数字逻辑(第8章).ppt

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1、1v 概述概述v D/A转换器转换器v A/D转换器转换器第八章第八章 数模和模数转换数模和模数转换21.1.模数转换器（简称：模数转换器（简称：A/DA/D转换器或转换器或ADCADC）n定义：能将模拟量转换为数字量的电路。定义：能将模拟量转换为数字量的电路。2.2.数模转换器（简称：数模转换器（简称：A/DA/D转换器或转换器或ADCADC）n定义：能将数字量转换为模拟量的电路。定义：能将数字量转换为模拟量的电路。n一般结构一般结构概述计算机对生产进行实时控制的过程：计算机对生产进行实时控制的过程：模拟量：模拟量：温度、压力、湿度、流量、速度温度、压力、湿度、流量、速度 电模拟量：电模拟量

2、：电压、电流电压、电流3一、一、一、一、D/A D/A转换电路原理转换电路原理转换电路原理转换电路原理n n内容：内容：内容：内容：输入的输入的输入的输入的每一位二进制代码每一位二进制代码每一位二进制代码每一位二进制代码按其权的大小转换成按其权的大小转换成按其权的大小转换成按其权的大小转换成相应的模相应的模相应的模相应的模拟量拟量拟量拟量，然后将各位的模拟量，然后将各位的模拟量，然后将各位的模拟量，然后将各位的模拟量相加相加相加相加。数据锁存器：数据锁存器：数据锁存器：数据锁存器：暂时存放输入的暂时存放输入的暂时存放输入的暂时存放输入的数字量。数字量。数字量。数字量。模拟电子开关：模拟电子开关

3、：模拟电子开关：模拟电子开关：受数字量控制受数字量控制受数字量控制受数字量控制，将，将，将，将U UREFREF按位按位按位按位切换到电阻译码网络中切换到电阻译码网络中切换到电阻译码网络中切换到电阻译码网络中变成加权电流变成加权电流变成加权电流变成加权电流。集成运放：对集成运放：对集成运放：对集成运放：对加权电流求和，输出相应的加权电流求和，输出相应的加权电流求和，输出相应的加权电流求和，输出相应的模拟电压模拟电压模拟电压模拟电压。4二、二、二、二、D/AD/A转换器的构成转换器的构成转换器的构成转换器的构成1 1、二进制权电阻网络、二进制权电阻网络、二进制权电阻网络、二进制权电阻网络D/AD

4、/A转换器转换器转换器转换器5希望用较少类型的电阻，希望用较少类型的电阻，仍然能得到一系列权电流仍然能得到一系列权电流2 2、倒倒倒倒T T形电阻网络形电阻网络形电阻网络形电阻网络D/AD/A转换器转换器转换器转换器工作原理：电流分流形成加权值工作原理：电流分流形成加权值 6RRRR789三、三、主要性能指标主要性能指标1、分辨率（理论精度）、分辨率（理论精度）n说说明：明：DACDAC输输出最小出最小电压电压的能力。的能力。nn位位DAC可输出可输出0 2n-1个不同的等级电压。个不同的等级电压。n指指最小输出电压最小输出电压（仅最低位的输入数字量为（仅最低位的输入数字量为1）与）与最大最大

5、输出电压输出电压（各输入数字量全为（各输入数字量全为1）之比。）之比。n：表示输入数字量的位数。：表示输入数字量的位数。n越大，分辨最小输出电压的能力也越强。越大，分辨最小输出电压的能力也越强。2、转换精度、转换精度n实际输出模拟电压值与理论输出模拟电压值之差。实际输出模拟电压值与理论输出模拟电压值之差。3、建立时间（转换速度）、建立时间（转换速度）n从输入数字信号发生突变开始到输出模拟电压或电流达从输入数字信号发生突变开始到输出模拟电压或电流达到稳定值时所用的时间。到稳定值时所用的时间。10第三节第三节 A/D转换器转换器v A/DA/D转换器的基本原理转换器的基本原理v A/DA/D转换器

6、的构成转换器的构成v 主要性能指标主要性能指标11一、一、一、一、A/D A/D转换电路原理转换电路原理转换电路原理转换电路原理n n内容：对内容：对内容：对内容：对输入的输入的输入的输入的模拟电压信号模拟电压信号模拟电压信号模拟电压信号取样取样取样取样,在保持阶段将在保持阶段将在保持阶段将在保持阶段将取样的模拟取样的模拟取样的模拟取样的模拟量转换为量转换为量转换为量转换为数字量，并按照一定的编码形式给出数字量，并按照一定的编码形式给出数字量，并按照一定的编码形式给出数字量，并按照一定的编码形式给出转换结果转换结果转换结果转换结果。模模拟拟电电子子开开关关S在在采采样样脉脉冲冲CPS的的控控制

