数字电子技术基础1学习教案.pptx

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1、数字电子数字电子(dinz)技术基础技术基础1第一页，共30页。一、模拟量、数字一、模拟量、数字一、模拟量、数字一、模拟量、数字(shz)(shz)(shz)(shz)量以及二者的相互转换量以及二者的相互转换量以及二者的相互转换量以及二者的相互转换第一节 D/A和A/D转换(zhunhun)的基本原理 连续变化的物理量称为模拟量，模拟量是可以连续取值的。连续变化的物理量称为模拟量，模拟量是可以连续取值的。有规律有规律(gul)(gul)但不连续的变化量称为数字量，也叫离散量。数但不连续的变化量称为数字量，也叫离散量。数字量是不能连续取值的。字量是不能连续取值的。连续变化的模拟量 电压、电流或频

2、率等电量 被控对象传感器A/D转换数字信号 处理后的数字信息 数字系统电的模拟量 D/A转换执行机构数字控制系统框图第1页/共30页第二页，共30页。二二二二、D/AD/A转转转转换换换换(zhunhun)(zhunhun)的的的的基基基基本本本本原原原原理理理理第一节 D/A和A/D转换(zhunhun)的基本原理 要将数字量要将数字量D转换为模拟量转换为模拟量A，需要一个模拟参考，需要一个模拟参考(cnko)量量R，使得，使得A=DR 若若 maxA=R 则则 0D1 即数字量即数字量D是一个不大于是一个不大于1的的n进制数。自然，这里的进制数。自然，这里的D是是二进制数：二进制数：D=a

3、121+a222+an2n,ai(0,1)实际中通常用一个参考电压实际中通常用一个参考电压UREF作模拟参考量。作模拟参考量。第2页/共30页第三页，共30页。第一节 D/A和A/D转换(zhunhun)的基本原理 注意，注意，A虽是虽是(su sh)模拟模拟量，但并不能取任意值，而只能量，但并不能取任意值，而只能根据输入量根据输入量D得到某些特定值。得到某些特定值。ADOLSBD/A转换(zhunhun)特性 第3页/共30页第四页，共30页。三、三、D/A转换器的主要转换器的主要(zhyo)技术参数技术参数 分辨分辨(fnbin)(fnbin)力：力：D/AD/A转换器分辨转换器分辨(fn

4、bin)(fnbin)最小模最小模拟量的能力。拟量的能力。分辨率：通常分辨率：通常(tngchng)(tngchng)指指D/AD/A转换器的二进制位数。转换器的二进制位数。满量程满量程：D/A转换器可输出模拟量的最大值。转换器可输出模拟量的最大值。非线性误差非线性误差：在满量程范围内偏离理想转换特性的最大值称：在满量程范围内偏离理想转换特性的最大值称为非线性误差。为非线性误差。第一节 D/A和A/D转换的基本原理 也就是最低有效位LSB所对应的模拟量，记作RLSB。显然位数越多，D/A转换器所能输出的最小模拟量值也越小，因而分辨力与分辨率是统一的。有时对二者不加区分。第4页/共30页第五页，

5、共30页。转转换换精精度度：通通常常以以满满量量程程相相对对误误差差(xin du w ch)来来说说明明D/A转换器的转换精度。转换器的转换精度。建立时间：从输入数字信号稳定到输出建立时间：从输入数字信号稳定到输出(shch)(shch)模拟信号稳定模拟信号稳定所需要的时间。所需要的时间。(u)max为最大绝对误差(ju du w ch)。温度系数温度系数：在规定范围内，温度变化在规定范围内，温度变化1时，增益、线性度、时，增益、线性度、零点及偏移等参数的变化量分别称为增益温度系数、线性度温度系零点及偏移等参数的变化量分别称为增益温度系数、线性度温度系数、零点温度系数、偏移温度系数。数、零点

6、温度系数、偏移温度系数。建立时间决定了D/A转换器输出信号所能达到的最小重复周期。三、三、D/A转换器的主要技术参数转换器的主要技术参数 第一节 D/A和A/D转换的基本原理 第5页/共30页第六页，共30页。四、四、A/D A/D转换转换(zhunhun)(zhunhun)的基本原理的基本原理 A/D转换的过程转换的过程(guchng)，是一个将模拟信号变换为数，是一个将模拟信号变换为数字信号的编码过程字信号的编码过程(guchng)。若若模模拟拟参参考考量量为为R，则则输输出出数数字字(shz)量量D和和输输入入模模拟拟量量A之之间的关系为间的关系为 D A/R第一节 D/A和A/D转换的

