数模转换与模数转换的应用

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电工电子实验——电工电子实验——数模转换与模数转换的应用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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目录

一、一、概述

二、二、 DAC

三、三、 ADC

四、四、常用DAC

五、五、综合实验设计

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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

模拟控制

被测被控对象

传感器 A/D 计算

机 D/A

图 1 典型的数字控制系统框图

一、概述一、概述

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二、二、 DACDAC 1.DAC 的基本原理

数码寄存器

模拟开关

译码网络

求和放大器

D uA

参考电源UREF

图 2 DAC 方框图

1

0

2n

i

iiREFREFA DKUKDUu

5


图 3 D 和 uA 的关系图

11111110

11011100

10111010

10010001

00100011

01000101 0111

0110

2

4

6

-6

-4

-2D

uA

6


（ 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

REF

n

i

ii

fnREF

O KDUDR

RUu

1

0

22

DU

u nREF

O 2

7


图 4 倒 T 型 R-2R 电阻网络 D/A 转换电路

1 2 3 4 5 6

A

B

C

D

654321

D

C

B

A

Title

Number RevisionSize

B

Date: 19-Apr-2002 Sheet of File: D:\PROTEL99SE\Library\Sch\Protel\µÚ°ËÕÂDrawn By:

u

RF

R R R

2R 2R 2R 2R 2R 2R

S S S S S0 1 2 n-2 n-1

D D DD Dn-1 n-2 n-3 1 0

P

A B C M N

RI2 2n-1 n-1

O¡Þ

RI4

RI8

RI2

RI RI2n

RUR

IREF

=

RI2

¡ÆI

UREF

8


满量程电压值： REFn

n

Om Uu2

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3.DAC 的主要参数（ 1 ）分辨率

LSB ： Least Significant Bit

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 ： Most Significant Bit

122 n

OmnREF uU

R

9


b. 用百分比表示

121

)12(2

2

n

nnREF

nREF

OmU

U

Uu

R

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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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。

(3) 建立时间 tset

tset

±½LSBuO

t

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三、三、 ADCADC 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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O t

u1(t)

(a) 模拟输入信号

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O t( b′) 采样信号

)(tS

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O t(b) 采样输出信号

)(tS

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图 5 模拟信号的采样保持

O t

uO(t)

（ c ）采样保持信号

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REFnREF U

U81

2

采样—保持信号 uO

量化电平 uq

REFOREF UuU88

87 )8~7( 7

REFOREF UuU82

81 )2~1( 1

REFO Uu81

0 )1~0( 0

…1max最大量化误差

…

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REFREFn UU152

1221

采样—保持信号 uO

量化电平 uq

REFOREF UuU1515

1513 )5.7~5.6( 7

REFOREF UuU153

151 )5.1~5.0( 1

REFO Uu151

0 )5.0~0( 0

…2max

最大量化误差

…

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（ 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、 J

KFF 、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

nnREF UU

R22

Im

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图 6 4 位逐次逼近型 A/D 转换器结构图

1 2 3 4 5 6

A

B

C

D

654321

D

C

B

A

Title

Number RevisionSize

B

Date: 19-Apr-2002 Sheet of File: D:\PROTEL99SE\Library\Sch\Protel\µÚ°ËÕÂDrawn By:

1A

CF

D/A

×ª

»»

Æ÷

UREF

UREF CP0123 4Ê±Ðò·ÖÅäÆ÷

QD

CQ

QA

QB

G

D

D

D

D

0

1

2

3

AS

R J

K

BS

R J

K

CS

R J

K

DS

R J

K

D

D

D

D

u I

'

21


CP

CP0

CP1

CP2

CP4

CP3

图 7 时序分配器输出波形

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b. 用百分比表示

nREF

nREF

U

U

Uu

R212

Im

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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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

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四、常用四、常用 D/AD/A 转换器转换器美国 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

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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

nDREF

VV

2560

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五、综合实验五、综合实验 ((D/AD/A 转换电路转换电路 P222P222))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：

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=-0.29

V; 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 )

nDREF

VV

2560

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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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电工电子实验——电工电子实验——数模转换与模数转换的应用数模转换与模数转换的应用输出电路：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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