7、制下下重重复复接接通通、断断开开的的过过程程。S接接通通时时，ui(t)对对C充充电电，为为采采样样过过程程；S断断开开时时，C上上的的电电压压保保持持不不变变，为为保保持持过过程程。在在保保持持过过程程中中，采采样样的的模模拟拟电电压压经经数数字字化化编编码码电路转换成一组电路转换成一组n位的二进制数输出。位的二进制数输出。12t0时刻时刻S闭合闭合，CH被迅速充电，被迅速充电，电路处于采样阶段电路处于采样阶段。uoui。t1时时刻采样阶段结束，刻采样阶段结束，S断开，电路处于保持阶段断开，电路处于保持阶段。若。若A2的输入阻抗的输入阻抗为无穷大，为无穷大，S为理想开关，则为理想开关，则CH

8、没有放电回路，两端保持充电没有放电回路，两端保持充电时的最终电压值不变，从而保证电路输出端的电压时的最终电压值不变，从而保证电路输出端的电压uo维持不变。维持不变。1 1、取样、取样、取样、取样(采样采样采样采样)-)-保持电路保持电路保持电路保持电路132 2、量化与编码、量化与编码、量化与编码、量化与编码n n量化：量化：量化：量化：将采样电压表示为最小数量单位（将采样电压表示为最小数量单位（将采样电压表示为最小数量单位（将采样电压表示为最小数量单位（）的整数倍）的整数倍）的整数倍）的整数倍n n编码：编码：编码：编码：将量化的结果用代码表示出来（二进制，二将量化的结果用代码表示出来（二进

9、制，二将量化的结果用代码表示出来（二进制，二将量化的结果用代码表示出来（二进制，二-十进制）十进制）十进制）十进制）n n量化误差：量化误差：量化误差：量化误差：当采样电压不能被当采样电压不能被当采样电压不能被当采样电压不能被整除时，将引入量化误差。整除时，将引入量化误差。整除时，将引入量化误差。整除时，将引入量化误差。14二、二、二、二、A/DA/D转换器的构成转换器的构成转换器的构成转换器的构成1 1、并联比较型、并联比较型、并联比较型、并联比较型ADCADC15162 2、逐次渐近型（或称为逐次逼近）逐次渐近型（或称为逐次逼近）逐次渐近型（或称为逐次逼近）逐次渐近型（或称为逐次逼近）AD

10、CADCn转换开始前先将转换开始前先将所有寄存器清零所有寄存器清零。n将将寄寄存存器器最最高高位位置置成成1，使使输输出出数数字字为为1000。这这个个数数码码被被D/A转转换器转换成相应的模拟电压换器转换成相应的模拟电压uo，送到比较器中与送到比较器中与ui进行比较。进行比较。u若若uiuo，保留保留1；u若若uiuo，去掉去掉1，最高位改为，最高位改为0。u再再将将次次高高位位置置成成1，并并且且经经过过比比较较以以后后确确定定这这个个1是是否否应应该该保保留留。一直到最低位为止。一直到最低位为止。n比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数

11、字量输出。171 0 0 0 03位：5个CLKN位:(n+2)个CLK18例：例：一个四位逐次逼近型一个四位逐次逼近型ADC电电路，参考路，参考电压电压VREF为为 5 V,现现加入加入的模的模拟电压拟电压vI=4.58 V。求：。求：ADC输输出的数字是多少？出的数字是多少？解：第一步：使寄存器的状态为解：第一步：使寄存器的状态为1000，由，由DAC转换为输出模转换为输出模拟电压拟电压 所以寄存器最高位的所以寄存器最高位的所以寄存器最高位的所以寄存器最高位的1 1保留。保留。保留。保留。第二步：寄存器的状态为第二步：寄存器的状态为第二步：寄存器的状态为第二步：寄存器的状态为1100110

12、0，由，由，由，由DACDAC转换输出的电压转换输出的电压转换输出的电压转换输出的电压 所以寄存器次高位的所以寄存器次高位的所以寄存器次高位的所以寄存器次高位的1 1保留。保留。保留。保留。19所以寄存器最低位的所以寄存器最低位的1去掉，只能为去掉，只能为0。第三步：寄存器的状态为第三步：寄存器的状态为第三步：寄存器的状态为第三步：寄存器的状态为11101110，由，由，由，由DACDAC转换输出的电压转换输出的电压转换输出的电压转换输出的电压所以寄存器第三位的所以寄存器第三位的所以寄存器第三位的所以寄存器第三位的1 1也保留也保留也保留也保留 第四步：寄存器的状态为第四步：寄存器的状态为11

13、11，由，由DAC转换输出的电压转换输出的电压所以，所以，ADC输出数字量为输出数字量为1110。20三、三、主要性能指标主要性能指标1、分辨率、分辨率n说说明明A/DA/D转换转换器器对输对输入信号的分辨能力。入信号的分辨能力。n用用输输出二出二进进制数的位数表示，位数越多，制数的位数表示，位数越多，误误差越小，差越小，转转换换精度越高。精度越高。2、转换误差：、转换误差：n通常以输出误差最大值的形式给出，表示实际输出的数通常以输出误差最大值的形式给出，表示实际输出的数字量和理论上应有的输出数字量之间的差别。字量和理论上应有的输出数字量之间的差别。3、转换速度、转换速度n完成一次转换所需的时

