换器等。1.DAC基本概念 组成数字代码每一位都含有一定“权重”。为了将数字量转换成模拟量，就必须将每一位代码按其“权重”转换成对应模拟量，然后再将代表各位模拟量相加，即可得到与该数字量成正比模拟量，这就是组成D/A变换器基本思想。第4页数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数数/模和模模和模/数转换器数转换器(1)DAC转换特征 DAC电路作用是将输入数字量转换成与输入数字量成正比输出模拟量。在转换过程中，将输入二进制数字信号转换成模拟信号，以电压或电流形式输出。数数字字量量输输入入模模拟拟量量输输出出DACDAC组成框图组成框图基准电压 图中数据锁存器用来暂时存放输入数字信号。n位锁存器并行输出分别控制n个模拟开关工作状态。经过模拟开关，将参考电压按权关系加到电阻解码网络。第5页数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数数/模和模模和模/数转换器数转换器 对于有权码，先将每位代码按其权大小转换成对应模拟量，然后相加，即可得到与数字量成正比总模拟量，从而实现数字/模拟转换。当输入数字量是由n位8421BCD码表示数字信号X时，其从高位到最低位权依次为依次为2n-1、2n-2 21、20等，其大小可表示为：DAC电路输出模拟电压u0（或模拟电流i0）为：电流转换系数电压转换系数第6页数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数数/模和模模和模/数转换器数转换器01234567001010011100101110111u0/VD000 当Ru（或Ri）为1、n时，依据上式可得DAC转换特征曲线以下列图所表示：模拟输出理想特征理想特征数字输入DAC转换特征曲线第7页数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数数/模和模模和模/数转换器数转换器(2)DAC主要参数 1）分辨率：用来说明D/A转换器最小输出电压(此时输入数字代码只有最低有效位为1，其余各位都是 0)与最大输出电压(此时输入数字代码全部各位全是 1)之比。一个8位和一个10位两个DAC，其分辨率分别为：从上式可看出：DAC输入数字量位数n越多，电路分辨能分辨能力越高力越高。所以，有时也用输入数字量有效位数来表示分辨率高低。第8页数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数数/模和模模和模/数转换器数转换器 2）绝对精度(或绝对误差)和非线性度 绝对精度绝对精度是指输入端加对应满刻度数字量时，DAC输出实际值与理论值之差。普通绝对误差应低于uLSB/2。在满刻度范围内，偏离理想转换特征最大值称为非线性误差。非线性误差与满刻度值之比称非线性非线性度，惯用百分比表示。3）建立时间 指输入改变后，输出值稳定到距最终输出量uLSB所需时间。建立时间建立时间反应了DAC电路转换速度。除此之外，在选取DAC器件时，还需要考虑其电源电压、输出方式、输出值范围及输入逻辑电平等参数。第9页数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数数/模和模模和模/数转换器数转换器2.集成数/模转换器DA0832 DAC0832是8位电流输出型D/A转换器，在对其输入8位数字量后，经过外接运放，即可取得对应模拟电压。片选信号输入端片选信号输入端CSCSWRWR1 1XFERXFERWRWR2 2U UCCCCILEILEDGNDDGNDI IO1O1AGNDAGNDI IO2O2D D1 1D D0 0D D3 3D D2 2U URRR RF FD D6 6D D7 7D D4 4D D5 5输入锁存允许信号端输入锁存允许信号端输入数据选通信号输入数据选通信号数据传送选通信号数据传送选通信号写信号写信号2基准电源输入端基准电源输入端反馈电阻反馈电阻D为数字量输入端为数字量输入端电流输出端电流输出端1和和2电源电源515V输入端输入端模拟模拟“地地”数字数字“地地”第10页数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数数/模和模模和模/数转换器数转换器9.2 模模/数转换器数转换器ADC 1.模/数转换原理 在模拟量转换为数字量过程中，由于输入模拟量在时间上是连续，而输出数字量是离散，所以进行转换时只能在一系列选定瞬间对输入模拟量采样后再转换为输出数字量。模/数转换器作用就是将输入模拟电压数字化。转换过程普通经过采样、保持、量化和编码四个步骤完成。在实际电路中，这些过程有通常是合并进行，比如，取样和保持，量化和编码往往都是在转换过程中同时实现。第11页数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数数/模和模模和模/数转换器数转换器输入模拟电压uiCP采样保持电路取样展宽信号uiSADC电子开关电子开关S受受CP控制控制 采样过程是经过模拟电子开关 S S实现。