数字电子技术 教学课件 ppt 作者 唐颖 程菊花 阮越 8

1、2019/5/20,1,第8章 数/模和模/数转换,8.1.3 DAC的主要技术参数,8.1.1 D/A转换基本原理,8.1.2 倒T形电阻网络DAC,8.1 D/A转换,8.1.4 集成D/A转换器及其应用,2019/5/20,2,复习,555定时器的逻辑功能？ 555定时器为何能实现脉冲波形？ 电容在脉冲电路中扮演怎样的角色？,2019/5/20,3,第8章 数/模和模/数转换,模拟量：温度、湿度、压力、流量、速度等。 从模拟信号到数字信号的转换称为模/数转换（简称A/D转换），实现模/数转换的电路叫做A/D转换器（简称ADC）； 从数字信号到模拟信号的转换称为数/模转换（简称D/A转换），实现数/模转换的电路称为D/A转换器（简称DAC）。,2019/5/20,4,典型数字控制系统框图,2019/5/20,5,8.1.1 D/A转换基本原理,数/模转换就是将数字量转换成与它成正比的模拟量。,8.1 D/A转换,数字量： (D3D2D1D0)2(D323D222D121D020)10 (1101) 2 (123122021120)10,模拟量： uoK(D323D222D121D0

2、20)10 uoK(123122021120)10 (K为比例系数),2019/5/20,6,图8-1 n位D/A转换器方框图,组成D/A转换器的基本指导思想：将数字量按权展开相加，即得到与数字量成正比的模拟量。,D/A转换器的种类很多,主要有： 权电阻网络DAC、 T形电阻网络DAC 倒T形电阻网络DAC、 权电流DAC,2019/5/20,7,8.1.2 倒T形电阻网络DAC,1. 电路组成 电路由解码网络、模拟开关、求和放大器和基准电源组成。,图8-2 倒T型电阻网络DAC原理图,基准参考电压,双向模拟开关 D1时接运放 D0时接地,R2R倒T形电阻解码网络,求和集成运算放大器,2019/5/20,8,2. 工作原理,由于集成运算放大器的电流求和点为虚地，所以每个2R电阻的上端都相当于接地，从网络的A、B、C点分别向右看的对地电阻都是2R。,2019/5/20,9,因此流过四个2R电阻的电流分别为I/2、I/4、I/8、I/16。电流是流入地，还是流入运算放大器，由输入的数字量Di通过控制电子开关Si来决定。故流入运算放大器的总电流为：,2019/5/20,10,由于从UREF向

3、网络看进去的等效电阻是R，因此从UREF流出的电流为：,2019/5/20,11,故 ：,2019/5/20,12,因此输出电压可表示为 ：,2019/5/20,13,由此可见，输出模拟电压uO与输入数字量D成正比，实现了数模转换。,对于n位的倒T形电阻网络DAC，则 ：,2019/5/20,14,电路特点： （1）解码网络仅有R和2R两种规格的电阻，这对于集成工艺是相当有利的；,（2）这种倒T形电阻网络各支路的电流是直接加到运算放大器的输入端，它们之间不存在传输上的时间差，故该电路具有较高的工作速度。 因此，这种形式的DAC目前被广泛的采用。,2019/5/20,15,8.1.3 DAC的主要技术参数,1.分辨率 分辨率是指输出电压的最小变化量与满量程输出电压之比。 输出电压的最小变化量就是对应于输入数字量最低位为1，其余各位均为0时的输出电压。 满量程输出电压就是对应于输入数字量全部为1时的输出电压。 对于n位D/A转换器，分辨率可表示为： 分辨率 ,位数越多，能够分辨的最小输出电压变化量就越小，分辨率就越高。也可用位数n来表示分辨率。,2019/5/20,16,2. 转换速度,D

