数字电路第9章

数字电路与逻辑设计9.1数/模转换器DAC9.2模/数转换器ADC数字电路与逻辑设计数/模和模/数转换器理解数∕模和模∕数转换的基本概念；熟悉数∕模和模∕数转换器的特点；了解常用数∕模和模∕数转换器主要技术指标的意义。学习目的与要求数字电路与逻辑设计数/模和模/数转换器数/模与模/数是计算机与外部设备的重要接口，也是数字测量和数字控制系统的重要部件。能将数字量转换成模拟量的装置称为数/模转换器，简称A/D转换器；能将模拟量转换为数字量的装置称为模/转换器，简称D/A转换器。传感器ADC数字计算机DAC模拟控制控制对象数字信号模拟信号数字电路与逻辑设计数/模和模/数转换器9.1数/模转换器DAC数/模转换器中的文字D代表数字量，A代表模拟量，转换器用C表示。目前常见的D/A转换器中，有权电阻网络D/A转换器，倒梯形电阻网络D/A转换器等。1.DAC的基本概念构成数字代码的每一位都具有一定的“权重”。为了将数字量转换成模拟量，就必须将每一位代码按其“权重”转换成相应的模拟量，然后再将代表各位的模拟量相加，即可得到与该数字量成正比的模拟量，这就是构成D/A变换器的基本思想。数字电路与逻辑设计数/模和模/数转换器(1)DAC的转换特性DAC电路的作用是将输入的数字量转换成与输入数字量成正比输出模拟量。在转换过程中，将输入的二进制数字信号转换成模拟信号，以电压或电流的形式输出。数字量输入模拟量输出DAC组成框图基准电压数据锁存器电子开关电阻网络求和放大图中数据锁存器用来暂时存放输入的数字信号。n位锁存器的并行输出分别控制n个模拟开关的工作状态。通过模拟开关，将参考电压按权关系加到电阻解码网络。数字电路与逻辑设计数/模和模/数转换器对于有权码，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。当输入的数字量是由n位8421BCD码表示的数字信号X时，其从高位到最低位的权依次为依次为2n-1、2n-2…21、20等，其大小可表示为：100011221122222niiinnnnxxxxxXDAC电路的输出模拟电压u0（或模拟电流i0）为：10002)(niiiiuiuxRRXRRiu）（或）（或或电流转换系数电压转换系数数字电路与逻辑设计数/模和模/数转换器01234567001010011100101110111u0/VD000当Ru（或Ri）为1、n＝３时，根据上式可得DAC的转换特性曲线如下图所示：模拟输出理想特性数字输入DAC的转换特性曲线数字电路与逻辑设计数/模和模/数转换器400.05521121DAC8100.010231121DAC10810分辨率位分辨率位(2)DAC的主要参数1）分辨率：用来说明D/A转换器最小输出电压(此时输入的数字代码只有最低有效位为1，其余各位都是0)与最大输出电压(此时输入的数字代码所有各位全是1)之比。一个8位和一个10位的两个DAC，其分辨率分别为：从上式可看出：DAC输入数字量的位数n越多，电路的分辨能力越高。因此，有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率的高低。数字电路与逻辑设计数/模和模/数转换器2）绝对精度(或绝对误差)和非线性度绝对精度是指输入端加对应满刻度数字量时，DAC输出的实际值与理论值之差。一般绝对误差应低于uLSB/2。在满刻度范围内，偏离理想转换特性的最大值称为非线性误差。非线性误差与满刻度值之比称非线性度，常用百分比表示。3）建立时间指输入变化后，输出值稳定到距最终输出量±uLSB所需的时间。建立时间反映了DAC电路转换的速度。除此之外，在选用DAC器件时，还需要考虑其电源电压、输出方式、输出值范围及输入逻辑电平等参数。数字电路与逻辑设计数/模和模/数转换器2.集成数/模转换器DA0832DAC0832是8位的电流输出型D/A转换器，在对其输入8位数字量后，通过外接运放，即可获得相应的模拟电压。片选信号输入端CSWR1XFERWR2UCCILEDGNDIO1AGNDIO2D1D0D3D2URRFD6D7D4D5输入锁存允许信号端输入数据选通信号数据传送选通信号写信号2基准电源输入端反馈电阻D为数字量输入端电流输出端1和2电源5～15V输入端模拟“地”数字“地”数字电路与逻辑设计数/模和模/数转换器9.2模/数转换器ADC1.模/数转换的原理在模拟量转换为数字量的过程中，由于输入的模拟量在时间上是连续的，而输出的数字量是离散的，所以进行转换时只能在一系列选定的瞬间对输入的模拟量采样后再转换为输出的数字量。模/数转换器的作用就是将输入的模拟电压数字化。转换过程一般通过采样、保持、量化和编码四个步骤完成。在实际电路中，这些过程有的通常是合并进行的，例如，取样和保持，量化和编码往往都是在转换过程中同时实现的。数字电路与逻辑设计数/模和模/数转换器输入模拟电压uiCP采样保持电路取样展宽信号ui′SADC电子开关S受CP控制采样过程是通过模拟电子开关S实现的。