1、子任务 1 学习引导文： 数模/模数转换电路应用学习目标与要求1理解数模转换过程，能分析数模转换电路；2理解模数转换过程，能分析模数转换电路；3能用仪器仪表 DAC、ADC 电路4能用集成 ADC、DAC 应用电路，并加以仿真和测试5编写文档记录门电路学习过程和测试结果（一组交一份）6相互交流和学习重点内容1 基础知识数模转换是将数字量转换为模拟电量（电流或电压） ，使输出的模拟电量与输入的数字量成正比。实现这种转换功能的电路叫数模转换器（DAC） 。模数转换则是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。实现这种转换功能的电路称为模数转换器（ADC） 。1.1 数模转换电路
2、1.1.1 R2R 倒 T 形电阻网络 D/A 转换器1、R-2R 倒 T 形电阻网络的特点及转换原理分别从虚线 A、B、C、D 处向右看的二端网络等效电阻都是 R。不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接到地，也就是不论输入数字信号是1 还是 0，各支路的电流不变。从参考电压端输入的电流为： ，则RVIEFRVIIRVI EFREFRREFR 16 81 4 2023 流入求和运算放大器的电流为)22(2)24816(0134 3310 ddRV dIIiEF EF这样就实现了数字量到模拟量的转换。2、求和运算放大器的输出电压)22(20134o ddRViiuFEF倒 T 形电
3、阻网络由于流过各支路的电流恒定不变，故在开关状态变化时，不需电流建立时间，所以该电路转换速度高，在数模转换器中被广泛采用。1.1.2 DAC 主要参数1分辨率：分辨率是指 D/A 转换器模拟输出所能产生的最小电压变化量与满刻度输出电压之比。对于一个 n 位的 D/A 转换器，分辨率可表示为12nFSRLBU分 辨 率分辨率与 D/A 转换器的位数有关，位数越多，能够分辨的最小输出电压变化量就越小。例：10 位 D/A 转换器的分辨率为： 01.23102转换精度：转换精度是指 D/A 转换器实际输出的模拟电压与理论输出模拟电压的最大误差。通常要求 D/A 转换器的误差小于 ULSB/2 。3转
4、换时间：转换时间是指 D/A 转换器在输入数字信号开始转换，到输出的模拟电压达到稳定值所需的时间。转换时间越小，工作速度就越高。1.1.3 集成 DAC 及其应用CDA7524 是 CMOS 8 位并行 D/A 转换器。电源电压 VDD 可在+5+15 V 之间选择。具有电阻网络和电子模拟开关及数据锁存器，还有片选控制和数据输入控制端，便于和微处理器进行接口的 D/A转换器，多用于微机控制系统中。一、CDA7524 的单极性输出应用1、电路连接2、输出电压与输入数字量的关系二、CDA7524 的双极性输出应用1、电路连接2、输出电压与输入数字量的关系1.2 模数转换电路1.2.1 A/D 转换
5、过程一、采样一保持1、采样原理采样是对模拟信号进行周期性地抽取样值的过程，就是把随时间连续变化的信号转换成在时间上断续、在幅度上等于采样时间内模拟信号大小的一串脉冲。采样定理：为了能不失真地恢复原模拟信号，采样频率应不小于输人模拟信号频谱中最高频率的两倍，即： 。max2fs2、基本采样-保持电路由于 A/D 转换需要一定的时间，所以在每次采样结束后，应保持采样电压值在一段时间内不变，直到下一次采样开始。这就要在采样后加上保持电路，实际采样一保持是做成一个电路。二、量化与编码数字量表示输入模拟电压 的大小时，首先要确定一个单位电压值，然后用 与单位电压值比较，取比较的整数倍值表示 ，这一过程就
6、是量化。如果这个整倍数值用二进制数表示，就称为二进制编码，它就是 A/D 转换输出的数字信号。例如：用 8 位二进制数去表示一个满刻度位 255mv 的模拟电压，8 位二进制的最小数为00000001，表示 1mv，而 11111111 表示 255mv。但若模拟电压为 1.5mv，那么是用 00000001 表示，还是用 00000010 表示？就取决于采用的量化方法。（1）两种量化方法只舍不入：当 0mvu O1mv 取 uO = 0mv当 1mvu O2mv 取 uO = 1mv有舍有入：当 0mvu O0.5mv 取 uO = 0mv当 0.5mvu O1.5mv 取 uO =1mv（
