数模转换与模数转换学习教案.pptx
会计学1数模转换与模数转换数模转换与模数转换第一页，共39页。目目 录录一、概述一、概述一、概述一、概述二、二、二、二、DACDAC三、三、三、三、ADCADC四、常用四、常用四、常用四、常用(chn(chn yn yn)DAC)DAC五、综合实验设计五、综合实验设计五、综合实验设计五、综合实验设计第1页/共39页第二页，共39页。1.概念(ginin)及其应用 2.主要(zhyo)技术指标（1）精度：用分辨率、转换(zhunhun)误差表示（2）速度：用转换时间、转换速率表示 模拟 控制 被测被控对象传感 器A/D计算 机D/A图1 典型的数字控制系统框图一、概述一、概述一、概述一、概述 第2页/共39页第三页，共39页。二、二、二、二、DACDACDACDAC 1.DAC的基本原理 数码寄存器模拟 开关译码 网络求和放大器DuA参考电源UREF图2 DAC方框图第3页/共39页第四页，共39页。图3 D和uA的关系(gun x)图11111110110111001011101010010001001000110100010101110110246-6-4-2DuA第4页/共39页第五页，共39页。（1）构成(guchng)（2）工作(gngzu)原理 电阻网络、双向电子模拟开关、求和放大器、数码(shm)寄存器、参考电源 通常取 Rf=R，则：2.倒T型R-2R电阻网络DAC 第5页/共39页第六页，共39页。图4 倒T型R-2R电阻网络(wnglu)D/A转换电路 第6页/共39页第七页，共39页。满量程电压(diny)值：3.DAC的主要参数（1）分辨率 LSB：Least Significant Bit a.用输出的电压(diny)（电流）值表示 输入变化1LSB时，输出端产生(chnshng)的电压变化。MSB：Most Significant Bit 第7页/共39页第八页，共39页。b.用百分比表示(biosh)c.用位数n表示(biosh)(2)转换(zhunhun)误差 a.绝对误差：实际值与理想值之间的差值。b.相对误差：绝对误差与满量程的比值。第8页/共39页第九页，共39页。从输入的数字量发生突变开始，直到输出电压进入(jnr)与稳态值相差LSB范围以内的这段时间。(3)建立(jinl)时间tset tsetLSBuOt第9页/共39页第十页，共39页。三、三、ADCADCADCADC 1.模数转换的一般(ybn)过程（1）采样(ci yn)和保持（2）量化与编码(bin m)量化电平（离散电平）：都是某个最小单位（量化单位）的整数倍的电平。舍尾方法 四舍五入方法 第10页/共39页第十一页，共39页。Otu1(t)(a)模拟(mn)输入信号第11页/共39页第十二页，共39页。Ot(b)采样(ci yn)信号第12页/共39页第十三页，共39页。Ot(b)采样(ci yn)输出信号第13页/共39页第十四页，共39页。图5 模拟信号的采样(ci yn)保持OtuO(t)（c）采样保持(boch)信号第14页/共39页第十五页，共39页。采样保持(boch)信号uO量化电平(din pn)uq第15页/共39页第十六页，共39页。采样保持(boch)信号uO量化电平(din pn)uq第16页/共39页第十七页，共39页。（1）组成(z chn)2.逐次(zh c)逼近式ADC 电压(diny)比较器、D/A转换器、时序分配器、JKFF、寄存器 2.工作原理 先使JKFF的最高位为1，其余低位为0，比较，下一CP有效沿到，决定1的去留；再使JKFF的次高位为1，其余低位为0，比较，下一CP有效沿到，决定1的去留；第17页/共39页第十八页，共39页。直到最低位比较完为止。此时JKFF中所存的数码(shm)就是所求的输出数字量。转换(zhunhun)位数为N，则转换(zhunhun)时间为(N+1)Tcp。3.ADC的主要参数（1）分辨(fnbin)率：所能分辨(fnbin)的输入模拟量的最小值。a.用输入的电压（电流）值表示 第18页/共39页第十九页，共39页。图6 4位逐次(zh c)逼近型A/D转换器结构图第19页/共39页第二十页，共39页。CPCP0CP1CP2CP4CP3图7 时序分配器输出(shch)波形第20页/共39页第二十一页，共39页。b.用百分比表示(biosh)c.用位数n表示(biosh)（2）转换(zhunhun)误差 a.绝对误差：与输出数字量对应的理论模拟值与产生该数字量的实际输入模拟值之间的差值 第21页/共39页第二十二页，共39页。绝对误差与额定(dng)最大输入模拟值（FSR）的比值，通常用百分数表示。b.相对误差(xin du w ch)：（3）转换时间(shjin)和转换速率 第22页/共39页第二十三页，共39页。四、常用四、常用D/AD/A转换器转换器 美国美国National National Semiconduct(NSC)Semiconduct(NSC)公司公司DACDAC系列：系列：八位、十位、十二位三种。