模拟电子开关每隔一定的时间间隔闭合一次，当一个连续的模拟信号通过这个电子开关时，就会转换成若干个离散的脉冲信号。...Dn-1D1D0ADC的量化编码电路通过采样脉冲的作用，转换成时间上离散、但幅值上仍连续的离散模拟信号。量化编码就是先将幅值连续可变的采样信号量化成幅值有限的离散信号，再将这些离散信号用对应量化电平的一组二进制代码表示。N位数字量输出数字电路与逻辑设计数/模和模/数转换器采样是将时间上、幅值上都连续变化的模拟信号，通过采样脉冲的作用，转换成时间上离散、但幅值上仍连续的离散模拟信号。因此采样又称为波形的离散化过程。(1)采样保持电路CPSADCuiu0采样保持电路CP＝1时，采样开关S接通，ui信号被采样，并送到电容C中暂存。CP＝0时，采样开关S断开，前面采样得到的电压信号在电容C上保持，直到下一个CP＝1信号到来，再对新的电压信号进行采样。采样定理：输入的模拟信号的最高频率分量为fmax，采样信号频率为fs，如果fs2fmax，则可以无失真地复现输入信号。数字电路与逻辑设计数/模和模/数转换器ui采样电路的输入信号波形采样电路的离散输出波形tu采样间隔时间采样保持时间为保证采样后的离散模拟信号能够基本上真实地保留原始模拟信号ui的信息，采样信号的频率必须至少为原信号中最高频率成分fimax的2倍，这是采样电路的基本法则，也就是前面我们所说的采样定理。数字电路与逻辑设计数/模和模/数转换器量化：数字信号不仅在时间上是离散的，而且数值大小的变化也是不连续的。即任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。因此，在进行A/D转换时也必须把采样电压化为这个最小数量单位的整数倍，这一转化过程就称为“量化”。两个量化电压之间的差值称为量化间隔S，量化电压的位数越多，量化等级越细，S的数值就越小。显然，量化编码电路的作用是先将幅值连续可变的采样信号量化成幅值有限的离散信号，再将量化后的信号用对应该量化电平的一组二进制代码表示。量化过程中所取的最小数量单位称为量化当量δ。δ是数字量最低位为1时所对应的模拟量，即ULSB。编码：将量化后的信号用对应量化电平的一组二进制代码来表示的过程称为编码。(2)量化编码电路数字电路与逻辑设计数/模和模/数转换器9.2模/数转换器ADC1.模/数转换的原理A/D转换就是将模拟量电压Ui转换为与它成比例的数字量，包括量化和编码两个过程。将0~0.7V的模拟量转换为3位二进制数码，即000~111为单位量化电压为输入电压，其中转换关系为uuuuDnii:模拟量数字量模拟量数字量0~0.1V0000.4~0.5V1000.1~0.2V0010.5~0.6V1010.2~0.3V0100.6~0.7V1100.3~0.4V0110.7V111数字电路与逻辑设计数/模和模/数转换器9.2模/数转换器ADC1.模/数转换的原理将0~0.7V的模拟量转换为3位二进制数码，即000~111模拟量数字量模拟量数字量0~0.1V0000.4~0.5V1000.1~0.2V0010.5~0.6V1010.2~0.3V0100.6~0.7V1100.3~0.4V0110.7V111以上过程量化误差达0.1V数字电路与逻辑设计数/模和模/数转换器9.2模/数转换器ADC1.模/数转换的原理将0~0.7V的模拟量转换为3位二进制数码，即000~111模拟量数字量模拟量数字量0~0.05V0000.35~0.45V1000.05~0.15V0010.45~0.55V1010.15~0.25V0100.55~0.65V1100.25~0.35V0110.65~0.7V111以上过程量化误差达±0.05V数字电路与逻辑设计数/模和模/数转换器分辨率通常用ADC输出的二进制位数来表示。位数越多，误差越小，转换精度越高。指ADC完成一次对模拟量的测量到数字量的转换完成所需的时间。它反映了ADC转换的快慢速度。指ADC转换后所得数字量所代表的模拟量与实际模拟输入值之差，通常以数字量最低位所代表的模拟输入值ULSB来衡量。2.ADC的主要技术指标转换时间绝对精度数字电路与逻辑设计数/模和模/数转换器3.集成ADC0809简介12345678910111213142827262524232221201918171615ADC0809左图是ADC0809集成芯片的引脚图。它是一个28脚的芯片，采用CMOS工艺制成的8位ADC，内部采用逐次比较结构形式。各引脚的作用如下：IN0~IN7为8个模拟信号输入端。由地址译码器控制将其中一路送入转换器进行转换。ADDA、ADDB、ADDC是模拟信道的地址选择。CP为时钟脉冲输入端。ALE是地址锁存允许信号，高电平时可进行模拟信道的地址选择；START是启动信号。上升沿将寄存器清零，下降沿开始进行转换；EOC为模数转换结束，高电平有效；D0~D7是数字量输出端口；UR(+)为正参考电压输出；UR(-)是负参考电压输出。数字电路与逻辑设计数/模和模/数转换器认真复习，加强练习，巩固成果，学以致用！Goodbye!