电工电子实验系列讲座数模转换与模数转换的应用

1电工电子实验系列讲座——数模转换与模数转换的应用主讲：张学军电工电子实验教学中心二〇〇七年五月三十一日2电工电子实验系列讲座——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3电工电子实验系列讲座——数模转换与模数转换的应用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4电工电子实验系列讲座——数模转换与模数转换的应用二、DAC1.DAC的基本原理数码寄存器模拟开关译码网络求和放大器DuA参考电源UREF图2DAC方框图102niiiREFREFADKUKDUu5电工电子实验系列讲座——数模转换与模数转换的应用图3D和uA的关系图11111110110111001011101010010001001000110100010101110110246-6-4-2DuA6电工电子实验系列讲座——数模转换与模数转换的应用（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DACREFniiifnREFOKDUDRRUu1022DUunREFO27电工电子实验系列讲座——数模转换与模数转换的应用图4倒T型R-2R电阻网络D/A转换电路123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:19-Apr-2002SheetofFile:D:\PROTEL99SE\Library\Sch\Protel\第八章DrawnBy:uRFRRR2R2R2R2R2R2RSSSSS012n-2n-1DDDDDn-1n-2n-310PABCMNRI22n-1n-1O∞RI4RI8RI2RIRI2nRURIREF=RI2∑IUREF8电工电子实验系列讲座——数模转换与模数转换的应用满量程电压值：REFnnOmUu2123.DAC的主要参数（1）分辨率LSB：LeastSignificantBita.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：MostSignificantBit122nOmnREFuUR9电工电子实验系列讲座——数模转换与模数转换的应用b.用百分比表示121)12(22nnnREFnREFOmUUUuRc.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。10电工电子实验系列讲座——数模转换与模数转换的应用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tsettset±½LSBuOt11电工电子实验系列讲座——数模转换与模数转换的应用三、ADC1.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12电工电子实验系列讲座——数模转换与模数转换的应用Otu1(t)(a)模拟输入信号13电工电子实验系列讲座——数模转换与模数转换的应用Ot(b′)采样信号)(tS14电工电子实验系列讲座——数模转换与模数转换的应用Ot(b)采样输出信号)(tS15电工电子实验系列讲座——数模转换与模数转换的应用图5模拟信号的采样保持OtuO(t)（c）采样保持信号16电工电子实验系列讲座——数模转换与模数转换的应用REFnREFUU812采样—保持信号uO量化电平uqREFOREFUuU8887)8~7(7REFOREFUuU8281)2~1(1REFOUu810)1~0(0…1max最大量化误差…17电工电子实验系列讲座——数模转换与模数转换的应用REFREFnUU1521221采样—保持信号uO量化电平uqREFOREFUuU15151513)5.7~5.6(7REFOREFUuU153151)5.1~5.0(1REFOUu1510)5.0~0(0…2max最大量化误差…18电工电子实验系列讲座——数模转换与模数转换的应用（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；19电工电子实验系列讲座——数模转换与模数转换的应用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nnREFUUR22Im20电工电子实验系列讲座——数模转换与模数转换的应用图64位逐次逼近型A/D转换器结构图123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:19-Apr-2002SheetofFile:D:\PROTEL99SE\Library\Sch\Protel\第八章DrawnBy:1ACFD/A转换器UREFUREFCP01234时序分配器QDCQQAQBGDDDD0123ASRJKBSRJKCSRJKDSRJKDDDDuI'21电工电子实验系列讲座——数模转换与模数转换的应用CPCP0CP1CP2CP4CP3图7时序分配器输出波形22电工电子实验系列讲座——数模转换与模数转换的应用b.用百分比表示nREFnREFUUUuR212Im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23电工电子实验系列讲座——数模转换与模数转换的应用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24电工电子实验系列讲座——数模转换与模数转换的应用四、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：25电工电子实验系列讲座——数模转换与模数转换的应用片选写入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226电工电子实验系列讲座——数模转换与模数转换的应用内部框图8位输入寄存器8位D/A转换器27电工电子实验系列讲座——数模转换与模数转换的应用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nDREFVV256028电工电子实验系列讲座——数模转换与模数转换的应用五、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。29电工电子实验系列讲座——数模转换与模数转换的应用输出波形示意图30电工电子实验系列讲座——数模转换与模数转换的应用2、设计提示组成框图：31电工电子实验系列讲座——数模转换与模数转换的应用所用器件：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32电工电子实验系列讲座——数模转换与模数转换的应用单元电路设计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)nDREFVV256033电工电子实验系列讲座——数模转换与模数转换的应用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。34电工电子实验系列讲座——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。35电工电子实验系列讲座——数模转换与模数转换的应用波形控制及转换电路图36电工电子实验系列讲座——数模转换与模数转换的应用由题意可知：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。37电工电子实验系列讲座——数模转换与模数转换的应用计数器输出波形开关控制电路真值表：加与异或门的信号：38电工电子实验系列讲座——数模转换与模数转换的应用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。39电工电子实验系列讲座——数模转换与模数转换的应用谢谢大家！祝各位考试顺利！