數(shù)字邏輯復(fù)習(xí)課件第8章

1、概述第 8 章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 本章小結(jié)A/D 轉(zhuǎn)換器D/A 轉(zhuǎn)換器 8.1 概述 主要要求： 理解數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的概念和作用。 一、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換的概念和作用 數(shù)模轉(zhuǎn)換即將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬電量(電壓或電流)，使輸出的模擬電量與輸入的數(shù)字量成正比。 實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路稱數(shù)模轉(zhuǎn)換器 Digital - Analog Converter，簡(jiǎn)稱 D/A 轉(zhuǎn)換器或 DAC。 模數(shù)轉(zhuǎn)換即將模擬電量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，使輸出的數(shù)字量與輸入的模擬電量成正比。 實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路稱模數(shù)轉(zhuǎn)換器 Analog - Digital Converter，簡(jiǎn)稱 A/D 轉(zhuǎn)換器或 ADC。 模擬量數(shù)字量 模擬量數(shù)字量傳感器

2、被控對(duì)象 自然界物理量為何要進(jìn)行數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換？ 二、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例數(shù)字信號(hào)物理量模擬信號(hào)壓力傳感器溫度傳感器流量傳感器四路模擬開(kāi)關(guān)數(shù)字控制計(jì)算機(jī)DAC模擬控制器模擬控制器液位傳感器DACDAC模擬控制器模擬控制器生 產(chǎn) 控 制 對(duì) 象 DACADC二、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例 主要要求： 了解數(shù)模轉(zhuǎn)換的基本原理。 了解常用 D/A 轉(zhuǎn)換器的類型和主要參數(shù)。 了解 R - 2R 倒 T 形電阻網(wǎng)絡(luò) D/A 轉(zhuǎn)換器的電路與工作原理。 8.2 D/A 轉(zhuǎn)換器 一、數(shù)模轉(zhuǎn)換的基本原理 輸出模擬電壓 uO = D = (Dn-1 2n-1 + Dn-2 2n-2 + + D1 21 + D0

3、 20 ) 可見(jiàn)，uO D，uO 的大小反映了數(shù)字量 D 的大小。DACD0D1Dn-2Dn-1uOn 位二進(jìn)制數(shù)輸入模擬電壓輸出一、數(shù)模轉(zhuǎn)換的基本原理 LSB Least Significant Bit 輸入數(shù)字量 D = (Dn-1 Dn-2 D1 D0 ) 2 = Dn-1 2n-1 + Dn-2 2n-2 + + D1 21 + D0 20 是 DAC 能輸出的最小電壓值，稱為 DAC 的單位量化電壓，它等于 D 最低位(LSB)為 1、其余各位均為 0 時(shí)的模擬輸出電壓(用 ULSB 表示)。S0+-uOS1S2S3D3D2D1D0iRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI1

4、2RI22RI301111000RRR (一) 電路組成與轉(zhuǎn)換原理 二、R - 2R 倒 T 形電阻網(wǎng)絡(luò) DAC 由倒 T 型電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開(kāi)關(guān)和一個(gè)電流電壓轉(zhuǎn)換電路(簡(jiǎn)稱 I/U 轉(zhuǎn)換電路)組成。模擬開(kāi)關(guān) Si 打向“1”側(cè)時(shí)，相應(yīng) 2R 支路接反相端；打向“0”側(cè)時(shí)，相應(yīng) 2R 支路接地。故無(wú)論開(kāi)關(guān)打向哪一側(cè)，倒 T 型電阻網(wǎng)絡(luò)均可等效為下圖：II3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI3RRRABC從 A、B、C 節(jié)點(diǎn)向左看去，各節(jié)點(diǎn)對(duì)地的等效電阻均為 2R。因此，I =VREFRI3 =I2= 23 ( )，I24I2 =I32= 22 ( )，I24=I4I1 =I2

