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主讲 张学军 数模转换与模数转换的应用 电工电子实验教学中心 二 七年五月三十一日 目录 一 概述二 DAC三 ADC四 常用DAC五 综合实验设计 1 概念及其应用 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 一 概述 二 DAC 1 DAC的基本原理 图3D和uA的关系图 1111 1110 1101 1100 1011 1010 1001 0001 0010 0011 0100 0101 0111 0110 2 4 6 6 4 2 D uA 1 构成 2 工作原理 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 通常取Rf R 则 2 倒T型R 2R电阻网络DAC 图4倒T型R 2R电阻网络D A转换电路 满量程电压值 3 DAC的主要参数 1 分辨率 LSB LeastSignificantBit a 用输出的电压 电流 值表示 输入变化1LSB时 输出端产生的电压变化 MSB MostSignificantBit b 用百分比表示 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 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 LSB范围以内的这段时间 3 建立时间tset 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 舍尾方法 四舍五入方法 O t u1 t a 模拟输入信号 O t b 采样信号 O t b 采样输出信号 图5模拟信号的采样保持 O t uO t c 采样保持信号 采样 保持信号uO 量化电平uq 采样 保持信号uO 量化电平uq 1 组成 2 逐次逼近式ADC 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 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 图64位逐次逼近型A D转换器结构图 CP CP0 CP1 CP2 CP4 CP3 图7时序分配器输出波形 b 用百分比表示 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 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 b 相对误差 3 转换时间和转换速率 四 常用D A转换器美国NationalSemiconduct 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 片选 写入1 模拟地 数字输入 参考电压 数字地 反馈电阻 电源 输入锁存允许 写入2 转移控制 数字输入 电流输出1 电流输出2 内部框图 8位输入寄存器 8位D A转换器 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 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 输出波形示意图 2 设计提示组成框图 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 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 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 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 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 波形控制及转换电路图 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