7、基本原理 DA/D转换器AR（UREF）A/D转换转换A/D转换类似用天平测量质量质量天平仪质量天平仪mX质量天平仪质量天平仪mX质量天平仪质量天平仪mXmmin 数字D永远不能精确地表示被测物体质量mx，而只能以一个最小砝码mmin的精度去逼近。第6页/共30页第七页，共30页。mmin称称为为量量化化单单位位(dnwi)。无无论论mmin多多小小，总总不不能能是是无无穷穷小小，由由mmin不不能能是是无无穷穷小小而而带带来来的的误误差差称称为为量量化误差。化误差。量量化化误误差差是是不不能能消消除除的的。但但A/D转转换换得得出出的的数数字字量量可可以以(ky)提提供供较较模模拟拟量量更更

8、多多的的有有效效数数字字，使使得得数据处理的总体精度大大提高。数据处理的总体精度大大提高。第一节 D/A和A/D转换(zhunhun)的基本原理 DAOLSB第7页/共30页第八页，共30页。五、五、A/D转换器的主要转换器的主要(zhyo)技术参数技术参数 分辨分辨(fnbin)(fnbin)力：力：A/DA/D转换器分辨转换器分辨(fnbin)(fnbin)最小模拟量最小模拟量的能力。的能力。分辨率分辨率：A/D转换器的二进制位数。转换器的二进制位数。量化误差：量化误差通常是指量化误差：量化误差通常是指1 1个个LSBLSB的输出变化的输出变化(binhu)(binhu)所对所对应模拟量的

9、范围。应模拟量的范围。转换精度转换精度：A/D转换器的转换精度不仅仅取决于量化误差，转换器的转换精度不仅仅取决于量化误差，而是由多种因素决定的。而是由多种因素决定的。A/D转换器的转换精度一般表示为转换器的转换精度一般表示为nLSB。转换时间转换时间：完成一次转换所用的时间。完成一次转换所用的时间。第一节 D/A和A/D转换的基本原理 第8页/共30页第九页，共30页。五、五、A/D转换器的主要转换器的主要(zhyo)技术参数技术参数 转换速率转换速率(sl)：每秒转换的次数。：每秒转换的次数。转换转换(zhunhun)速率与转换速率与转换(zhunhun)时间不一定时间不一定是倒数关系。是倒

10、数关系。第一节 D/A和A/D转换的基本原理 两次转换过程允许有部分时间的重叠，因而转速率大于转换时间的倒数，这称作管线（pipelining）工作方式。例如：例如：第9页/共30页第十页，共30页。一、权电阻一、权电阻一、权电阻一、权电阻(dinz)(dinz)型型型型D/AD/A转换器转换器转换器转换器第二节 D/A转换器UREFuOSn-1 Sn-2 Si S1 S01 0 1 0 1 0 1 0 1 0Dn-1 Dn-2 Di D1 D0iRf第10页/共30页第十一页，共30页。第二节 D/A转换器 右右图图所所示示的的电电路路中中，设设n=4,UREF=10V,R=100k,Rf=

11、8k,输输入入(shr)二二进进制制数数码码S3S2S1S0为为1011。试试问问运运算算放大器输出电压是多少？放大器输出电压是多少？解：解：权权电电阻阻型型D/A转转换换器器中中的的解解码码(jim)网网络络所所用用的的阻阻值值范范围围很很大大,特特别是当分辨率较高时别是当分辨率较高时,电阻值的范围会大得难以实现。电阻值的范围会大得难以实现。UREFuOSn-1 Sn-2 Si S1 S01 0 1 0 1 0 1 0 1 0Dn-1 Dn-2 Di D1 D0Rf第11页/共30页第十二页，共30页。二、二、二、二、R-2R R-2R 网络网络网络网络(wnglu)(wnglu)型型型型D

12、/AD/A转换器转换器转换器转换器第二节 D/A转换器虚地虚地2R2RR对地电(d din)阻为2R2RR对地电阻为2R2R2R2R2RRRRRfUREFuOSn-1 Sn-2 Si S1 S01 0 1 0 1 0 1 0 1 0Dn-1 Dn-2 Di D1 D0IREFIREF/2IREF/2i 与权电阻网络相比，R-2R电阻网络中只有R、2R两种阻值(z zh)，从而克服了权电阻网络阻值(z zh)多、阻值(z zh)差别大的缺点。第12页/共30页第十三页，共30页。三、集成三、集成三、集成三、集成(j chn)D/A(j chn)D/A转换器转换器转换器转换器DAC0832DAC0