7、2）量化误差由于模拟电压是连续的，它就不一定能够被整除，因而就不可避免地出现误差1.2.2 逐次比较型 ADC若有四个砝码共重 15 克，每个重量分别为 8、4、2、1 克。设待秤重量 Wx = 13 克，可以用下表步骤来秤量：（1）原理框图（2）基本原理转换开始前先将所有寄存器清零。开始转换以后，时钟脉冲首先将寄存器最高位置成 1，使输出数字为 1000。这个数码被 D/A 转换器转换成相应的模拟电压uo，送到比较器中与 ui 进行比较。若uiu o，说明数字过大了，故将最高位的1 清除；若 uiu o，说明数字还不够大，应将这一位保留。然后，再按同样的方式将次高位置成 1，并且经过比较以后
8、确定这个 1 是否应该保留。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。转换开始前，先将计数器清零，加给 D/A 的数字量全是“0” ，u0=0。当 uL=1 后，开始转换。时钟信号首先将寄存器的最高位置为 1，使寄存器输出为“10000000” ，这个数码被 D/A 转换成相应的模拟电压输出 u0，并送到比较器中与 uI 比较。 若 u0uI，说明这个数字过大，故将最高位的“1”清除；若 u0uI，说明这个数字不够大，故将最高位的“1”保留。（3）实际电路1.2.3 ADC 主要参数1分辨率：分辨率是指 A/D 转换器输出数字量的最低位变化一个数码时
9、，对应输入模拟量的变化量。A/D 转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示，位数越多，误差越小，转换精度越高。例如，输入模拟电压的变化范围为 05V ，输出 8 位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V28 20mV；而输出 12 位二进制数可以分辨的最小模拟电压为 5V212 1.22mV。2相对精度：相对精度是指 A/D 转换器实际输出数字量与理论输出数字量之间的最大差值。通常用最低有效位 LSB 的倍数来表示。如相对精度不大于(1/2)LSB，就说明实际输出数字量与理论输出数字量的最大误差不超过(1/2)LSB 。3转换速度：转换速度是指 A/D 转换器完成一次转换所需要的时间，即从转换开始
10、到输出端出现稳定的数字信号所需要的时间。1.2.4 集成 ADCCAD571 它由 10 位 D/A 转换器、10 位逐次逼近寄存器及时钟发生器、比较器、三态输出缓冲器、基准电压和控制逻辑等电路组成。它的特点是内部有时钟发生器和基准电压电路，故不需外接时钟脉冲和基准电压 VREF ，并能与计算机接口，使用非常方便。2 技能训练D/A、A/D 转换器测试及应用在数字电子技术很多应用场合往往需要把模拟量转换成数字量，或把数字量转成模拟量，完成这一转换功能的转换器有多种型号，使用者借助于手册提供的器件性能指标及典型应用电路，可正确使用这些器件。本实验采用大规模集成电路 DAC0832 实现 D/A(
11、数/ 模) 转换，ADC0800 实现 A/D(模/数)转换。(1)D/A 转换器 DAC0832DAC0832 是采用 CMOS 工艺制成的电流输出型 8 位数/模转换器引脚排列如图 161 所示。各引脚含义为：图 161D0D7：数字信号输入端，D 7MSB，D 0LSR。ILE：输入寄存器允许，高电平有效。：片选信号，低电平有效，与 ILE 信号合起来共同控制 WR1 是否起作用。CS1：写信号 1，低电平有效，用来将数据总数的数据输入锁存于 8 位输入寄存器中， 1 有WR WR效时，必须使 和 ILE 同时有效。CS：传送控制信号，低电平有效，用来控制 2 是否起作用。XFERWR2
12、：写信号 2，低电平有效，用来将锁存于 8 位输入寄存器中的数字传W送到 8 位 DAC 寄存器锁存起来，此时 应有效。XFEIOUT1：DAC 输出电流 1，当输入数字量全为 1 时，电流值最大。IOUT2：DAC 输出电流 2Rfb：反馈电阻：DAC0832 为电流输出型芯片，可外接运算放大器，将电流输出转换成电压输出，电阻 Rfb 是集成在 ADC08832 内的运算放大器的反馈电阻，并将其一端引出片外，为在片外连接运算放大器提供方便。当 RfL 的引出端(脚 9)直接与运放的输出端相连接，如图 162 所示，而不另外串联电阻时，则输出电压UdEFni0102UREF：基准电压，通过它将