采用八位、十位、十二位三种。采用CMOS/SiCMOS/Si（硅）（硅）-Cr-Cr（铬）工艺和倒（铬）工艺和倒梯形电阻梯形电阻(dinz)(dinz)网络。网络。1 1、八位、八位D/AD/A转换器转换器DAC0830/0831/0832DAC0830/0831/0832系列系列 管脚图及引脚功能：管脚图及引脚功能：第23页/共39页第二十四页，共39页。片选写入1模拟(mn)地数字(shz)输入参考(cnko)电压数字地反馈电阻电源输入锁存允许写入2转移控制数字输入电流输出1电流输出2第24页/共39页第二十五页，共39页。内部内部(nib)(nib)框图框图8位输入(shr)寄存器8位D/A转换器第25页/共39页第二十六页，共39页。2 2、应用提示、应用提示(tsh)(tsh)所有不用的数字输入端应连到所有不用的数字输入端应连到VCCVCC或地，如果悬浮，则将或地，如果悬浮，则将该引脚作为逻辑该引脚作为逻辑“1”“1”处理。处理。单极性输出单极性输出第26页/共39页第二十七页，共39页。五、综合实验五、综合实验五、综合实验五、综合实验(D/A(D/A(D/A(D/A转换电路转换电路转换电路转换电路P222)P222)P222)P222)1 1 1 1、实验课题：设计一个可编程波形发生、实验课题：设计一个可编程波形发生、实验课题：设计一个可编程波形发生、实验课题：设计一个可编程波形发生器器器器 技术指标：技术指标：技术指标：技术指标：开关开关开关开关K2K1=01K2K1=01K2K1=01K2K1=01时，输出正斜率锯齿时，输出正斜率锯齿时，输出正斜率锯齿时，输出正斜率锯齿(jch)(jch)(jch)(jch)波。波。波。波。开关开关开关开关K2K1=10K2K1=10K2K1=10K2K1=10时，输出负斜率锯齿时，输出负斜率锯齿时，输出负斜率锯齿时，输出负斜率锯齿(jch)(jch)(jch)(jch)波。波。波。波。开关开关开关开关K2K1=11K2K1=11K2K1=11K2K1=11时，输出由正负斜率锯齿时，输出由正负斜率锯齿时，输出由正负斜率锯齿时，输出由正负斜率锯齿(jch)(jch)(jch)(jch)波合成的三角波。波合成的三角波。波合成的三角波。波合成的三角波。输出锯齿输出锯齿输出锯齿输出锯齿(jch)(jch)(jch)(jch)波时波时波时波时f=1kHzf=1kHzf=1kHzf=1kHz；输出三角；输出三角；输出三角；输出三角波时波时波时波时f=0.5kHz.f=0.5kHz.f=0.5kHz.f=0.5kHz.输出正负斜率锯齿输出正负斜率锯齿输出正负斜率锯齿输出正负斜率锯齿(jch)(jch)(jch)(jch)波上升或下降波上升或下降波上升或下降波上升或下降的台阶数大于或等于的台阶数大于或等于的台阶数大于或等于的台阶数大于或等于16161616。输出幅度输出幅度输出幅度输出幅度V0V0V0V0在在在在0V0V0V0V至至至至2V2V2V2V间可调。间可调。间可调。间可调。电源电压为电源电压为电源电压为电源电压为5V5V5V5V。第27页/共39页第二十八页，共39页。输出(shch)波形示意图第28页/共39页第二十九页，共39页。2 2、设计提示、设计提示(tsh)(tsh)组成框图：组成框图：第29页/共39页第三十页，共39页。所用器件：DAC0832 一片 LM324 一片74393 一片7486 一片7400 一片时钟可由数字实验(shyn)箱提供第30页/共39页第三十一页，共39页。单元电路设计单元电路设计单元电路设计单元电路设计D/AD/A转换：转换：转换：转换：由由由由DAC0832DAC0832完成完成完成完成(wn chng)(wn chng)。因。因。因。因1616个台阶，可用个台阶，可用个台阶，可用个台阶，可用4 4位二进制数。根据输位二进制数。根据输位二进制数。根据输位二进制数。根据输出电压选定数字输入端。出电压选定数字输入端。出电压选定数字输入端。出电压选定数字输入端。输出电压计算公式：输出电压计算公式：输出电压计算公式：输出电压计算公式：其中：其中：其中：其中：VREFVREF参考电压，参考电压，参考电压，参考电压，DnDn是二进制数转换为等值的十进制数。是二进制数转换为等值的十进制数。是二进制数转换为等值的十进制数。是二进制数转换为等值的十进制数。4 4位二位二位二位二进制数接在不同的数字输入端，转换的进制数接在不同的数字输入端，转换的进制数接在不同的数字输入端，转换的进制数接在不同的数字输入端，转换的DnDn值不同，输出电压也就不值不同，输出电压也就不值不同，输出电压也就不值不同，输出电压也就不同。例：输入的二进制数为同。例：输入的二进制数为同。例：输入的二进制数为同。