数字电路第九章.ppt

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1、第九章 数/模与模/数转换电路,9.1 D/A转换器 D/A转换器的基本原理 倒T型电阻网络D/A转换器 D/A转换器的主要技术指标9.2 A/D转换器 A/D转换器的基本原理 并行比较型A/D转换器 逐次比较型A/D转换器 双积分型A/D转换器,第九章 D/A和A/D转换电路,数字系统的特点：,输入、输出都是数字量。,自然界所存在的物理量大多数是模拟量，如温度、湿度、压力、流量、速度、时间等。数字系统不能直接处理模拟量，所以要把模拟量先转换为数字量（A/D)，然后送入数字系统中去处理。数字系统把处理的结果以数字量的形式送出，经过数模（D/A)转换电路再将数字信号转换为模拟信号送到控制执行元件

2、，执行元件按照控制程序要求精确控制受控对象。,工业电炉,放大,A/D,微处理器ROM4KX8,显示,键盘,D/A,可控硅,为了保证数据处理的准确性，A/D转换器和D/A转换器必须达到一定的转换精度。同时，为了适应快速过程的检测和控制，A/D转换器和D/A转换器必须有足够快的转换速度。,在目前常见的D/A转换器中，有权电阻网络D/A转换器，梯形电阻网络、倒梯形电阻网络D/A转换器。A/D转换器的类型也很多，可以分为直接A/D转换器和间接A/D转换器两大类。,直接A/D转换器：输入的模拟信号直接被转换成相应的数字信号。,间接A/D转换器：是将输入的模拟信号先转换成某个中间变量（如时间T、频率F等）

3、，然后再将中间变量转换为最后的数字量。,考虑到D/A转换器的工作原理比较简单，而有些A/D转换器需要用到D/A转换器作为内部反馈电路，所以首先讨论D/A转换器工作原理，再介绍A/D转换器。,9.1 D/A转换器,一 D/A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/模拟转换。,运放的放大倍数很大，而运放的输出有限（1014V),因此差模输入电压不足1mV.两输入端电压近似相等，相当于短路。放大倍数越大，两输入端电压越接近相等。,在分析运放处于线性放大状态时，可把两输入端视为等电位，这一特性称为虚假短路（即虚

4、短）。虚短不是真正短路。,1、虚短,2、虚断,由于运放差模输入电阻很大，一般运放输入电阻1M,流入运放的电流不足1,所以通常可把两输入端视为开路。运放输入电阻越大，输入端越接近于开路，是虚假开路（虚断），不是真正开路。,理想运放具有虚短、虚断和虚地特性,补充内容,3、虚地,由于运放存在虚短,VPVN=0,N端称为虚地，是虚假地，不是真正地。,求和放大器：,根据虚断：,流入运放的电流 Ii0,根据叠加原理：I1+I2=IF,根据虚短VNVP=0，那么VN=0,等式两边同乘以RF,当R1=R2=RF时,负号是由反向输入引起的,是加法运算表达式，可以扩展到多个输入电压相加，所以是求和放大器。,二 倒

5、T形电阻网络D/A转换器（4位）,所以，无论Si处于何种位置，与Si相连的2R电阻均接“地”（地或虚地）。,图中S0S3为模拟开关，由输入数码Di控制，,当Di=1时，Si接运算放大器反相输入端（虚地），电流Ii流入求和电路；,当Di=0时，Si将电阻2R 接地。,基准电流:I=VREF/R,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。,将输入数字量扩展到n位，则有：,可简写为：vO=KNB,输出电压：,总电流：,其中：,分析计算：,三 权电流型D/A转换器,为进一步提高D/A转换器的转换精度，可采用权电流型D/A转换器。,图示为一4位权电流D/A转换器原理电路。

6、这组恒流源从高位到低位电流的大小依次为I/2、I/4、I/8、I/16。,集成D/A转换器种类很多，DAC0832是通用单片8位D/A转换器，直接可以和Z80、MCS51等微处理器相连。,0832由一个八位输入锁存器、一个八位DAC寄存器和一个八位D/A转换器三大部分组成。,D/A转换器采用倒T型R-2R电阻网络。,DAC0832内部无运放，是电流输出，使用时须外加运放。,芯片内部已设置了反馈电阻R f,如果运放增益不够，外部还要加反馈电阻。,四、集成D/A转换器,锁存器,寄存器,D/A,&,&,&,D7D0:八位输入数据信号,数字地,模拟地,VCC:电源（5V),反馈电阻接线端,基准电压输入

7、端,外加一个精确、稳定的基准电压源，（10V+10V),片选信号，输入低电平有效。,数据传送选通信号，输入低电平有效。,输入锁存允许信号，高电平有效。,DAC输出电流1，作运放一个差分输入信号。当DAC寄存器全1时，电流最大，全0时，电流最小。,DAC输出电流2，作运放另一个差分输入信号（一般接地）。,IOUT1、IOUT2满足如下关系：IOUT1IOUT2常数,器件引脚和功能名称：,锁存器,寄存器,D/A,&,&,&,锁存器,寄存器,D/A,&,&,&,0,0,1,1,LE1为高电平，输入数据D7D0进入锁存器。,LE2为高电平，在此期间，锁存器中的数据进入DAC寄存器。,0,0,1,八位D

