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1、数字逻辑与数字系统,湖南科技大学计算机科学与工程学院 主讲：余庆春 Email：fishhead_,本章内容,第十章 数模转换器与模数转换器,1 数模转换器的功能和基本原理 模数转换器的功能和基本原理 3 DAC和ADC的应用,数字逻辑与数字系统,湖南科技大学计算机科学与工程学院,概述,在实际工程中大量遇到的是连续变化的物理量。所谓连续，包括两方面的含义：一方面从时间上来说，它是随时间连续变化的；另一方面从数值上来说，它的数值也是连续变化的。这种连续变化的物理量通常称为模拟量。,在数字系统内部，只能对数字信号进行处理。,必须先转化成离散的数字信号，再输入数字系统识别和处理； 又必须把数字系统发
2、出的控制命令等转化为模拟信号，去驱动模拟调节执行机构。 这两个过程，都需要数/模和模/数转换接口来完成。,第十章 数模转换器与模数转换器,数字逻辑与数字系统,湖南科技大学计算机科学与工程学院,概述,数模转换即将数字量转换为模拟电量(电压或电流)，使输出的模拟电量与输入的数字量成正比。,实现数模转换的电路称数模转换器,Digital - Analog Converter，简称 D/A 转换器或 DAC。,模数转换即将模拟电量转换为数字量，使输出的数字量与输入的模拟电量成正比。,实现模数转换的电路称模数转换器,Analog - Digital Converter，简称 A/D 转换器或 ADC。,
3、第十章 数模转换器与模数转换器,数字逻辑与数字系统,湖南科技大学计算机科学与工程学院,ADC和DAC已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。,将温度、压力、流量、应力等物理量转换为模拟电量。,计算机进行数字处理（如计算、滤波）、保存等,用模拟量作为控制信号,概述,A/D和D/A转换器是把微型计算机的应用领域扩展到检测和过程控制的必要装置，是把计算机和生产过程、科学实验过程联系起来的重要桥梁。,第十章 数模转换器与模数转换器,数字逻辑与数字系统,湖南科技大学计算机科学与工程学院,压力, 温度,流量,液位等通过传感器转变成相应的电压或电流的模拟信号,由DAC转换成模拟量信号的电压和或电流,数字计算机
4、工业控制系统示意图,由计算机依次选通， 进入ADC转换成数字量信号,经过计算机数据处理，输出为数字量,计算机选择某一执行机构，去调节控制对象。,数字逻辑与数字系统,湖南科技大学计算机科学与工程学院,10.1 数模转换器(DAC),D/A转换器实质上是一个译码器（解码器）。一般常用的线性D/A转换器，其输出模拟电压uO和输入数字量Dn之间成正比关系。UREF为参考电压。,D/A转换器是将输入的二进制数字量转换成模拟量，以电压或电流的形式输出。,uODnUREF,第十章 数模转换器与模数转换器,数字逻辑与数字系统,湖南科技大学计算机科学与工程学院,数字量是用代码按数位组合而成的， 对于有权码，每位
5、代码都有一定的权值，如能将每一位代码按其权的大小转换成相应的模拟量， 然后，将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的模拟量， 从而实现数字量-模拟量的转换。, 实现D/A转换的基本思想,NDb424b323b222b121b020 124123022021120,将二进制数ND(11001)B转换为十进制数。,D/A转换的基本原理,第十章 数模转换器与模数转换器,数字逻辑与数字系统,湖南科技大学计算机科学与工程学院,即：D/A转换器的输出电压uO，等于代码为1的各位所对应的各分模拟电压之和。, 实现D/A转换的基本思想,D/A转换的基本原理,数字逻辑与数字系统,湖南科技大学计算机科学与工程学
