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数字电子技术

数字电子技术. 项目五. 项目五 简易数字电压表的设计与测试. 项目说明： 设计一个数字显示的简易电压表 。 要求： 测量范围为 0 ～ 2V ，一次 A/D 转换时间约占 16400 个时钟脉冲，其中积分时间约占 4000 个时钟脉冲，分辨率为 0.1mV ， A/D 转换器建议选用 CM144333 。. 工作任务： 完成原理图设计、元器件选择、电路逻辑功能仿真测试 。. 设计步骤. 概述. DAC0832 逻辑功能测试. 1. 3. 2. ADC0809 逻辑功能测试. 任务引领. 项目实现. 4. 简易数字电压表设计与测试. 课程内容.

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  1. 数字电子技术

  2. 项目五 项目五 简易数字电压表的设计与测试 项目说明： 设计一个数字显示的简易电压表。 要求：测量范围为0～2V，一次A/D转换时间约占16400个时钟脉冲，其中积分时间约占4000个时钟脉冲，分辨率为0.1mV，A/D转换器建议选用CM144333。 工作任务： 完成原理图设计、元器件选择、电路逻辑功能仿真测试。

  3. 设计步骤

  4. 概述 DAC0832逻辑功能测试 1 3 2 ADC0809逻辑功能测试 任务引领 项目实现 4 简易数字电压表设计与测试

  5. 课程内容 第七章 数/模（D/A）和模/数（A/D）转换 7.1 概述 7.2 数/模转换器（DAC） 7.3 模/数转换器（ADC） 7.4简易数字电压表设计与制作

  6. 7.1 概述 一、数模和模数转换的概念和作用 　　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。

  7. 数字量 数字量 模拟量 模拟量 传感器 被控对象 自然界物理量 为何要进行数模和模数转换？

  8. 二、数模和模数转换器应用举例 四 路 模 拟 开 关 数 字 控 制 计 算 机 模拟控制器 压力传感器 DAC … 模拟控制器 温度传感器 DAC … ADC 模拟控制器 流量传感器 DAC … 液位传感器 DAC 模拟控制器 … 数字 信号 物理量 模拟信号 生 产 控 制 对 象

  9. 7.2 D/A 转换器 7.2.1数模转换的基本原理 D/A转换器（DAC）就是一种将离散的数字量转换为连续变化的模拟量的电路。 数字量是用代码按数位组合起来表示的， 每位代码都有一定的权。 为了将数字量转换为模拟量，必须将每一位的代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表每位的模拟量相加，所得的总模拟量就与数字量成正比。这就是D/A转换器的基本指导思想。

  10. 图 7.1 数模转换的示意图

  11. 图7.1为数模转换的示意图。D/A转换器将输入的二进制数字量转换成相应的模拟电压，经运算放大器A的缓冲，输出模拟电压uO。  图中, D0~Dn-1为输入的n位二进制数字量（其十进制最大值为2n-1），D0为最低位（LSB），Dn-1为最高位（MSB），uO为输出模拟量，UREF为实现转换所需的参考电压（又称基准电压）。 三者应满足下列关系式：

  12. 其中, X=Dn-12n-1+Dn-22n-2+…+D121+D020为二进制数字量所代表的十进制数。所以， 例如当n=3、参考电压为10 V时，D/A转换器输入二进制数和转换后的输出模拟电压量如表7.1所示。

  13. 表 7.1 一般来说，D/A转换器的基本组成有四部分，即电阻译码网络、 模拟开关、基准电源和求和运算放大器。

  14. 7.2.2 D/A转换器的类型及主要参数 按工作原理分，D/A转换器可分为两大类： 权电阻网络D/A转换器和T型电阻网络D/A转换器；按工作方式分有电压相加型D/A转换器及电流相加型D/A转换器；按输出模拟电压极性又可分为单极性D/A转换器和双极性D/A转换器。这里介绍几种常见的D/A转换电路。

