电工电子实验系列讲座数模转换与模数转换的应用

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,*,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,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,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,二、DAC,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,u,A,参考电源,U,REF,图2 DAC方框图,图3 D和u,A,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,u,A,（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 R,f,=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：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,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t,set,t,set,LSB,u,O,t,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,u,1,(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,u,O,(t),（c）采样,保持信号,采样保持信号u,O,量化电平u,q,采样保持信号u,O,量化电平u,q,（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)T,cp,。,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6 4位逐次逼近型A/D转换器结构图,CP,CP,0,CP,1,CP,2,CP,4,CP,3,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：,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V,0,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：V,REF,参考电压，D,n,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D,n,值不同，输出电压也就不同。例：输入的二进制数为“1111”，当接,在D,0,D,3,端,时，D,n,=2,3,+2,2,+2,1,+2,0,=15,若V,REF,为5V时，V,0,-(5/256)*15=-0.29V;,接D,3,D,6,端时,，D,n,=2,6,+2,5,+2,4,+2,3,=120,V,0,=-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，M16。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K2K101时，转换器输入的二进制数为00001111为加法计数;,当K2K110时，转换器输入的二进制数为11110000为减法计数；,当K2K111时，转换器先输入00001111,再输入11110000。,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。,计数器输出波形,开关控制电路真值表：,加与异或门的信号：,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。,谢谢大家！,祝各位考试顺利！,演讲完毕，谢谢观看！,内容总结,主讲：张学军。目 录。（2）速度：用转换时间、转换速率表示。图4 倒T型R-2R电阻网络D/A转换电路。MSB：Most Significant Bit。a.绝对误差：实际值与理想值之间的差值。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。(b)采样信号。图5 模拟信号的采样保持。转换位数为N，则转换时间为(N+1)Tcp。（1）分辨率：所能分辨的输入模拟量的最小值。图6 4位逐次逼近型A/D转换器结构图。（3）转换时间和转换速率。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。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。开关K2K1=11时，输出由正负斜率锯齿波合成的三角波。输出正负斜率锯齿波上升或下降的台阶数大于或等于16。计数0-15为加法计数，正斜率锯齿波,