电工与电子技术 第十一章 信号产生与转换电路

RC振荡电路 LC振荡电路 石英晶体振荡电路
矩形波发生电路 三角波发生电路 锯齿波发生电路 压控振荡电路
11.3 数字信号与模拟信号的相互转换 1．D/A、A/D转换器的概念 能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器， 简称A/D转换器或ADC； 能将数字量转换为模拟量的电路称为数模转换器， 简称D/A转换器或DAC。
EOC：当转换结束后，EOC变为高电平。
OE：输出允许信 频率一般为640kHz。
Ucc： +5V单电源供电。 UREF（+）、UREF（-）：基准电压 的正端和负端。一般UREF（+）接 +5V，UREF（-）接地。 D7～D0：数字信号输出端。
ADC0809典型应用电路：
设RF=R
1 1 U REF I 2 I 3 I REF 2 4 4R 1 1 U I 0 I1 I REF REF 2 16 16R
U REF R
例 4位R－2R倒T形电阻网络DAC如上图所示，设基准电压 UREF=5V，RF= R，试求输入二进制数D3D2D1D0=0110时输出 电压值。 解：将D3D2D1D0=0110代入公式
例如：设δ＝1V，采样值分别为：2V、4.4V、4.5V和 5.7V。
（1）四舍五入法：量化结果为：2V＝2δ，4.4V＝4δ，4.5V＝ 5δ，5.7V ＝6δ； （2）舍去小数法：量化结果为：2V＝2δ，4.4V＝4δ，4.5V＝ 4δ，5.7V ＝5δ。
显然，采用不同量化方式，其量化后的结果存在差异；而且 上述量化结果与采样值之间存在误差，这种误差称为量化误差。 把上述量化结果用代码表示，称为编码。
八位R－2R倒T形电阻网络DAC
UREF I7 0 A 2R 1 R I6 0 B 2R 1 I1 0 C 2R 1 R I0 0 D 2R 2R Rf 1
I∑ D7 D6 D1 D0
UOUT
+
VREF I 8 N 2 R
VOUT
VREF RF VREF RF I 8 N 8 N 2 R 2
D3D2D1D 0
uo(V)
D 3D2D1D0
uo(V)
0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111
4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5
(2) 量化－编码 一般把上述采样保持后的值以某个“最小数量单位” 的整数倍来表示，这一过程称为量化。规定的最小数量单 位称为量化单位或量化间隔，用“δ” 表示。 量化的方法一般有两种：四舍五入法和舍去小数法。 （1）四舍五入法：把＜δ/2的电压作为“0δ”处理，把 ≥δ/2而＜3/2δ的电压作为“1δ”处理； （2）舍去小数法：把＜δ的电压作为“0δ”处理，把≥δ 而＜2δ的电压作为“1δ”处理。
U o ( RFB I OUT 1 )
11.3.2 模数转换器 A/D转换是将模拟信号转换为数字信号 1. 转换过程: 通过采样、保持、量化和编码四个步骤完成。
(1)采样－保持
采样是将时间上连续变化的信号转换为时间上离散的信号。 采样频率fS必须大于等于输入模拟信号包含的最高频率 fmax的两倍。 采样后的值必须保持不变，直到下一次采样为止。因为 A/D转换必须花时间处理采样值。 采样 和 保持 操作
U REF 3 uo 4 (2 D3 2 2 D2 21 D1 20 D0 ) 2 5V 3 4 (2 0 2 2 1 21 1 20 0) 2 5 6 V 1.875 V 16
练习 已知八位Ｄ／Ａ转换电路中，当输入数字量为 10000000时， 输 出 电 压 为 6.4V ， 则 当 输 入 为 01010000 时 ， 其 输 出 电 压 为 （ ）。 4V
4 集成A/D转换器及应用举例 ADC0809是采用CMOS工艺制成的单片8位8通道逐次比较 型A/D转换器
IN0～IN7：8路模拟信号输入端。 A2、A1、A0：8路模拟信号的地址码 输入端。 ALE：地址锁存允许输入信号，在此 脚施加正脉冲，上升沿有效。
START：启动信号输入端，应在此脚 施加正脉冲.