  15. 1. 权电阻DAC 图 7.2 权电阻DAC电路原理图

  16. 由图7.2可以看出，此类DAC由权电阻网络、模拟开关和运算放大器组成。UREF为基准电源。电阻网络的各电阻的值呈二进制权的关系，并与输入二进制数字量对应的位权成比例关系。 输入数字量D3、D2、D1和D0分别控制模拟电子开关S3、S2、S1和S0的工作状态。当Di为“1”时，开关Si接通参考电压UREF， 反之当Di为“0”时，开关Si接地。这样流过所有电阻的电流之和I就与输入的数字量成正比。 求和运算放大器总的输入电流为 ：

  17. 若运算放大器的反馈电阻Rf=R/2，由于运算放大器的输入电阻无穷大，所以If=i，则运算放大器的输出电压为 对于n位的权电阻D/A转换器，其输出电压为

  18. 由上式可以看出，二进制权电阻D/A转换器的模拟输出电压与输入的数字量成正比关系。当输入数字量全为0时，DAC输出电压为0 V； 当输入数字量全为1时，DAC输出电压为 。权电阻网络DAC的优点是电路结构简单， 适用于各种权码。其主要缺点是构成网络电阻的阻值范围较宽， 品种较多。为保证D/A转换的精度，要求电阻的阻值就要很精确，这给生产带来了一定的困难。因此在集成电路中很少采用这种DAC。

  19. 2. 倒T型DAC 图7.3为4位R-2R倒T型D/A转换器。此DAC由倒T型电阻网络、模拟开关和运算放大器组成，其中，倒T型电阻网络由R、 2R两种阻值的电阻构成。输入数字量D3、D2、D1和D0分别控制模拟电子开关S3、S2、S1和S0的工作状态。当Di为“1”时，开关Si接通右边，相应的支路电流流入运算放大器；当Di为“0”时，开关Si接通左边，相应的支路电流流入地。

  20. 图 7.3 4位R-2R倒T型D/A转换器

  21. 根据运算放大器虚短路的概念不难看出，分别从虚线A、 B、C、D向右看的二端网络等效电阻都是2R， 所以 其中，IREF为基准电压UREF输出的总电流，即IREF=UREF/R。假设所有开关都接右边，则有：

  22. 由于输入的二进制数控制模拟开关，Di=1表示开关接通右边，故有： 推广到n位，则有：

  23. 若Rf=R，则运算放大器C的输出为

  24. 倒T型DAC的特点是：模拟开关不管处于什么位置，流过各支路2R的电流总是接近于恒定值；该D/A转换器只采用R和2R两种电阻， 故在集成芯片中应用非常广泛，是目前D/A转换器中速度最快的一种。 

  25. 3.电流激励DAC 图 7.4 电流激励DAC工作原理图

  26. DAC 的最小输出电压变化量，也即 DAC 的最小输出电压值 UFSR = uO|D = 11  1 = ( 2n – 1 ) ULSB n 位均为 1 表示满度输出电压值，FSR 即 Full Scale Range 4主要参数 （1）. 分辨率 　　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。 例如，一个 10 位的 DAC，分辨率为 0.000 978。 DAC 的位数越多，分辨率值就越小， 能分辨的最小输出电压值也越小。

  27. 　　要获得较高精度的 D/A 转换结果，除了正确选用 DAC 的位数外，还要选用低漂移高精度的求和运算放大器。 　　指 DAC 实际输出模拟电压与理想输出模拟电压间的最大误差。 （2）.转换精度 　　它是一个综合指标，不仅与 DAC 中元件参数的精度有关，而且与环境温度、求和运算放大器的温度漂移以及转换器的位数有关。 通常要求 DAC的误差小于 ULSB / 2。 （3）.转换时间 　　指 DAC 在输入数字信号开始转换，到输出的模拟信号达到稳定值所需的时间。 　　转换时间越小，转换速度就越高。

  28. 7.2.3 常用集成DAC简介 1 DAC0830系列 DAC0830系列包括DAC0830、DAC0831和DAC0832，它是由CMOS Cr-Si工艺实现的8位乘法DAC，可直接与8080、8048、 Z80及其他微处理器接口。 该电路采用双缓冲寄存器，使它能方便地应用于多个DAC同时工作的场合。数据输入能以双缓冲、 单缓冲或直接通过3种方式工作。0830系列各电路的原理、结构及功能都相同，参数指标略有不同，为叙述方便，下面以实训中所使用的0832为例进行说明。