4、/A转换器从输入数字量到转换成稳定的模拟输出电压所需要的时间称为转换速度。 不同的DAC其转换速度也是不相同的，一般约在几微秒到几十微秒的范围内。,2019/5/20,17,3. 转换精度,转换精度是指电路实际输出的模拟电压值和理论输出的模拟电压值之差。通常用最大误差与满量程输出电压之比的百分数表示。通常要求D/A转换器的误差小于ULSB/2。 例如，某D/A转换器满量程输出电压为10V，如果误差为1%，就意味着输出电压的最大误差为0.1V。百分数越小，精度越高。 转换精度是一个综合指标，包括零点误差、增益误差等，它不仅与D/A转换器中元件参数的精度有关，而且还与环境温度、集成运放的温度漂移以及D/A转换器的位数有关。,2019/5/20,18,4. 非线性误差,通常把D/A转换器输出电压值与理想输出电压值之间偏差的最大值定义为非线性误差。 D/A转换器的非线性误差主要由模拟开关以及运算放大器的非线性引起。,5. 温度系数,在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化而变化的量，称为DAC的温度系数。 一般用满刻度的百分数表示温度每升高一度输出电压变化的值。,2019/5/20,19,8

5、.1.4 集成D/A转换器及其应用,常用的集成DAC有AD7520、DAC0832、DAC0808、DAC1230、MC1408、AD7524等，这里仅对AD7520作简要介绍。,1、 D/A转换器DAC0832 DAC0832是常用的集成DAC，它是用CMOS工艺制成的双列直插式单片八位DAC，可以直接与Z80、8080、8085、MCS51等微处理器相连接。其结构框图和管脚排列图如图7.1所示。,2019/5/20,20,图8-1 集成DAC0832,2019/5/20,21,DAC0832由八位输入寄存器、八位DAC寄存器和八 位D/A转换器三大部分组成。 它有两个分别控制的数据 寄存器，可以实现两次缓冲，所以使用时有较大的灵活 性，可根据需要接成不同的工作方式。 DAC0832中采用的是倒T型R-2R电阻网络，无运算放大器，是电流输出，使用时需外接运算放大器。芯片中已经设置了Rfb, 只要将9号管脚接到运算放大器输出端即可。但若运算放大器增益不够，还需外接反馈电阻。DAC0832芯片上各管脚的名称和功能说明如下： ,2019/5/20,22,： 片选信号， 输入低电平有效。 I

6、LE： 输入锁存允许信号， 输入高电平有效。 ： 输入数据选通信号， 输入低电平有效。 ： 数据传送选通信号， 输入低电平有效。 ： 数据传送控制信号， 输入低电平有效。 D0D7：八位输入数据信号。 IOUT1：DAC输出电流1。此输出信号一般作为运算放大器的一个差分输入信号（一般接反相端）。 ,2019/5/20,23,VCC： 数字部分的电源输入端。 UCC可在+5V到 +15V范围内选取。 DGND： 数字电路地。 AGND： 模拟电路地。 结合图7.2(a)可以看出转换器进行各项功能时，对控制信号电平的要求如表7.1所示。 DAC0832的使用有三种工作方式：双缓冲器型、单缓冲器型和直通型。如图7.2所示。 ,2019/5/20,24,图 8-2 DAC0832的三种工作方式 (a) 双缓冲器型； (b) 单缓冲器型； (c) 直通型,2019/5/20,25,表 8-1,双缓冲器型如图7.2(a)所示。首先 接低电平，将输入数据先锁存在输入寄存器中。当需要D/A转换时，再将接低电平， 将数据送入DAC寄存器中并进行转换，工作方式为两级缓冲方式。,2019/5/20,26,单