13、外加高精度的电压源接至 T 型电压网络，电压范围为 (1010)V，也可以接到其它 D/A 转换器的电压输出端。UCC：电源、电压范围(515)V AGND：模拟地 DGND：数字地于可接在一起使用(2)A/D 转换器 ADC0809ADC0809 是采用 CMOS 工艺制成的 8 位逐次渐近型模/数转换器，引脚排列如图 113 所示。各引脚含义为：IN0IN7：8 路模拟量输入端A2、A 1、A 0：地址输入端ALE：地址锁存允许输入信号，应在此脚施加正脉冲，上升沿有效，此时锁存地址码，从而选通相应的模拟信号通道，以便进行 A/D 转换。START：启动信号输入端，应在此脚施加正脉冲，当上升
14、沿到达到时，内部逐次逼近寄存器 SAR复位，在下降沿到达后，开始 A/D 转换过程。图 162图 163EOC：转换结束输出信号(转换结束标志 )，高电平有效，转换在进行中 EOS 为低电平，转换结束 EOC 自动变为高电平，标志 A/D 转换已结束。OUTEN(OE)：输入允许信号，高电平有效，即 OE=1 时，将输出寄存器中的数据放到数据总线上。CP：时钟信号输入端。外接时钟脉冲，时钟频率一般为 640KHz。REF(+)、REF() ：基准电压的正极和负极。一般 UREF()接5V 电源，U REF() 接地。D 7D0：数字信号输出端、D 7MSB、D 0LSBADC0809 通过引脚
15、 IN0IN7 输入 8 路单边模拟输入电压，ALE 将三位地址线 A2、A 1、A 0 进行锁存，然后由译码电路选通 8 路中某一路进行 A/D 转换。地址译码与输入选通关系如表 161 所示。一、实验内容用 DAC0832 及运算放大器A741 组成 D/A 转换电路按图 162 连接实验电路，输入数字量由逻辑开关提供，输出模拟量用数字电压表测量。 表 161被选模拟通道 地 址A2 A1 A0IN0 0 0 0IN1IN2IN3IN4IN5IN6000111011001101000IN7 1 1 1片选信号 (脚 1)、写信号 WR1(脚 2)、写信号 WR2(脚 13)、传送控制信号
16、：(脚 17)接地：CS XFER基准电压 UREF(脚 8)及输入寄存器允许 ILE(脚 19)接5V 电源；I OUT1(脚 11)、I OUT2(脚 12)接运算放大器A741 的反相输入端 2 及同相输入端 3；R fb(脚 9)通过电阻(或不通过) 接运算放大器输出端 6。(1)调零D0D7 全置 0，调节电位器 Rw 使A741 输出为零。(2)按表 162 输入数字量，测量相应的输出模拟量 uo，记入表中右方输出模拟电压处。表 162A/D 转换 D/A 转换输 入 数 字 量 输出模拟量 uo(V)输入模拟量 ui(V) 输 出 数 字 量D7 D6 D5 D4 D3 D2 D
17、10 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 0 1 00 0 0 0 0 1 0 00 0 0 0 1 0 0 00 0 0 1 0 0 0 00 0 1 0 0 0 0 00 1 0 0 0 0 0 01 0 0 0 0 0 0 01 1 1 1 1 1 1 12. A/D 转换器按图 164 连接电路，输入模拟量接 0+5V 直流可调电源(自己设计) ，输出数字量接 01 指示器。将三位地址线(脚 23、24 、25) 同时接地，因而选通模拟输入 IN0(脚 23)通道进行 A/D 转换；时钟信号 CLOCK(脚 10)用 f=1KHz 连续脉冲源；启
18、动信号 SRART(脚 6)和地址锁存信号 ALE(脚 22)相连于P 点，接单次脉冲；参考电压 UREF(+)(脚 12)接5V 电源，U REF()( 脚 15)接地；输出允许信号 OE(脚9)固定接高电平。(1)测试脚 6(ALE)、脚 22(START)、脚 7(OE)的功能。a、将脚 6、脚 7 连接于 P 点，接单次脉冲源，调节输入模拟量为某值，按一下 P 端单脉冲源按钮，相应的输出数字量便由 01 指示器显示出来，来完成一次 A/D 转换。b、断开 P 点与单脉冲源间连线，将 ALE、START 与 EOC 端连接在一起如图 164 中虚线所示，则电路处于自动状态，观察 A/D 转换器的工作情况。(2)令电路处于自动转换状态。调节输入模拟量 ui，使输出数字量按表 162 变化，用数字电压表测量相应的输入模拟量 ui，记入表 162 左方输入模拟电压处。图 164二、实验报告整理实验数据，分析实验结果。