13、832第二节 D/A转换器内部结构内部结构第13页/共30页第十四页，共30页。三、集成三、集成三、集成三、集成(j chn)D/A(j chn)D/A转换器转换器转换器转换器DAC0832DAC0832第二节 D/A转换器典典型型(dinxng)应应用用第14页/共30页第十五页，共30页。第三节 A/D转换器 一、A/D转换器的关键部件比较(bjio)器 A/D转转换换的的过过程程就就是是用用模模拟拟量量A与与 参参 考考 量量 R比比 较较 的的 过过 程程，因因 此此(ync)，电电压压比比较较器器就就成成了了A/D转转换器中重要部件。换器中重要部件。比较比较(bjio)(bjio)器

14、的输出为器的输出为 +DuXUREF0 1第15页/共30页第十六页，共30页。tf(t)O模拟信号第三节 A/D转换器 二、取样保持(boch)电路 所所谓谓取取样样(qyng)(qyng)就就是是将将一一个个时时间间上上连连续续变变化化的的模模拟拟量量转转换换为为时时间上离散的模拟量。间上离散的模拟量。根根据据取取样样定定理理，每每经经过过一一定定时时间间隔间间隔TS取出信号的一个值，只要取出信号的一个值，只要TS （fm为为信信号号频频带带中中的的最最高高频频率率），这这些些取取样样值值就就可可以以无无损损失失地地表达原模拟信号。表达原模拟信号。tf*(t)O76543211TS2TS取

15、样(qyng)信号3TS4TS5TS6TS7TS8TS第16页/共30页第十七页，共30页。第三节 A/D转换器 二、取样(qyng)保持电路 由由于于对对模模拟拟量量进进行行量量化化的的过过程程需需要要一一定定(ydng)(ydng)的的时时间间，所所以以为为保保证证转转换换精精度度，在在转转换换（即即量量化化）时时间间内内应应使使取取样样点点的函数值保持不变。的函数值保持不变。这这种种暂暂时时保保持持由由瞬瞬时时取取样样得得到到的的模模拟拟信信号号的的电电路路，就就是是(jish)(jish)取取样样保保持持电电路路。右右图图是是一一种种常常用用的的取取样样保持电路。保持电路。uIS(t)

16、+uOR2CTR1S(t)S(t)S(t)S(t)uO=-uC+-+-10tWS(t)TS-tW 在取样脉冲在取样脉冲S（t）持续时间持续时间tw内内，T导通。输入信号导通。输入信号uI经开经开关关T对电容对电容C进行充电。只要充进行充电。只要充电时间常数远小于取样信号电时间常数远小于取样信号S（t）的持续时间的持续时间tw，则输出则输出信号信号uO就能跟踪输入信号就能跟踪输入信号uI的的变化。变化。当取样脉冲结束，即在TS-tw时间内，场效应管T关断，因而电容器上电压uC无泄放回路，保持不变，则uO=-uC也保持不变。第17页/共30页第十八页，共30页。LSB第三节 A/D转换器 三、并行

17、(bngxng)比较型A/D转换器 假定被转换的模拟假定被转换的模拟(mn)输入电压输入电压uI在在0UREF范围内变化。取范围内变化。取3位位二进制数代表模拟二进制数代表模拟(mn)输输入入uI的数字输出。的数字输出。采用有舍有入的量化方式，利用电阻分压把标准(biozhn)电压UREF分成8段（量化阶梯），位数越多，精度越高。UR1=UREFRRRRRRUR2=UREFUR3=UREFUR4=UREFUR6=UREFUR5=UREFUR7=UREFUREFLSB/2二进制数输出 其中6段间隔为(1/7)UREF，另外两段间隔（最初和最末）为(1/14)UREF。因此，输入模拟电压从0到UR

18、EF整个范围内，它的最大量化误差都是一样的，即永远不会超过(1/14)UREF。010011100101110111 001是在(1/7)UREF时的值。在(1/14)UREF，(3/14)UREF之间的值和(1/7)UREF最多相差(1/14)UREF，因此，最大量化误差不会超过(1/14)UREF。000001R8R1参考电压模拟输入电压uI UREF UREF UREF UREF UREF UREF UREFRRRRRR分压器组UREFC1C7C6C5C4C3C2uI比较器组Q6Q4FF7Q7FF6FF5Q5FF4FF3Q3FF2Q2FF1Q1CP 由7个D触发器组成的同步寄存器组。D2

