Transcript 数模转换与模数转换的应用

电工电子实验——数模转换与模数转换的应用
电工电子实验教学中心
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电工电子实验——数模转换与模数转换的应用
目
录
一、概述
二、DAC
三、ADC
四、常用DAC
五、综合实验设计
2
电工电子实验——数模转换与模数转换的应用
一、概述
1.概念及其应用
传感
器
计算
机
A/D
D/A
模拟
控制
被测被控对象
图1 典型的数字控制系统框图
2.主要技术指标
（1）精度：用分辨率、转换误差表示
（2）速度：用转换时间、转换速率表示
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电工电子实验——数模转换与模数转换的应用
二、 DAC
1.DAC的基本原理
参考电源
UREF
D 数码
寄存器
模拟
开关
译码
网络
求和
放大器
uA
图2 DAC方框图
n 1
u A  KDU REF  KU REF  Di 2i
i 0
4
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uA
6
4
2
1111
1101
1011
1001
1110
1100
1010
0010
0100
0110
0001 0011 0101
0111
D
-2
-4
-6
图3 D和uA的关系图
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2.倒T型R-2R电阻网络DAC
（1）构成
电阻网络、双向电子模拟开关、求和放大器、
数码寄存器、参考电源
（2）工作原理
U REF R f
uO   n
2 R
n 1
i
D
2
 i  KDU REF
i 0
U REF
通常取 Rf=R，则： uO   2n D
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U REF
IR =
A
R
B
R
U REF
C
R
M
R
N
IR
IR IR
IR
IR
IR
IR
2
2
8
2 n -1
2 n -1
2n
4
2R
S0
2R
S1
2R
S2
2R
S n-2
2R
2R
RF
S n-1
P
¡Þ
uO
I ¡Æ
D n-1
D n-2
D n-3
D1
D0
图4 倒T型R-2R电阻网络D/A转换电路
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满量程电压值：
uOm
2n  1
  n U REF
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3.DAC的主要参数
（1）分辨率
输入变化1LSB时，输出端产生的电压变化。
LSB：Least Significant Bit
MSB：Most Significant Bit
a. 用输出的电压（电流）值表示
U REF
uOm
R   n  n
2
2 1
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b. 用百分比表示
U REF
 n
2
u
1
R 

 n
U Om  U REF (2n  1) 2  1
2n
c. 用位数n表示
(2)转换误差
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。
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(3)建立时间tset
从输入的数字量发生突变开始，直到输出电
压进入与稳态值相差±½LSB范围以内的这段时
间。
uO
±½LSB
tset
t
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三、ADC
1.模数转换的一般过程
（1）采样和保持
（2）量化与编码
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。
①舍尾方法
②四舍五入方法
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u1(t)
O
t
(a)模拟输入信号
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S (t )
O
( b′)采样信号
t
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S (t )
O
(b)采样输出信号
t
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uO(t)
O
（c）采样保持信号
t
图5 模拟信号的采样保持
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采样—保持信号uO
量化电平uq
7
8
U REF  uO  U REF (7 ~ 8)
8
8
…
…
1
2
U REF  uO  U REF (1 ~ 2)
8
8
1
0  uO  U REF
8
U REF 1
  n  U REF
2
8
7
(0 ~ 1)
1
0
最大量化误差 max  1
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采样—保持信号uO
量化电平uq
13
15
U REF  uO  U REF (6.5 ~ 7.5 )
15
15
…
…
1
3
U REF  uO  U REF (0.5 ~ 1.5)
15
15
7
1
1
0  uO  U REF
(0 ~ 0.5) 0
15
2
2

  n1 U REF  U REF 最大量化误差 max 
2 1
15
2
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2.逐次逼近式ADC
（1）组成
电压比较器、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；
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直到最低位比较完为止。此时JKFF中所存
的数码就是所求的输出数字量。
转换位数为N，则转换时间为(N+1)Tcp。
3.ADC的主要参数
（1）分辨率：所能分辨的输入模拟量的最小值。
a. 用输入的电压（电流）值表示
U REF U Im
R  n  n
2
2
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C
F
uI
A
1
G
D0
D
R J
A
D /A
QA
S K
D
R J
ת
B
S K
QB
U'R EF
D1
D
»»
D2
R J
C
图6 4位逐次逼
S K
QC
D3
Æ÷
D
结构图
R J
D
S K
QD
012 3 4
UR EF
近型A/D转换器
CP
ʱРò ·ÖÅäÆ ÷
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CP
CP0
CP1
CP2
CP3
CP4
图7 时序分配器输出波形
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b. 用百分比表示
U REF
n
u
1
2
R 