6、院,DAC的数字数据可以并行输入也可串行输入,用存放在数字寄存器中的数字量的各位数码,由输入数字量控制,产生权电流,将权电流相加产生与输入成正比的模拟电压, D/A转换器的组成,D/A转换的基本原理,数字逻辑与数字系统,湖南科技大学计算机科学与工程学院, D/A转换器的分类:,按解码网络结构分类,T型电阻网络DAC,倒T形电阻网络DAC,权电流DAC,权电阻网络DAC,按模拟电子开关电路分类,CMOS开关型DAC,双极型开关型DAC,电流开关型DAC,ECL电流开关型DAC,D/A 转换器,D/A转换的基本原理,数字逻辑与数字系统,湖南科技大学计算机科学与工程学院,(1)T型电阻网络DAC R
7、-2R T型电阻网络DAC是由模拟开关、R-2R电阻网络、运算放大器、基准电压几部分组成。,10.1 数模转换器(DAC),T型电阻网络,模拟开关,运算放大器 （求和运算）,基准 电压,数字逻辑与数字系统,湖南科技大学计算机科学与工程学院,10.1 数模转换器(DAC),由R和2R两种规格电阻组成电阻网络，常称为R-2R T型D/A转换器，S0、 S1 、 S2 、 S3四个模拟开关，表示数字信号d0、d1 、d2 、d3的取值情况。,4位T型电阻网络DAC电路,数字逻辑与数字系统,湖南科技大学计算机科学与工程学院,10.1 数模转换器(DAC),总电流I,3,4位T型电阻网络DAC电路,数字
8、逻辑与数字系统,湖南科技大学计算机科学与工程学院,10.1 数模转换器(DAC),4位T型DAC电路,输出电压为：,数字逻辑与数字系统,湖南科技大学计算机科学与工程学院,10.1 数模转换器(DAC),4位T型电阻网络DAC电路,输出电压为：,数字逻辑与数字系统,湖南科技大学计算机科学与工程学院,例：设8位T型电阻网络DAC如图所示，已知UREF10V，输入量数字D11010110。 试求：(1) RF3R时，输出模拟电压U0？ (2) RF，2R时，输出模拟电压U0，？,10.1 数模转换器(DAC),数字逻辑与数字系统,湖南科技大学计算机科学与工程学院,例：设8位T型电阻网络DAC如图所示
9、，已知UREF10V，输入量数字D11010110。 试求：(1) RF3R时，输出模拟电压U0？ (2) RF，2R时，输出模拟电压U0，？,10.1 数模转换器(DAC),解：在电路中n8，D11010110,（1）当RF3R时，由,可得：,数字逻辑与数字系统,湖南科技大学计算机科学与工程学院,例：设8位T型电阻网络DAC如图所示，已知UREF10V，输入量数字D11010110。 试求：(1) RF3R时，输出模拟电压U0？ (2) RF，2R时，输出模拟电压U0，？,10.1 数模转换器(DAC),解：在电路中n8，D11010110,（2）当RF2R时，,数字逻辑与数字系统,湖南科技
10、大学计算机科学与工程学院,模拟开关S3-S0表示 四位二进制数,四位的二进制数,当Di=1表示Si接1,电阻 上通过电流流向I01,当Di=0即表示开头接0,流过相应电阻的电流流向I02到地端,各节点向右看的二端网络的等阻值为R,等效电路为,4位倒T型电阻网络DAC电路,10.1 数模转换器(DAC),数字逻辑与数字系统,湖南科技大学计算机科学与工程学院,由基准电源VREF供出电流 为:IR=VREF/R,因此由节点D分出去的两路支路电流必相等,则有,等效电路为,4位倒T型电阻网络DAC电路,数字逻辑与数字系统,湖南科技大学计算机科学与工程学院,同理可以得出：,当DI=1时，表示相应的Ii流向
11、IO1,4位倒T型电阻网络DAC电路,10.1 数模转换器(DAC),数字逻辑与数字系统,湖南科技大学计算机科学与工程学院,运算放大器和T形网络中各支路电阻、反馈电阻组成反 相求和运算电路。可得输出电压为：,若取Rf=R,则D/A转换后的输出电压表示为:,同理,当Di为n位的二进制数,则相应 R-2R 倒T 形电阻网络也有n个节点,则D/A转换后的输出电压为:,4位倒T型电阻网络DAC电路,10.1 数模转换器(DAC),数字逻辑与数字系统,湖南科技大学计算机科学与工程学院,DAC的主要参数,10.1 数模转换器(DAC),分辨率 这是DA转换器中最重要的指标，它表示D/A转换器对模拟量的分辨