3
A/D转换器的主要技术参数
(1) 分辨率 用输出二进制数的位数n表示，位数越多，对输入模拟信 号的分辨能力越强。 例如：输入模拟电压的变化范围为0～5V。 输出8位二进制数可以分辨的最小输入模拟电压为 5V×2-8＝20mV； 而输出12位二进制数可以分辨的最小输入模拟电压为 5V×2-12≈1.22mV。
问题：图中为何将启动信号输入端与转换结束端EOC直接相连？
例11.3.3 某8位A/D转换器的输入模拟电压满量程为5V， 当输入电压为3.00V时，求对应的输出数字量？
解：输入模拟电压与输出数字量对应的十进制数成正比
U i K D10
5 3 (11111111 ) ( D)10
( D)10 153
用3位代码可表示0δ～7δ；用4位代码可表示0δ～15δ；用8位 代码可表示0δ～127δ；用n位代码可表示0δ～（2n －1）δ。显 然，编码位数越多，量化误差就越小，精度越高
2.A/D转换器的种类和工作特点 (1) A/D转换器的种类 A/D转换器可分为直接A/D转换器和间接A/D转换器。 直接A/D转换器是将输入模拟电压直接转换成数字量; 间接A/D转换器是先将输入模拟电压转换成中间量，如时间或 频率，然后将这些中间量转换成数字量。 常用的直接A/D转换器：并联比较型A/D转换器和逐次比较型 A/D转换器。 常用的间接A/D转换器：中间量为时间的双积分型A/D转换器， 中间量为频率的电压－频率转换型A/D转换器。 (2) 常用A/D转换器的工作特点 转换速度最高的是：并联比较型ADC； 转换速度最低的是：双积分型ADC； 转换精度最高的是：双积分型ADC； 转换精度最低的是：并联比较型ADC； 转换速度和转换精度均较高的是：逐次比较型ADC
2．D/A、A/D转换器的实际举例
锅炉加 热信号 采集和 控制系 统
11.3.1 数模转换器
1．数模转换器的组成和工作原理 R－2R倒T形电阻网络D/A转换器如图所示。
①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。 ②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。
第十一章 信号产生与转换电路
信号产生电路也称波形发生电路，是无线通信、自动测量以及 自动控制系统中不可缺少的一种电路 信号产生包括模拟信号产生电路和脉冲信号产生电路 模拟信号波形发生电路分为正弦波振荡电路和非正弦波发生电路 两大类。脉冲信号波形发生电路分为单脉冲和周期脉冲产生电路 正弦波振荡电路 模拟信号 产生电路 非正弦波发生电路
N=10，则VO=0.195V
如VREF=5V，N=255，则VO=4.980V N=128，则VO=2.500V N=64，则VO=1.250V
N=1， 则VO=0.0195V
2.D/A转换器的主要技术参数
1．分辨率 分辨率用输入二进制数的有效位数表示。在分辨率为n位的 D/A转换器中，输出电压能区分2n个不同的输入二进制代码状 态，能给出2n个不同等级的输出模拟电压。 也可以用转换器 的最小输出电压 ULSB（输入数字 量只有最低位为 1时对应的输出 电压）与最大输 出电压UMSB（输 入数字全为1时 对应的输出电压） 的比值表示
基准电源UREF提供的总电流IREF =？ I REF
1 U REF I 3 I REF 2 2R 1 1 U I1 I 2 I REF REF 2 8 8R
U REF RF 3 2 1 0 uo RF iF RF i ( 2 D 2 D 2 D 2 D0 ) 3 2 1 4 2 R 1 1 1 1 U REF ( D3 D2 D1 D0 ) 该公式可推广到 n 位！ 2 4 8 16
即输出数字量 D＝10011001
线性DAC0832 采用CMOS工艺制成的单片电流输出型8位数/模转换器
图12.1.3 DAC0832的内部组成框图
DAC0832典型应用电路图： 电流转换为 电压
如UREF=5V，D=11000000时 5 5 UO (2 7 2 6 ) (128 64 ) 3.75V 256 256
2．转换精度 指输出模拟电压的实际值与理想值之差，即最大静态 转换误差。 一般情况下，精度不大于最小数字量的±1/2，即ULSB/2 3．转换时间（输出建立时间） 从输入数字信号起，到输出电压或电流达到稳定值时所 需要的时间，称为转换时间（或输出建立时间）。 单片集成D/A转换器建立时间可达0.1us。
(2) 转换误差 它表示A/D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字 量之间的差别。常用最低有效位（LSB）的倍数表示。 (3) 转换时间 转换时间指完成一次转换所需的时间。转换时间是指从接 到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号 所经过的这段时间。
转换时间主要取决于转换器的类型，不同转换器的转换速 度相差很多 。并联型A/D转换器的转换速度可达50ns以内 ， 逐次比较式在10-100μs以内，双积分A/D转换器等在数十 毫秒至数百毫秒之间。。