  29. 1） 引脚功能 0832的逻辑功能框图和引脚图示于图7.6中。它由8位输入寄存器、8位DAC寄存器和8位乘法DAC组成。8位乘法DAC是由倒梯形电阻网络和电子开关组成， 其工作原理已在前面的内容中讲述。0832采用20只引脚双列直插封装。各引脚的功能说明如下：  CS：输入寄存器选通信号，低电平有效，同WR1组合选通ILE。 

  30. 图 7.6 0832的逻辑功能框图和引脚图

  31. ILE：输入寄存器锁存信号，高电平有效（当CS=WR1= 0时， 只要ILE=1，则8位输入寄存器将直通数据，即不再锁存）。   WR1：输入寄存器写信号，低电平有效，在CS和ILE都有效且WR1= 0时，LI=1，将数据送入输入寄存器，即为“透明”状态。 当WR1变高或ILE变低时数据锁存。 XFER：传送控制信号，低电平有效，用来控制WR2选通DAC寄存器。 WR2：DAC寄存器写信号，低电平有效，当WR2和XFER同时有效时，LE为高，将输入寄存器中的数据装入DAC寄存器； LE负跳变锁存装入的数据。

  32. DI0~DI7：8位数据输入端，DI0为最低位，DI7为最高位。  Iout1：DAC电流输出1。  Iout2：DAC电流输出2。Iout1 +Iout2 =常数。  RFB：反馈电阻。  UREF： 参考电压输入，可在+10 V~－10 V之间选择。  VCC： 电源输入端，+15 V为最佳工作状态。  AGND： 模拟地。  DGND： 数字地。

  33. 2） 工作方式 (1) 双缓冲方式。DAC0832包含两个数字寄存器——输入寄存器和DAC寄存器，因此称为双缓冲。这是不同于其他DAC的显著特点， 即数据在进入倒梯形电阻网络之前，必须经过两个独立控制的寄存器。这对使用者是有利的。首先，在一个系统中， 任何一个DAC都可以同时保留两组数据；其次，双缓冲允许在系统中使用任何数目的DAC。

  34. (2) 单缓冲与直通方式。在不需要双缓冲的场合，为了提高数据通过率，可采用这两种方式。 例如，CS=WR2=XFER= 0， ILE=1，这样DAC寄存器处于“透明”状态，即直通。WR1=1时， 数据锁存，模拟输出不变; WR1=0时，模拟输出更新。这称为单缓冲工作方式。又如，当CS=WR2=XFER=WR1= 0，ILE=1时， 两个寄存器都处于直通状态，模拟输出能够快速反映输入数码的变化。实训9中的0832我们就接成了直通方式，使输入它的二进制信息直接转换为模拟输出。

  35. DAC转换器件逻辑功能测试 DAC0832的三种工作方式

  36. 7.3 A/D 转换器 1、A /D 转换的基本原理和一般步骤 A/D转换器（ADC）是一种将输入的模拟量转换为数字量的转换器。要实现将连续变化的模拟量变为离散的数字量，通常要经过四个步骤：采样、保持、量化和编码。一般前两步由采样保持电路完成，量化和编码由ADC来完成。 

  37. 基本原理 模拟输入信号 Dn-1 Dn-2 ADC uI … D1 n位二进制数输出D = Dn-1Dn-2D1D0 D0 　　△ 称为 ADC 的单位量化电压或量化单位，它是 ADC 的最小分辨电压。 “[ ]”表示取整。 可见，输出数字量 D正比于输入模拟量 uI 。

  38. 输出数字量 输入模拟量 Dn-1 uI(t) 量化编码 电路 … D1 S uI(t) C D0 采样保持电路 A /D 转换的一般步骤 采样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。保持：保持采样信号，使有充分时间转换为数字信号。量化：把采样保持电路的输出信号用单位量化电压的 整数倍表示。编码：把量化的结果用二进制代码表示。