12、能力。理论定义为最小输出电压(对应的输入数字量仅最低位为“1”)与最大输出电压(对应的数字输入量为全“1”)之比。对于前述4位D/A转换器，其分辨率为1/15。分辨率越高，转换时对应最小数字输入的模拟信号电压数值越小，也就越灵敏。通常，使用数字输入量的位数来给出分辨率。 例如，单片集成D/A转换器AD7522的分辨率为10位，单片集成D/A转换器ADll47的分辨率为16位等。,数字逻辑与数字系统,湖南科技大学计算机科学与工程学院,DAC的主要参数,10.1 数模转换器(DAC),线性度 通常用非线性误差的大小表示D/A转换器的线性度。而非线性误差为理想的输入/输出特性曲线与实际转换曲线的偏差
13、，一般取偏差的最大值表示。,转换精度 转换精度以最大的静态转换误差（综合误差）的形式给出。这个转换误差应该是包含非线性误差、比例系数误差以及漂移误差等综合误差。但是有的产品说明书中,只是分别给出各项误差,而未给出综合误差。,应该注意,转换精度和分辨率是2个不同的概念。精度是指转换后所得的实际值对于理想值的接近程度，而分辨率是指能够对转换结果发生影响的最小输入量,对于分辨率很高的DA转换器并不一定具有很高的精度。,数字逻辑与数字系统,湖南科技大学计算机科学与工程学院,DAC的主要参数,10.1 数模转换器(DAC),建立时间 所谓建立时间，系指数模转换器中的输入代码有满度值的变化时,其输出模拟信
14、号电压(或模拟信号电流)达到满刻度值1/2LSB精度时所需要的时间。,对于一个理想的D/A转换器,其数字输入信号从一个二进制数变到另一个二进制数时,其输出模拟信号电压,应立即从原来的输出电压跳变到与新的数字信号相对应的新的输出电压。但是在实际的D/A转换器中,电路中的电容、电感和开关电路会引起电路时间延迟。不同型号的D/A转换器，其建立时间不同,一般从几个纳秒到几个微秒。输出形式是电流的,其D/A转换器的建立时间是很短的；输出形式是电压的,D/A转换器的主要建立时间是其输出运算放大器所需的响应时间。,数字逻辑与数字系统,湖南科技大学计算机科学与工程学院,T型/倒T型电阻网络D/A转换器的特点：
15、 优点：电阻种类少，只有R和2R，提高了制造精度；而且支路电流流入求和点不存在时间差，提高了转换速度。 应用：它是目前集成D/A转换器中转换速度较高且使用较多的一种，如8位D/A转换器DAC0832，就是采用倒T型电阻网络。,10.1 数模转换器(DAC),数字逻辑与数字系统,湖南科技大学计算机科学与工程学院,A/D转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程通过取样、保持、量化和编码四个步骤完成。,A/D转换器的基本工作原理,模拟量输入,数字量输出,10.2 模数转换器(ADC),数字逻辑与数字系统,湖南科技大学计算机科学与工程学院,取样（也称采样）是将时间上连续变化的信号，转换为时间上离散的信
16、号，即将时间上连续变化的模拟量转换为一系列等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。,1.取样和保持,取样过程,采样脉冲,输入模拟信号,采样输出信号,10.2 模数转换器(ADC),A/D转换器的基本工作原理,数字逻辑与数字系统,湖南科技大学计算机科学与工程学院,10.3 模数转换器(ADC),1.取样和保持,A/D转换器的基本工作原理,数字逻辑与数字系统,湖南科技大学计算机科学与工程学院,模拟信号经采样后，得到一系列样值脉冲。采样脉冲宽度一般是很短暂的，在下一个采样脉冲到来之前，应暂时保持所取得的样值脉冲幅度，以便进行转换。因此，在取样电路之后须加保持电路。,在采样脉冲S(t)到来的时间内，VT导通，UI(t)向电容C充电，假定充电时间常数远小于，则有：UO(t)US(t)UI(t)。采样,采样结束，VT截止，而电容C上电压保持充电电压UI(t)不变，直到下一个采样脉冲到来为止。保持,场效应管VT为采样门，电容C为保持电容，运算放大器为跟随器，起缓冲隔离作用。,