14、间。完成一次转换所需的时间。速度取决于电路结构类型速度取决于电路结构类型速度取决于电路结构类型速度取决于电路结构类型并联比较型：并联比较型：并联比较型：并联比较型：11微秒微秒微秒微秒逐次渐近型：逐次渐近型：逐次渐近型：逐次渐近型：1010010100微秒微秒微秒微秒/次次次次双积分型：几十毫秒双积分型：几十毫秒双积分型：几十毫秒双积分型：几十毫秒/次次次次21习题习题一、选择题一、选择题1一个无符号一个无符号8位数字量输入的位数字量输入的DAC，其分辨率为，其分辨率为 D 位。位。A.1 B.3 C.4 D.82一个无符号一个无符号10位数字输入的位数字输入的DAC，其输出电平的级数为，其输

15、出电平的级数为 CD 。A.4 B.10 C.1024 D.2103一个无符号一个无符号4位权电阻位权电阻DAC，最低位处的电阻为，最低位处的电阻为40K，则最，则最高位处电阻为高位处电阻为 B 。A.4K B.5K C.10K D.20K44位倒位倒T型电阻网络型电阻网络DAC的电阻网络的电阻取值有的电阻网络的电阻取值有 B 种。种。A.1 B.2 C.4 D.85为使采样输出信号不失真地代表输入模拟信号，采样频率为使采样输出信号不失真地代表输入模拟信号，采样频率 和和输入模拟信号的最高频率输入模拟信号的最高频率 的关系是的关系是 C 。A.fsfi(max)B.fs fi(max)C.fs

16、2fi(max)D.fs 2fi(max)6将一个时间上连续变化的模拟量转换为时间上断续（离散）的将一个时间上连续变化的模拟量转换为时间上断续（离散）的模拟量的过程称为模拟量的过程称为 A 。A.采样采样 B.量化量化 C.保持保持 D.编码编码227用二进制码表示指定离散电平的过程称为用二进制码表示指定离散电平的过程称为 D 。A.采样采样 B.量化量化 C.保持保持 D.编码编码8将幅值上、时间上离散的阶梯电平统一归并到最邻近的指定电将幅值上、时间上离散的阶梯电平统一归并到最邻近的指定电平的过程称为平的过程称为 B 。A.采样采样 B.量化量化 C.保持保持 D.编码编码9若某若某ADC取

17、量化单位取量化单位=VREF/8，并规定对于输入电压，并规定对于输入电压uI，在在0uIVREF/8时，认为输入的模拟电压为时，认为输入的模拟电压为0V，输出的二进制数为，输出的二进制数为000，则，则5VREF/8 uI 6VREF/8时，输出的二进制数为时，输出的二进制数为 B 。A.001 B.101 C.110 D.11110以下四种转换器，以下四种转换器，A 是是A/D转换器且转换速度最高。转换器且转换速度最高。A.并联比较型并联比较型 B.逐次逼近型逐次逼近型 C.双积分型双积分型 D.施密特触发器施密特触发器将模拟信号转换为数字信号，需要经过将模拟信号转换为数字信号，需要经过 采

18、样采样 、保持保持 、量量化化 、编码编码 四个过程。四个过程。23二、判断二、判断.权电权电阻网阻网络络D/A转换转换器的器的电电路路简单简单且便于集成工且便于集成工艺艺制造，因此被广泛使制造，因此被广泛使用。（用。（）.D/A转换转换器的最大器的最大输输出出电压电压的的绝对值绝对值可达到基准可达到基准电压电压VREF。（。（）.D/A转换转换器的位数越多，能器的位数越多，能够够分辨的最小分辨的最小输输出出电压变电压变化量就越化量就越小。（小。（）.D/A转换转换器的位数越多，器的位数越多，转换转换精度越精度越高。（高。（）.A/D转换转换器的二器的二进进制数的位数越多，量化制数的位数越多，

19、量化单单位位越小。（越小。（）.A/D转换过转换过程中，必然会出程中，必然会出现现量化量化误误差。（差。（）.A/D转换转换器的二器的二进进制数的位数越多，量化制数的位数越多，量化级级分得越多，量化分得越多，量化误误差就可以差就可以减小到减小到0。（。（）.一个一个N位逐次逼近型位逐次逼近型A/D转换转换器完成一次器完成一次转换转换要要进进行行N次比次比较较，需要，需要N+2个个时钟时钟脉脉冲。（冲。（）3位：位：5个个CLK，N位位:(n+2)个个CLK.双双积积分型分型A/D转换转换器的器的转换转换精度高、抗干精度高、抗干扰扰能力能力强强，因此常用于数字式，因此常用于数字式仪仪表表中。（中。（）.采采样样定理的定理的规规定，是定，是为为了能不失真地恢复原模了能不失真地恢复原模拟拟信号，而又不使信号，而又不使电电路路过过于复于复杂杂。（。（）