8、/A转换电路随时将DAC寄存器的数据转换为模拟信号，由IOUT1、IOUT2输出。,0832D/A转换器有双缓冲型、单缓冲型、和直通型等三种工作方式。,分析DAC内部控制逻辑：,由于DAC0832芯片中有两个数据寄存器，可以通过控制信号将数据先锁存在输入锁存器中，当需要D/A转换时，再将锁存器中锁存的数据信号装入DAC 寄存器并进行D/A转换，从而达到两极缓冲工作方式。,双缓冲型工作方式：,0,0,如果令DAC寄存器处于常通状态，则只控制输入数据锁存器，可以使两个寄存器同时选通和锁存，这就是单缓冲工作方式。,如果使两个寄存器都处于常通状态，这时两个寄存器的输出跟随数字输入变化而变化，D/A 转

9、换器的输出也同时跟着变化，这种情况应用于连续反馈过程控制系统。,单缓冲型工作方式：,直通型工作方式：,图中的电位器用于满量程调整。,1.转换精度,五 D/A转换器的主要技术指标,（2）转换误差比例系数误差、失调误差、非线性误差。,此外，也可用D/A转换器的最小输出电压(数字量：00000001)与最大输出电压(数字量：全1）之比来表示分辨率，N位D/A转换器的分辨率可表示为 1/（2n-1）。,2.转换速度,3.温度系数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1，输出电压变化的百分数作为温度系数。,（2）转换速率（SR）在大信号工作状态下模拟电压

10、的变化率。,（1）分辨率D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。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D/A转换器的分辨率。,（1）建立时间（tset）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0.1S。,vO=-KNB,最小 vO=-KNB=-K1,最大 vO=-KNB=-K(2n-1),数字系统和模拟系统的接口电路,任意波形产生器,锯齿波,n位加法计数器,D/A,LBF,CP,ROM,D/A,波形的形状取决于ROM中的数据，改变ROM中的数据可以得到不同的波形。,五、D/A转换器应用举例,三角波,矩形波,彩条信号,方格信号

11、,若最小输出电压增量为0.02V,试问当输入代码为01001101时，输出电压VO为多少伏？,若其分辨率用百分数表示，则应是多少？,若某一系统中要求D/A转换的精度小于0.25%,试问这一D/A转换器能否应用？,题意分析：,本例题涉及转换器几个参数，一是最小输出电压增量；二是分辨率；三是转换精度。,最小电压增量：,对应于输入最小数字量的输出模拟电压。即指数字量每增加一个单位输出模拟电压的增加量。,分辨率：,定义为对最小数字量的分辩能力。一般用输入数字量的位数表示，也可以用最小输出电压与最大输出电压之比的百分数表示。,例题1：对于一个8位D/A 转换器：,转换精度：,用最低有效位的倍数表示。转换

12、误差为1/2LSB,表示输出模拟电压的绝对误差等于最低有效位输出模拟电压的一半。,解：,当最小输出电压增量为0.02V时，输入代码为01001101时，所对应的输出电压VO为：,VO=0.02X(26+23+22+20)=1.54V,8位D/A转换器的分辨率百分数为：,1/28-1X100%=0.3922%,若要求精度小于0.25%,其分辨率应小于0.5%。例题8位D/A的分辨率为0.3922%满足系统对精度的要求。,推导出VO和D3D2D1D0之间的关系表达式。,说明转换电路工作原理，画出VO和D0D1D2D3的工作波形图。,首先分析是那一种D/A转换电路？,然后分析是模几计数器：,例题2：

13、D/A转换器电路如图所示：,9.2 A/D转换器,一A/D转换的一般步骤,由于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：取样、保持、量化和编码。,二 取样保持电路,电路组成及工作原理（取Ri=Rf）:,当vL为高电平时，T导通，vI经Ri和T向电容Ch充电。vO=vI=vC。,当vL返回低电平后，T截止。Ch无放电回路，所以vO的数值可被保存下来。,基本原理：,三 并行比较型A/D转换器,3位并行比较型A/D转换器,并行比较型A/D转换器真值表,P96,集成优先编码器74148（8线-3线）,二 逐次比较型A/D转换器,1 转换原理：,Gd3g3+d2g2+d1g1+d0g0