例：输入的二进制数为“1111”“1111”，当接在，当接在，当接在，当接在D0D3D0D3端时，端时，端时，端时，Dn=23+22+21+20=15,Dn=23+22+21+20=15,若若若若VREFVREF为为为为5V5V时，时，时，时，V0V0-(5/256)*15=-0.29V;-(5/256)*15=-0.29V;接接接接D3D6D3D6端时，端时，端时，端时，Dn=26+25+24+23=120,V0=-2.34V(Dn=26+25+24+23=120,V0=-2.34V(输出电压也不能输出电压也不能输出电压也不能输出电压也不能太大，要考虑运放的饱和失真太大，要考虑运放的饱和失真太大，要考虑运放的饱和失真太大，要考虑运放的饱和失真)第31页/共39页第三十二页，共39页。输出幅度受到运放动态范围的限制。输出幅度受到运放动态范围的限制。LM324LM324运放的输出是一个运放的输出是一个(y(y )对管，负载是有源负载，上饱对管，负载是有源负载，上饱和区为和区为1.5V1.5V，下饱和区为，下饱和区为1.5V1.5V，其动态范围为，其动态范围为+3.5V-3.5V+3.5V-3.5V。第32页/共39页第三十三页，共39页。输出电路：输出电路：输出电路：输出电路：由由由由LM324LM324完成。考虑输出电压可从完成。考虑输出电压可从完成。考虑输出电压可从完成。考虑输出电压可从0V0V调到调到调到调到2V2V。计数器：计数器：计数器：计数器：为数模转换器提供为数模转换器提供为数模转换器提供为数模转换器提供4 4位二进制数，位二进制数，位二进制数，位二进制数，MM1616。由。由。由。由7439374393完成。下降完成。下降完成。下降完成。下降(xijing)(xijing)沿触发。沿触发。沿触发。沿触发。波形控制电路：波形控制电路：波形控制电路：波形控制电路：在开关在开关在开关在开关K2K1K2K1的控制下，实现三种不同波形的输出。的控制下，实现三种不同波形的输出。的控制下，实现三种不同波形的输出。的控制下，实现三种不同波形的输出。当当当当K2K1K2K10101时，转换器输入的二进制数为时，转换器输入的二进制数为时，转换器输入的二进制数为时，转换器输入的二进制数为0000111100001111为加法计数为加法计数为加法计数为加法计数;当当当当K2K1K2K11010时，转换器输入的二进制数为时，转换器输入的二进制数为时，转换器输入的二进制数为时，转换器输入的二进制数为1111000011110000为减法计数；为减法计数；为减法计数；为减法计数；当当当当K2K1K2K11111时，转换器先输入时，转换器先输入时，转换器先输入时，转换器先输入00001111,00001111,再输入再输入再输入再输入1111000011110000。由由由由74867486异或门实现，为实现加法计数（正斜率波形），计数器输异或门实现，为实现加法计数（正斜率波形），计数器输异或门实现，为实现加法计数（正斜率波形），计数器输异或门实现，为实现加法计数（正斜率波形），计数器输出与出与出与出与“0”“0”异或；减法计数（负斜率波形），与异或；减法计数（负斜率波形），与异或；减法计数（负斜率波形），与异或；减法计数（负斜率波形），与“1”“1”异或；为实异或；为实异或；为实异或；为实现先加后减（三角波）则通过组合电路，使其先加后减。整个控现先加后减（三角波）则通过组合电路，使其先加后减。整个控现先加后减（三角波）则通过组合电路，使其先加后减。整个控现先加后减（三角波）则通过组合电路，使其先加后减。整个控制电路由制电路由制电路由制电路由74867486、74007400、7439374393中另一个计数器完成。中另一个计数器完成。中另一个计数器完成。中另一个计数器完成。第33页/共39页第三十四页，共39页。波形(b xn)控制及转换电路图第34页/共39页第三十五页，共39页。由题意可知：三角波的频率为正负斜率(xil)锯齿波的1/2。显然可由模32计数器来实现。K1K2=11时：计数0-15为加法计数，正斜率(xil)锯齿波计数16-31为减法计数，负斜率(xil)锯齿波。模32计数器可由模16计数器模2计数器来实现。第35页/共39页第三十六页，共39页。计数器输出波形计数器输出波形开关开关(kigun)(kigun)控制电路真值表：控制电路真值表：加与异或门的信号：加与异或门的信号：第36页/共39页第三十七页，共39页。时钟：时钟：时钟：时钟：由实验箱提供。为满足输出由实验箱提供。为满足输出由实验箱提供。为满足输出由实验箱提供。为满足输出(shch)(shch)信号频率正负斜率锯齿信号频率正负斜率锯齿信号频率正负斜率锯齿信号频率正负斜率锯齿波为波为波为波为1kHz1kHz，三角波为，三角波为，三角波为，三角波为0.5kHz0.5kHz，时钟频率应为，时钟频率应为，时钟频率应为，时钟频率应为16kHz16kHz。第37页/共39页第三十八页，共39页。谢谢大家！谢谢大家！祝各位考试祝各位考试(k(kosh)osh)顺利！顺利！第38页/共39页第三十九页，共39页。