  39. 采样定理：当采样频率不小于输入模拟信号频谱采样定理：当采样频率不小于输入模拟信号频谱 中最高频率的两倍时，采样信号可以 不失真地恢复为原模拟信号。 采样信号是否会丢失原信号的信息呢？ 量化误差：因模拟电压不一定能被 ULSB整除， 　量化时舍去余数而引起的误差。 对信号进行量化会引起误差吗？ 　　量化误差大小与 ADC 的位数、 基准电压 VREF 和量化方法有关。

  40. 模拟 电平 二进制 代码 代表的 模拟电平 模拟 电平 二进制 代码 代表的 模拟电平 (8/8)V (15/15)V 7 =14/15V 7 = 7/8V (7/8)V (13/15)V 6 = 6/8V 6 = 12/15V (6/8)V (11/15)V 5 = 5/8V 5 = 10/15V (5/8)V (9/15)V 4 = 4/8V 4 = 8/15V (4/8)V (7/15)V 3 = 6/15V 3 = 3/8V (3/8)V (5/15)V 2 = 4/15V 2 = 2/8V (2/8)V (3/15)V 1 = 2/15V 1 = 1/8V (1/8)V (1/15)V 000 111 110 101 100 011 010 010 001 011 100 101 110 111 001 000 0 = 0V 0 = 0V 0 0 划分量化电平的两种方法 最大量化误差 = /2 = (1/15)V 最大量化误差 =  = (1/8)V

  41. 2、常用ADC 的类型和主要参数 常用 ADC 的类型 　　常用 ADC 主要有并联比较型、双积分型和逐次 逼近型。其中，并联比较型 ADC 转换速度最快，但 价格贵；双积分型 ADC 精度高、抗干扰能力强，但 速度慢；逐次逼近型速度较快、精度较高、价格适中， 因而被广泛采用。

  42. 8位比较完，输出结果 最高位先置1，其余全0 VIN与80H对应的VN比较 VIN大，本位D7置1，下位置1 VIN小，本位D7置0，下位置1 如此类推。。。。 一、逐次逼近式ADC的转换原理

  43. 然后对标准电压进行反向积分 • VIN大，积分时间长； • VIN小，积分时间短； • 对VIN进行固定时间T积分 • VIN大，积分输出电压高； • VIN小，积分输出电压低； 二、双积分式ADC的转换原理 脉冲计数值与VIN对应

  44. 三、主要参数 　　指 ADC 输出数字量的最低位变化一个数码时，对应输入模拟量的变化量。 1. 分辨率 例如 最大输出电压为 5V 的 8 位 ADC 的分辨率为：5V / 28 = 19.6 mA 　　分辨率也可用 ADC 的位数表示。位数越多，能分辨的最小模拟电压值就越小。 2. 相对精度(又称转换误差) 　　指 ADC 实际输出数字量与理想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。 例如 转换误差不大于 1/2 LSB，即说明 实际输出数字量与理想输出数字量 之间的最大误差不超过 1/2 LSB。

  45. 转换速度比较：并联比较型 > 逐次逼近型 > 双积分型 数十 s 数十 ms 数十 ns 3. 转换时间 　　指 ADC 完成一次转换所需要的时间，即从转换开始到输出端出现稳定的数字信号所需要的时间。 转换时间越小，转换速度越高。

  46. 3、常用集成ADC简介 （1） ADC 0809 ADC0809是一种逐次比较型ADC，它是采用CMOS工艺制成的8位8通道A/D转换器，采用28只引脚的双列直插封装，其原理图和引脚图分别如图7.8(a)、 (b)所示。

  47. 图 7.8 ADC0809原理图和引脚图 (a) 原理图； (b) 引脚图

  48. 该转换器有三个主要组成部分：256个电阻组成的电阻阶梯及树状开关、逐次比较寄存器SAR和比较器。电阻阶梯和开关树是ADC0809的特点。ADC0809与一般逐次比较ADC的另一个不同点是，它含有一个8通道单端信号模拟开关和一个地址译码器，地址译码器选择8个模拟信号之一送入ADC进行A/D转换， 因此适用于数据采集系统。表9.3为通道选择表。

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