19、D1D0编码器例：当 ，求输出的数字量。0000011001010001010000100 1 0 1 1 0 0 0 0 03/14UREFuI I 5/14UREF 由于各个比较器的工作过程几由于各个比较器的工作过程几乎是同时的，所以并行比较型乎是同时的，所以并行比较型A/D转换器的转换器的转换速率在所有转换速率在所有A/D转换转换方案中是最高的方案中是最高的。但需要使用大量的比较器。但需要使用大量的比较器。第18页/共30页第十九页，共30页。D/ACD/ACD/AC第三节 A/D转换器 四四、串串行行比比较较(bjio)型型A/D转转换器换器 串串行行比比较较型型A/D转转换换器器让让

20、模模拟拟信信号号依依时时间间顺顺序序通通过过一一连连串串比比较较器器，后后面面比比较较器器的的输输入入信信号号反反映映了了前前面面(qin mian)比比较器的剩余。较器的剩余。由由于于后后一一位位的的比比较较需需要要使使用用前前一一位位的的结结果果，所所以以这这种种方方案案的的转转换换速速率率不不可可能能(knng)做做得得很很高高。但但相相同同分分辨辨率率的的A/D转转换换器，串行比较法较并行比较法少用了大量的比较器。器，串行比较法较并行比较法少用了大量的比较器。UREFuIC3D3uX3UR3uY3D2uX2UR2uY2C2D1uX1UR1uY1C1D0 取并行比较型速度快与串行比较型结

21、构简单之优点，构成了折中方案并-串比较型A/D转换器。第19页/共30页第二十页，共30页。DAC第三节 A/D转换器 五五、并并-串串比比较较(bjio)型型A/D转转换换器器UREFuI高位高位(o wi)比较器列比较器列 首先(shuxin)在高位比较器列上实现高a位A/D转换，转换结果一方面作为高位输出。aa位高位比较器位高位比较器a 另一方面加到a位D/A转换器上将已转换的高位数字还原为模拟电压，再与输入模拟电压作减运算，并将其差值放大至2a倍。UR12a放大放大UIIb位低位比较位低位比较器器b输输出出寄寄存存器器 放大器的输出UII由低位比较器列转换出低b位数字，并与高位数字一同

22、输出。a+b第20页/共30页第二十一页，共30页。FF1 FF2 FF3 FF4 FF5QA QB QC QD QECPuI(t)uOCOCOCO1 uI uO3位码位码D/AC电路电路补偿电压补偿电压=（1/2）LSB=0.5V第三节 A/D转换器 六六、逐逐次次(zh(zh c)c)比比较较型型A/DA/D转换器转换器10004V3.5V4.9V0 逐次(zh c)比较型ADC工作原理也可用天平测量质量来比照。模数为5的环形计数器。例：uI(t)=4.9V10000G3 G2 G1RdQ3 Q2 Q1G4G5G6D2D1D03位码位码D/AC电路电路(dinl)000第21页/共30页第

23、二十二页，共30页。FF1 FF2 FF3 FF4 FF5QA QB QC QD QECPuI(t)uOCOCOCO1 uI uO3位码位码D/AC电路电路补偿电压补偿电压=（1/2）LSB=0.5VG3 G2 G1RdQ3 Q2 Q1G4G5G6D2D1D04.9V6V5.5V0第三节 A/D转换器 六六、逐逐次次(zh(zh c)c)比比较较型型A/DA/D转转换换器器 第二个时钟脉冲到来(doli)时。0100010001101 第三个时钟脉冲到来(doli)时。001001010 第五个时钟脉冲到来时。000011015V4.5V G4、G5、G6门开，Q3、Q2、Q1数据传出。第22

24、页/共30页第二十三页，共30页。UREF -uIDn-1D1D0CPDQnQn-1Q1Q0uO1uO2CR2S1R1S2第三节 A/D转换器 七七、双双积积分分(jfn)型型A/D转转换换器器 双双 积积 分分 型型 A/D转转 换换 器器 就就 是是 先先 把把 电电 压压 转转 换换 成成 中中 间间(zhngjin)量量时时间间，再再将将时时间间转转换换为为数数字字，这这种种转转换换方方法属于间接转换。法属于间接转换。01-+1有效有效(yuxio)0001000101100011010111110001第23页/共30页第二十四页，共30页。UREF -uIDn-1D1D0CPDQn

25、Qn-1Q1Q0uO1uO2CR2S1R1S210001有效有效第三节 A/D转换器 七、双积分型七、双积分型A/D转换器转换器 双双积积分分型型A/D转转换换器器就就是是先先把把电电压压转转换换成成中中间间量量时时间，再将时间转换为数字，这种转换方法属于间接转换。间，再将时间转换为数字，这种转换方法属于间接转换。0-+100 正电压UREF向电容C充电，电容两端电压不能突变(tbin)，使得uo1电压逐步下降，但还是正值，uo2为负值。非门输出维持不变，还是高电平，使得CP信号继续(jx)有效，计数器继续(jx)计数。010110001 当输出D为100时，uo1小于零，使得uo2信号(xn