 n
U Im U REF 2
c. 用位数n表示
（2）转换误差
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
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b.相对误差 ：
绝对误差与额定最大输入模拟值（FSR）
的比值，通常用百分数表示。
（3）转换时间和转换速率
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四、常用D/A转换器
美国National Semiconduct (NSC)公司DAC系列：八
位、十位、十二位三种。采用CMOS/Si（硅）-Cr（铬）
工艺和倒梯形电阻网络。
1、八位D/A转换器DAC0830/0831/0832系列
管脚图及引脚功能：
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片选
电
源
写入
1
模拟
地
输入锁
存允许
转移
控制
数字
输入
写入
2
数字输
入
参考电
压
电流输出
2
反馈
电阻
数字
地
电流输出
1
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内部框图
8位输入
寄存
器
8位D/A转换器
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2、应用提示
 所有不用的数字输入端应连到VCC或地，如果悬浮，
则将该引脚作为逻辑“1”处理。
 单极性输出
V
V   REF D
0
256 n
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五、综合实验(D/A转换电路P222)
1、实验课题：设计一个可编程波形发生器
技术指标：
开关K2K1=01时，输出正斜率锯齿波。
开关K2K1=10时，输出负斜率锯齿波。
开关K2K1=11时，输出由正负斜率锯齿波合成的三角波。
输出锯齿波时f=1kHz；输出三角波时f=0.5kHz.
输出正负斜率锯齿波上升或下降的台阶数大于或等于16。
输出幅度V0在0V至2V间可调。
电源电压为±5V。
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输出波形示意图
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2、设计提示
组成框图：
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所用器件：
DAC0832
一片
LM324
一片
74393
一片
7486
一片
7400
一片
时钟可由数字实验箱提供
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单元电路设计
 D/A转换：
由DAC0832完成。因16个台阶，可用4位二进制数。根据
输出电压选定数字输入端。
输出电压计算公式：
V
V   REF D
0
256 n
其中：VREF参考电压，Dn是二进制数转换为等值的十进制
数。4位二进制数接在不同的数字输入端，转换的Dn值不同，
输出电压也就不同。例：输入的二进制数为“1111”，当接在
D0~D3端时，Dn=23+22+21+20=15,若VREF为5V时，V0＝(5/256)*15=-0.29V; 接D3~D6端时，Dn=26+25+24+23=120,V0=2.34V(输出电压也不能太大，要考虑运放的饱和失真)
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输出幅度受到运放动态范围的限制。
LM324运放的输出是一个对管，负载是有源负载，上饱和
区为1.5V，下饱和区为1.5V，其动态范围为+3.5V~-3.5V。
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 输出电路：
由LM324完成。考虑输出电压可从0V调到2V。
 计数器：
为数模转换器提供4位二进制数，M＝16。由74393完成。下
降沿触发。
 波形控制电路：
在开关K2K1的控制下，实现三种不同波形的输出。
当K2K1＝01时，转换器输入的二进制数为0000~1111为加法
计数;
当K2K1＝10时，转换器输入的二进制数为1111~0000为减法
计数；
当K2K1＝11时，转换器先输入0000~1111,再输入1111~0000。
由7486异或门实现，为实现加法计数（正斜率波形），计
数器输出与“0”异或；减法计数（负斜率波形），与“1”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。整个控制电路由7486、7400、74393中另一个计数器完成。
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波形控制及转换电路图
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由题意可知：三角波的频
率为正负斜率锯齿波的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
斜率锯齿波
计数16-31为减法计数，
负斜率锯齿波。
模32计数器可由模16计数
器×模2计数器来实现。
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计数器输出波形
开关控制电路真值表：
加与异或门的信号：
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 时钟：
由实验箱提供。为满足输出信号频率正负斜率
锯齿波为1kHz，三角波为0.5kHz，时钟频率应为
16kHz。
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