5、2= 21 ( )，I24=I8I0 =I12= 20 ( )I24=I16可見(jiàn)，支路電流值 Ii 正好代表了二進(jìn)制數(shù)位 Di 的權(quán)值 2i 。即 I3 = 23 I0， I2 = 22 I0， I1 = 21 I0， I0 = 20 I0 模擬開(kāi)關(guān) Si 受相應(yīng)數(shù)字位 Di 控制。當(dāng) Di = 1 時(shí)，開(kāi)關(guān)合向“1”側(cè)，相應(yīng)支路電流 Ii 輸出；Di = 0 時(shí)，開(kāi)關(guān)合向“0”側(cè)， Ii 流入地而不能輸出。S0+-uOS1S2S3D3D2D1D0iRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI301111000RRRu0 = - i RF = - D I0 RF = - D

6、 i = D3 I3 + D2 I2 + D1 I1 + D0 I0 = ( D3 23 + D2 22 + D1 21 + D0 20 ) I0 = D I0對(duì) n 位 DAC， uO= - D 若取 RF = R， 則uO= - D n 位 DAC 將參考電壓 VREF 分成 2n 份，uO 是每份的 D 倍。調(diào)節(jié) VREF 可調(diào)節(jié) DAC 的輸出電壓。uO= - D 三、常用 DAC 的類型和主要參數(shù) (一) 常用 DAC 的類型 常用 DAC 主要有權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò) DAC、 R - 2R T 形電阻網(wǎng)絡(luò) DAC、R - 2R 倒 T 形電阻網(wǎng)絡(luò) DAC和權(quán)電流網(wǎng)絡(luò) DAC。其中，后兩者轉(zhuǎn)換

7、速度快，性能好，因而被廣泛采用，權(quán)電流網(wǎng)絡(luò) DAC 轉(zhuǎn)換精度高，性能最佳。 (二) 主要參數(shù) 1. 分辨率 DAC 的最小輸出電壓變化量，也即 DAC 的最小輸出電壓值 表示滿度輸出電壓值，F(xiàn)SR 即 Full Scale Range指 D/A 轉(zhuǎn)換器模擬輸出所能產(chǎn)生的最小電壓變化量與滿刻度輸出電壓之比。 UFSR = uO|D = 11 1 = ( 2n 1 ) ULSBn 位均為 1例如，一個(gè) 10 位的 DAC，分辨率為 0.000 978。DAC 的位數(shù)越多，分辨率值就越小，能分辨的最小輸出電壓值也越小。要獲得較高精度的 D/A 轉(zhuǎn)換結(jié)果，除了正確選用 DAC 的位數(shù)外，還要選用低漂移

8、高精度的求和運(yùn)算放大器。 3. 轉(zhuǎn)換時(shí)間指 DAC 在輸入數(shù)字信號(hào)開(kāi)始轉(zhuǎn)換，到輸出的模擬信號(hào)達(dá)到穩(wěn)定值所需的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間越小，轉(zhuǎn)換速度就越高。2. 轉(zhuǎn)換精度 指 DAC 實(shí)際輸出模擬電壓與理想輸出模擬電壓間的最大誤差。它是一個(gè)綜合指標(biāo)，不僅與 DAC 中元件參數(shù)的精度有關(guān)，而且與環(huán)境溫度、求和運(yùn)算放大器的溫度漂移以及轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有關(guān)。 通常要求 DAC的誤差小于 ULSB / 2。四、集成 DAC應(yīng)用舉例四、集成 DAC 應(yīng)用舉例1. 集成 DAC 簡(jiǎn)介 常用集成 DAC 有兩類：一類內(nèi)部?jī)H含有電阻網(wǎng)絡(luò)和電子模擬開(kāi)關(guān)兩部分，常用于一般的電子電路。另一類內(nèi)部除含有電阻網(wǎng)絡(luò)和電子模擬開(kāi)關(guān)外，還帶