模拟电子开关每隔一定时间间隔闭合一次，当一个连续模拟信号经过这个电子开关时，就会转换成若干个离散脉冲信号。.Dn-1D1D0ADC量化编码电路 经过采样脉冲作用，转换成时间上离散、但幅值上仍连续离散模拟信号。量化编码就是先将幅值连续可变采样信号量化成幅值有限离散信号，再将这些离散信号用对应量化电平一组二进制代码表示。N位数字量位数字量输输 出出第12页数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数数/模和模模和模/数转换器数转换器 采样是将时间上、幅值上都连续改变模拟信号，经过采样脉冲作用，转换成时间上离散、但幅值上仍连续离散模拟信号。所以采样又称为波形离散化过程。(1)采样保持电路CPSADCuiu0采样保持电路 CP1 1时，采样开关S接通，ui信号被采样，并送到电容C中暂存。CP0 0时，采样开关S断开，前面采样得到电压信号在电容C上保持，直到下一个CP1 1信号到来，再对新电压信号进行采样。采样定理采样定理：输入模拟信号最高频率分量为fmax，采样信号频率为fs，假如fs2fmax，则能够无失真地复现输入信号。第13页数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数数/模和模模和模/数转换器数转换器ui采样电路采样电路输入信号波形输入信号波形采样电路采样电路离散输出离散输出离散输出离散输出波形波形tu采样采样间隔间隔间隔间隔时间时间采样采样保持保持保持保持时间时间 为确保采样后离散模拟信号能够基本上真实地保留原始模拟信号ui信息，采样信号频率必须最少为原信号中最高频率成份fimax2倍，这是采样电路基本法则，也就是前面我们所说采样定理采样定理。第14页数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数数/模和模模和模/数转换器数转换器 量化量化：数字信号不但在时间上是离散，而且数值大小改变也是不连续。即任何一个数字量大小只能是某个要求最小数量单位整数倍。所以，在进行A/D转换时也必须把采样电压化为这个最小数量单位整数倍，这一转化过程就称为“量化”。两个量化电压之间差值称为量化间隔S，量化电压位数越多，量化等级越细，S数值就越小。显然，量化编码电路作用是先将幅值连续可变采样信号量化成幅值有限离散信号，再将量化后信号用对应该量化电平一组二进制代码表示。量化过程中所取最小数量单位称为量化当量。是数字量最低位为1时所对应模拟量，即ULSB。编码编码：将量化后信号用对应量化电平一组二进制代码来表示过程称为编码。(2)量化编码电路第15页数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数数/模和模模和模/数转换器数转换器将01V模拟电压编码为三位二进制代码。取1/8 V，0 1/8 V 电压以0表示，则模拟电压0V1/8 V2/8 V3/8 V4/8 V5/8 V6/8 V7/8 V1V二进制编码000001010011100101110111代码对应模拟离散电平0 0V 1 1/8 V122/8 V3 3/8 V44/8 V55/8 V66/8 V77/8 V可见，量化误差最大达可见，量化误差最大达=1/8 V1/8 V。第16页数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数数/模和模模和模/数转换器数转换器分辨率分辨率 通惯用ADC输出二进制位数来表示。位数越多，误差越小，转换精度越高。指ADC完成一次对模拟量测量到数字量转换完成所需时间。它反应了ADC转换快慢速度。指ADC转换后所得数字量所代表模拟量与实际模拟输入值之差，通常以数字量最低位所代表模拟输入值ULSB来衡量。2.ADC主要技术指标转换时间转换时间绝对精度绝对精度第17页数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数数/模和模模和模/数转换器数转换器3.集成ADC0809介绍12345678910111213142827262524232221201918171615ADCADC08090809 左图是ADC0809集成芯片引脚图。它是一个28脚芯片，采取CMOS工艺制成8位ADC，内部采取逐次比较结构形式。各引脚作用以下：IN0IN7 为8个模拟信号输入端。由地址译码器控制将其中一路送入转换器进行转换。ADDA、ADDB、ADDC 是模拟信道地址选择。CP为时钟脉冲输入端。ALE是地址锁存允许信号，高电平时可进行模拟信道地址选择；START是开启信号。上升沿将存放器清零，下降沿开始进行转换；EOC为模数转换结束，高电平有效；D0D7 是数字量输出端口；UR(+)为正参考电压输出；UR(-)是负参考电压输出。第18页数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数字电路与逻辑设计数数/模和模模和模/数转换器数转换器认真复习，加强练习，认真复习，加强练习，巩固结果，学以致用！巩固结果，学以致用！Goodbye!第19页
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