7、缓冲器型如图8-2(b)所示。DAC寄存器处于常通状态，当需要D/A转换时，将 接低电平，使输入数据经输入寄存器直接存入DAC寄存器中并进行转换。工作方式为单缓冲方式，即通过控制一个寄存器的锁存，达到使两个寄存器同时选通及锁存。 直通型如图8-2（c）所示。两个寄存器都处于常通状态，输入数据直接经两寄存器到DAC进行转换，故工作方式为直通型。 实际应用时， 要根据控制系统的要求来选择工作方式,2019/5/20,27,2. D/A转换器AD7520 AD7520是10位的D/A转换集成芯片，与微处理器完全兼容。该芯片以接口简单、转换控制容易、通用性好、性能价格比高等特点得到广泛的应用。,2019/5/20,28,图8-3 AD7520内部逻辑结构图,该芯片只含倒T形电阻网络、电流开关和反馈电阻，不含运算放大器，输出端为电流输出。 具体使用时需要外接集成运算放大器和基准电压源。,2019/5/20,29,图8-4 AD7520外引脚图,D0D9：数据输入端 IOUT1：电流输出端1 IOUT2：电流输出端2 Rf：10K反馈电阻引出端Vcc：电源输入端 UREF：基准电压输入端 GND：

8、地。,2019/5/20,30,分辨率：10位 线性误差：(1/2)LSB（LSB表示输入数字量最低位），若用输出电压满刻度范围FSR的百分数表示则为0.05%FSR。 转换速度：500ns 温度系数：0.001%/,AD7520的主要性能参数如下：,2019/5/20,31,10位二进制加法计数器从全“0”加到全“1”，电路的模拟输出电压uo由0V增加到最大值。 如果计数脉冲不断，则可在电路的输出端得到周期性的锯齿波。,2. 应用举例 （组成锯齿波发生器）,图8-5 AD7520组成的锯齿波发生器,图8-6 AD7520组成的锯齿波发生器,2019/5/20,32,作业题,P196 7.2 7.5(1) 7.7,2019/5/20,33,第7章 数/模和模/数转换,7.2.3 ADC的主要技术参数,7.2.1 A/D转换基本原理,7.2.2 A/D转换器工作原理,7.2 A/D转换,7.2.4 集成A/D转换器及其应用举例,本章小结,2019/5/20,34,7.2.1 A/D转换基本原理,A/D转换目标：将时间连续、幅值也连续的模拟信号转换为时间离散、幅值也离散的数字信号。 四个步

9、骤：采样、保持、量化、编码。,7.2 A/D转换,1. 采样与保持,（1）将一个时间上连续变化的模拟量转换成时间上离散的模拟量称为采样。,2019/5/20,35,图7-7 采样过程示意图,取样定理：设取样脉冲s(t)的频率为fS，输入模拟信号x(t)的最高频率分量的频率为fmax，必须满足 fs 2fmax y(t)才可以正确的反映输入信号(从而能不失真地恢复原模拟信号)。,通常取fs （2.53）fmax 。,2019/5/20,36,（2）由于A/D转换需要一定的时间，在每次采样以后，需要把采样电压保持一段时间。,s(t)有效期间，开关管VT导通，uI向C充电，uO (=uc)跟随uI的变化而变化； s(t)无效期间，开关管VT截止，uO (=uc)保持不变，直到下次采样。（由于集成运放A具有很高的输入阻抗，在保持阶段，电容C上所存电荷不易泄放。）,图7-8 采样保持电路及输出波形,2019/5/20,37,2. 量化和编码,数字量最小单位所对应的最小量值叫做量化单位。 将采样保持电路的输出电压归化为量化单位的整数倍的过程叫做量化。 用二进制代码来表示各个量化电平的过程，叫做编码。 一个n位二进制数只能表示2n个量化电平，量化过程中不可避免会产生误差，这种误差称为量化误差。量化级分得越多（n越大），量化误差越小。,2019/5/20,38,划分量化电平的两种方法 （a）量化误差大；（b）量化误差小,2019/5/20,39,7.2.2 A/D转换器工作原理,直接A/D转换器：并行比较型A/D转换器 逐次比较型A/D转换器 间接A/D转换器：双积分型A/D转换器 电压转换型A/D转换器,1. 逐次比较型A/D转换器,天平称重过程：砝码（从最重到最轻），依次比较，保留/移去，相加。 逐次比较思路：不同的基准电压砝码。,2019/5/20,40,图7-9 逐次逼近型ADC电路框图,基准电压UREF,n位A/D转换器,电路由启动脉冲启动后:,201

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