9、有數(shù)據(jù)鎖存器，并具有片選控制和數(shù)據(jù)輸入控制端，便于和微處理器進(jìn)行連接，多用于微機(jī)控制系統(tǒng)中。 2. 8 位 CMOS 集成 D/A 轉(zhuǎn)換器 CDA7524 簡(jiǎn)介數(shù)據(jù)鎖存器20 k20 k20 k20 k20 k10 k10 k10 k10 kVDDVREF151213CSWR45611D7(MSB)D6D5D0(LSB)S0S1S2S7OUT112316iRFBOUT2GND基準(zhǔn)電壓輸入端 VREF 可正可負(fù) 片選控制端 電源電壓范圍 + 5 V + 15 V 8 位數(shù)據(jù)輸入端，其電平與 TTL 電平兼容。MSB 表示最高位，LSB 表示最低位。接地端 內(nèi)部反饋電阻 RF 的引出端 兩個(gè)輸出端

10、，一般將 OUT2 接地，OUT1 接運(yùn)放反向端。 寫信號(hào)控制端 例右圖為 CDA7524 的單極性輸出應(yīng)用電路。圖中電位器 R1 用于調(diào)整運(yùn)放增益，電容 C 用以消除運(yùn)放的自激。已知 ULSB = VREF / 256，試求滿度輸出電壓及滿度輸出時(shí)所需的輸入信號(hào)。 CDA752445789106111213D7D6D4D3D2D1D5D0CS314VDD151612VREF = 10V+-OUT1OUT2uOC2 kR2R11 k15 pFWR解： 當(dāng) D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 = 11111111 時(shí)，輸出為滿度值。uO = - UFSR - 9.961 V。主要要求

11、：了解模數(shù)轉(zhuǎn)換的基本原理。了解 A/D 轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)。 了解常用 A/D 轉(zhuǎn)換器。8.3 A/D 轉(zhuǎn)換器 一、A /D 轉(zhuǎn)換的基本原理和一般步驟 “ ”表示取整。 基本原理ADCD0D1Dn-2Dn-1uI模擬輸入信號(hào)n 位二進(jìn)制數(shù)輸出D = Dn-1 Dn-2 D1 D0 可見(jiàn)，輸出數(shù)字量 D 正比于輸入模擬量 uI 。 稱為 ADC 的單位量化電壓或量化單位，它是 ADC 的最小分辨電壓。采樣：把時(shí)間連續(xù)變化的信號(hào)變換為時(shí)間離散的信號(hào)。保持：保持采樣信號(hào)，使有充分時(shí)間轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。量化：把采樣保持電路的輸出信號(hào)用單位量化電壓的 整數(shù)倍表示。編碼：把量化的結(jié)果用二進(jìn)制代碼表示。A /D

12、 轉(zhuǎn)換的一般步驟 uI(t)C量化編碼電路Dn-1D1D0uI(t)S采樣保持電路輸入模擬量輸出數(shù)字量采樣信號(hào)是否會(huì)丟失原信號(hào)的信息呢？對(duì)信號(hào)進(jìn)行量化會(huì)引起誤差嗎？量化誤差大小與 ADC 的位數(shù)、基準(zhǔn)電壓 VREF 和量化方法有關(guān)。 采樣定理：當(dāng)采樣頻率不小于輸入模擬信號(hào)頻譜 中最高頻率的兩倍時(shí)，采樣信號(hào)可以 不失真地恢復(fù)為原模擬信號(hào)。 量化誤差：因模擬電壓不一定能被 ULSB 整除， 量化時(shí)舍去余數(shù)而引起的誤差。 劃分量化電平的兩種方法最大量化誤差 = = (1/8)V最大量化誤差 = /2 = (1/15)V1 = 1/8V4 = 4/8V0(6/8)V(7/8)V000001010011