26、ho)翻转为高电平。此时非门输出为0，关断CP信号，寄存器输出可以作为数字量输出。0无效无效第24页/共30页第二十五页，共30页。(式式7.3.2)第三节 A/D转换器 七、双积分七、双积分(jfn)型型A/D转换器转换器 双双积积分分(jfn)型型A/D转转换换器器在在开开始始一一定定时时间间内内，积积分分(jfn)器器A1以以输输入入电电压压uI为为被被积积函函数数进进行行积积分分(jfn)，然然后后以以与与输输入入电电压压uI极极性性相相反反的的参参考考电电压压为为被被积积函函数数进进行行积积分分(jfn)，再对积分，再对积分(jfn)输出电压进行过零比较。输出电压进行过零比较。UO2

27、UO1斜率斜率UO1t0t1T1（常数）斜率斜率t2T2D的正向的正向(zhn xin)电压电压-0.75V-0.75V（t0tt1，uI0）式中：式中：T1=t1-t0,t0=0,uI0。（t t=t t2 2）(式式7.3.4)第25页/共30页第二十六页，共30页。第三节 A/D转换器=七、双积分七、双积分(jfn)型型A/D转换器转换器U02U01斜率斜率U01t0t1T1（常数）斜率斜率t2T2D的正向电压的正向电压-0.75V-0.75V将式（将式（7.3.2）代入式（）代入式（7.3.4）得）得第26页/共30页第二十七页，共30页。ADC0809是是8位位CMOS逐次比较型逐次

28、比较型A/D转换器，具有转换器，具有8个输入个输入通道，可直接选通通道，可直接选通8路模拟量进行转换。路模拟量进行转换。输出设有三态输出设有三态TTL锁存缓冲器，便于和各种微处理机接口。锁存缓冲器，便于和各种微处理机接口。ADC0809的主要组成部分有的主要组成部分有8路模拟开关路模拟开关(kigun)、地址译、地址译码、码、256个电阻组成的电阻网络和开关个电阻组成的电阻网络和开关(kigun)树、树、8位逐次比较位逐次比较寄存器、寄存器、8位三态输出锁存缓冲器、比较器和时序控制电路。位三态输出锁存缓冲器、比较器和时序控制电路。第三节 A/D转换器 八、集成八、集成(j chn)A/D转换器

29、及其应用转换器及其应用ALEADDCADDBADDA地址(dzh)译码与锁存8路模拟开关器IN0 IN1 IN2IN3 IN4 IN5 IN6 IN78路路模模拟拟输输入入 8路模拟输入信号选择哪一路进行转换，要靠多路选择器来完成。例：ADDC=1 ADDB=1 ADDA=0 的情况 1101IN6逐次比较寄存器 8位逐次比较寄存器共可记录28=256 种可用状态。树状开关 开关树输出UREF也有256个参考电压，将UREF送入比较器与输入模拟电压uI进行比较。第27页/共30页第二十八页，共30页。另外另外(ln wi)(ln wi)，A/DA/D转换器的新产品也时有出现，如用于高精度音转换

30、器的新产品也时有出现，如用于高精度音频信号处理的频信号处理的-型型A/DA/D转换器等。转换器等。1.常用的常用的D/A转换器有权电阻型和转换器有权电阻型和R-2R网络型两种电路网络型两种电路(dinl)。由于由于R-2R 网络型电阻取值较少，易于集成，便于提高精网络型电阻取值较少，易于集成，便于提高精度，多为集成度，多为集成D/A转换器所采用。转换器所采用。2.常用的常用的A/D转换器有双积分、逐次转换器有双积分、逐次(zh c)比较和并行比较型三种。比较和并行比较型三种。双积分型精度高，抗干扰能力强，对元件稳定性要求较低，但转换双积分型精度高，抗干扰能力强，对元件稳定性要求较低，但转换速率低；速率低；逐次逐次(zh c)比较型转换精度较高，成本较低，速度适中；比较型转换精度较高，成本较低，速度适中；并行比较型转换速率高，但要求集成度高，且易受干扰。并行比较型转换速率高，但要求集成度高，且易受干扰。小 结第28页/共30页第二十九页，共30页。自我检测自我检测(jin c)：7.4，7.10，7.11思考题：思考题：7.2，7.4，7.6，7.13，7.14习题：习题：7.2，7.6，7.9，7.10作 业第29页/共30页第三十页，共30页。