14、,有效砝码的总重量逐次逼近重物的重量：,2 转换框图：,3 逻辑电路,1,0,1,1,1,0,0,0,0,1,1,1,0,0,0,1,0,0,1,1,1,1,1,1,0,1,1,1,1,0,1,0,0,五双积分型A/D转换器,它由积分器、过零比较器（C）、时钟脉冲控制门（G）和定时器、计数器（FF0FFn）等几部分组成。,（2）第一次积分阶段,工作原理：,（1）准备阶段计数器清零，积分电容放电，vO=0V。,t=0时，开关S1与A端接通，输入电压vI加到积分器的输入端。积分器从0开始积分：,由于vO0V，过零比较器输出vC=1，控制门G打开。计数器从0开始计数。,t=T1=2nTC,经过2n个

15、时钟脉冲后，触发器FF0FFn1都翻转到0态，而Qn=1，开关S1由A点转到B点，第一次积分结束。第一次积分时间为：,（3）第二次积分阶段,第一次积分结束时，积分器的输出电压VP为：,当t=t1时，S1转接到B点，基准电压VREF加到积分器的输入端；积分器开始反向积分。,当t=t2时，积分器输出电压vO0V，比较器输出vC=0，控制门G被关闭，计数停止。,同时，N级计数器又从0开始计数。,在此阶段结束时vO的表达式可写为：,设T2=t2t1，于是有,设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为，则：,可见，T2与VI成正比，T2就是双积分A/D转换过程的中间变量。,上式表明，计数器中所计得的数（=Q

16、n-1Q1Q0），与在取样时间T1内输入电压的平均值VI成正比。只要VIVREF，转换器就能将输入电压转换为数字量。,T2=TC,六 A/D转换器的主要技术指标,（1）分辨率说明A/D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，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。,1.转换精度,例如，相对误差LSB/2，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个字。,（2）转换误差它表示A/D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。,2.转换时间指从转换控制信号到来开始，到输出端得

17、到稳定的数字信号所经过的时间。,并行比较A/D转换器转换速度最高；逐次比较型A/D转换器次之；间接A/D转换器的速度最慢。,本章小结,1A/D和D/A转换器是现代数字系统的重要部件，应用日益广泛。,5A/D转换器和D/A转换器的主要技术参数是转换精度和转换速度，在与系统连接后，转换器的这两项指标决定了系统的精度与速度。目前，A/D与D/A转换器的发展趋势是高速度、高分辨率及易于与微型计算机接口，用以满足各个应用领域对信号处理的要求。,2倒T型电阻网络D/A转换器中电阻网络阻值仅有R和2R两种，各2R支路电流Ii与Di数码状态无关，是一定值。由于支路电流流向运放反相端时不存在传输时间，因而具有较

18、高的转换速度。,3在权电流型D/A转换器中，由于恒流源电路和高速模拟开关的运用使其具有精度高、转换快的优点，双极型单片集成D/A转换器多采用此种类型电路。,4不同的A/D转换方式具有各自的特点，并行A/D转换器速度高；双积分A/D转换器精度高；逐次比较型A/D转换器在一定程度上兼有以上两种转换器的优点，因此得到普遍应用。,数字电子技术练习,一 填空,1(15)D=()B=()8421BCD,答案：(1111)B=(00010101)8421BCD,2、逻辑函数,答案：1,3 逻辑函数的任意两个最小项的乘积等（）；全体最小项的和等（）。,答案：0 1,4、表示组合逻辑函数的基本方式有三种，分别是

19、（）、（）和（）。,答案：逻辑函数表达式、真值表、逻辑电路图,5、三态门输出的三种状态分别 为：、和。,答案：0 1 高阻,6、主从型JK触发器的特性方程 为（）。,答案：,7、存储容量为4K8位的RAM存储器，其地址线为 条、数据线为 条。,答案：12 8,8、在并行比较型、逐次比较型和双积分型三种A/D转换器中，转换速度最快的是（），转换速度最慢的是（），抗干扰能力最强的是（）。,答案：并行比较型 双积分型 双积分型,二、解答下列各题1、用代数法化简逻辑函数,答案：,2、写出下列电路的函数表达式,答案：当 B=0 时，非门输出为0，Y输出为高阻态。当B=1时，Y=A。,三、画出下列电路的输

20、出波形。1、由TTL集成门电路组成的电路如下，画出输出波形图。,答案：,2、画出在CP信号作用下触发器的输出波形图。,答案：,四、用A、B、C、D四个变量表示一个四位二进制数X,当4X9时，输出量L为1，其余情况为0。1、写出真值表。2、用卡诺图化简。3、画出采用与非门实现的逻辑电路图。4、画出采用8选1数据选择器和门电路实现的电路图。,解：1、真值表：,2、卡诺图化简,3、首先变换表达式。,4、求出逻辑函数的最小项表达式。,取8选1数据选择器的地址线A2、A1、A0分别对应逻辑变量A、B、C。则上述逻辑函数可表示成以A、B、C为逻辑变量的最小项只和的表达式为：,根据上述表达式及8选1数据选择器的功能，可求出8选1数据选择器的数据通道的值为：D0=0，D1=0，D2=1，D3=1，D4=1，D5=0，D6=0，D7=0,电路图,