13、100101110111模擬電平二進(jìn)制代碼代表的模擬電平0 = 0V2 = 2/8V3 = 3/8V5 = 5/8V6 = 6/8V7 = 7/8V(5/8)V(4/8)V(3/8)V(2/8)V(1/8)V(8/8)V模擬電平二進(jìn)制代碼代表的模擬電平0 = 0V1 = 2/15V2 = 4/15V3 = 6/15V4 = 8/15V5 = 10/15V6 = 12/15V7 =14/15V(13/15)V0000001010011100101110111(11/15)V(15/15)V(9/15)V(3/15)V(7/15)V(1/15)V(5/15)VVREF二、并聯(lián)比較型 ADC uI

14、RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器0000000000uI電阻構(gòu)成分壓器 VREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型 ADC 0000001001uIVREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型 ADC 0000011010uIVREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器

15、寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型 ADC 0000111011uIVREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型 ADC 0001111100uIVREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型 ADC 0011111101uIVREFuI RR/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型 ADC 0111111110uIVREFuI RR

16、/2RRRRRRD2(MSB)CP1D1D1D1D1D1D1DD1D0 (LSB)比較器寄存器編碼器編碼器二、并聯(lián)比較型 ADC 1111111111uI vI CO1 CO2 CO3 CO4 CO5 CO6 CO7 D2 D1 D0 7VREF/15 vI 9VREF/15 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 9VREF/15 vI 11VREF/15 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 5VREF/15 vI 7VREF/15 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 3VREF /15 vI 5VREF/15 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 11VREF/15 vI 13V

17、R/15 0 1 1 1 1 1 1 1 1 013VREF/15 vI VREF 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 VREF/15 vI 3VREF/15 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 vI VREF/15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 根據(jù)各比較器的參考電壓值，可以確定輸入模擬電壓值與各比較器輸出狀態(tài)的關(guān)系。比較器的輸出狀態(tài)由D觸發(fā)器存儲(chǔ)，經(jīng)優(yōu)先編碼器編碼，得到數(shù)字量輸出。 三、常用 ADC 的類型和主要參數(shù) (一)常用 ADC 的類型 常用 ADC 主要有并聯(lián)比較型、雙積分型和逐次逼近型。其中，并聯(lián)比較型 ADC 轉(zhuǎn)換速度最快，但價(jià)格貴；雙積分型 ADC 精

18、度高、抗干擾能力強(qiáng)，但速度慢；逐次逼近型速度較快、精度較高、價(jià)格適中，因而被廣泛采用。 指 ADC 實(shí)際輸出數(shù)字量與理想輸出數(shù)字量之間的最大差值。通常用最低有效位 LSB 的倍數(shù)來(lái)表示。 (二) 主要參數(shù) (轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換速度）2. 相對(duì)精度(又稱轉(zhuǎn)換誤差) 指 ADC 輸出數(shù)字量的最低位變化一個(gè)數(shù)碼時(shí)，對(duì)應(yīng)輸入模擬量的變化量。 1. 分辨率 例如 最大輸出電壓為 5V 的 8 位 ADC 的分辨率為： 5V / 28 = 19.53 mV分辨率也可用 ADC 的位數(shù)表示。位數(shù)越多，能分辨的最小模擬電壓值就越小。 例如 轉(zhuǎn)換誤差不大于 1/2 LSB，即說(shuō)明 實(shí)際輸出數(shù)字量與理想輸出數(shù)字量 之間的最大誤差不超過(guò) 1/2 LSB。 3. 轉(zhuǎn)換時(shí)間 轉(zhuǎn)換速度比較：并聯(lián)比較型 逐次逼近型 雙積分型 數(shù)十 ns 數(shù)十 s 數(shù)十 ms 指 ADC 完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間，即從轉(zhuǎn)換開(kāi)始到輸出端出現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所需要的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間越小，轉(zhuǎn)換速度越高。 并行比較A/D轉(zhuǎn)換器(8位） 逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器 間接A/D轉(zhuǎn)換器1050s50ns10ms1000msD/