第11章 数据的存储、采集与转换

uo
RF IΣ － R U + ∞ + uo
UR UR UR UR U 2 4 8 16
UR UR UR UR U 2 4 8 16
总电流
I
U UR 1 1 1 1 （ 2 3 4） R 2 2 2 2 R
RF IΣ － R + ∞ +
U R d 3 d 2 d1 d 0 （ 2 3 4） R 2 2 2 2
如果是n位D/A转换器,当RF=R时,输出模拟电压值可 表示为
U R n 1 n2 n 3 0 uo n（2 d n 1 2 d n 2 2 d n 3 ....2 d 0） 2 1 1 1 1 uo U（ d n 1 d n 2 d n 3 .... n d 0） R 2 4 8 2
9. V 375V
显然，输出模拟量与输入数字量成正比
11.3.3集成D/A转换器
AD7524是CMOS单片低功耗8位并行D/A转换器。
VDD：供电电压正端； GND：接地端； UREF：为基准电源端； RF：反馈电阻端； D0～D输出端；
输出电压
uo I RF
u
U R RF d 3 d 2 d1 d 0 （ 2 3 4 ）U R 2 2 2 2
U R RF 3 （2 d 3 2 2 d 2 21 d1 20 d 0） R24
当RF=R时,上式可表示为
UR 3 uo 4（2 d 3 2 2 d 2 21 d1 20 d 0） 2
在绘制中、大规模集成电路的逻辑图时,为了方便 起见常用如图11-3所示的简化画法,有二极管的存 储单元用一黑点表示。
例11-1 用简化的ROM存储矩阵设计全加器。 解： 首先列出真值表 逻辑函数表达式
Si = Ai Bi Ci- 1 + Ai Bi C i- 1 + Ai Bi C i- 1 + Ai Bi Ci- 1
例设
U R 10V ，试分别求出二进制数1010和
1111相对应的模拟输出量。 解： （1）当数字量为1010时
1 0 1 0 Uo 10 1 2 3 4 V 6.25V 2 2 2 2
（2）当数字量为1111时
1 1 1 1 Uo 10 1 2 3 4 2 2 2 2
A/D转换器的基本原理框图如图所示，
为将模拟信号转换为数字量，在A/D转换过程中，还 必须将采样-保持电路的输出电压，按某种近似方式 归化到相应离散电平上，这一转化过程称为数值量 化，简称量化。量化后的数值最后还需通过编码过 程用一个代码表示出来。经编码后得到的代码就是 A/D转换器输出的数字量。 量化过程中所取最小数量单位称为量化单位，用△表示。
11.1.1 只读存储器ROM
11.1.1.1 ROM的电路结构
图11-1 ROM的结构图
ROM矩阵的容量=字数×位数=2n×M
11.1.1.2 ROM的工作原理
W0～W3四条字线表达式为
W0 = A A0 1
W2 = A A0 1
W1 = A1 A0
W3 = A1 A0
输出D3D2D1D0与地址译码器输出 端字线W0～W3的逻辑关系为
3．读/写控制电路与片选控制电路 读/写控制电路用于对电路的工作状态进行控制。
当R/W=1时，执行读操作，R/W=0时，执行写操作。 4．片选控制 当CS=0时，选中该片RAM工作， CS=1时该片
RAM不工作。
如图所示电路是一个1024×4位RAM的实例—2l14 的结构框图。
11.1.2.2 RAM容量的扩展
s imax
如图所示电路是集成采样—保持电路LF198的电路原理图及 符号。
11.3 数模转换电路
模数与数模转换器是计算机与外部设备的重要 接口,也是数字测量和数字控制系统的重要部件。 传感器 模拟控制 模 拟 信 号 ADC DAC 数 字 信 号 数字计算机 数字控制
将模拟量转换为数字量的装置称为模数转换器 (简称A/D转换器或ADC)； 将数字量转换为模拟量的装置称为数模转换器 (简称D/A转换器或DAC)
Ci = Ai Bi Ci- 1 + Ai B i Ci- 1 + Ai Bi C i- 1 + Ai Bi Ci- 1
存储器的简化矩阵阵列图如图所示。
由双极型晶体管和MOS型场效应管构成的存储矩 阵分别如图所示。
一次编程只读存储器PROM 结构示意图
11.1.2 随机存取存储器(RAM)
11.1.2.1 RAM的基本结构和工作原理
2 - 1
n
=
2 - 1
10
= 9.77mV
2．转换误差
转换误差表示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。
3 ．转换时间
转换时间是指A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出 端得到稳定的数字信号所经过的时间。
教学要求
1、了解D/A、A/D转换的功能、类型和指标;
2、了解D/A、A/D转换常用芯片的使用方法。
d2
MSB d3 R A
Σ
RF I ∞ － + +
uo
2R
I3 S3
2R
0
1
0 UR
RF ∞ － + +
R 2R I0 2R UR I1 2R UR
R I2 2R UR
R I3 2R UR
uo
RF R 2R I0 2R UR I1 2R UR R I2 2R UR R I3 2R UR ∞ － + +
11.4.3 集成A/D转换器
ADC0804是用CMOS集成工艺制成的逐次比较型模数转 换芯片。
11.4.4 A/D转换器的主要技术指标
1．分辨率
A/D转换器的分辨率是指输出数字量变化一个最低有效为 LSB所对应的输入模拟电压的变化量。
例如输入模拟电压的变化范围为0～10V，输出为10位数码， 则分辨率为 DU 10
11.3.1 D/A转换器的基本原理
一个n位二进制数可表示为 其最高位到最低的权依此为
D = dn- 1dn- 2 d1d0
2 ,2
n- 1
n- 2
,× ,2 2
1
0
数–模转换（D/A转换器）的基本思想：
由于构成数字代码的每一位都有一定的 “权”，因此为了将数字量转换成模拟量，就必须 将每一位代码按其“权”转换成相应的模拟量，然 后再将代表各位的模拟量相加即可得到与该数字量 成正比的模拟量，这就是构成D/A转换器的基本思 想。
CS ：为片选端；
WR :为写入控制端.
11.3.4 D/A转换器的主要参数
1、分辨率 用输入二进制数的有效位数表示。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D/A转换器的最小输出电压（1）与最大输出 电压（所有位为1）的比值来表示。10位D/A转换器的 分辨率为：
D0 = W3
D1 = W0 + W + W2 1
D2 = W + W2 + W3 1
D3 = A A0 + A A0 1 1
D3 = W1 + W2
把W0～W3与输入地址码A1A0关系代入有
D2 = A A0 + A1 A0 + A1 A0 1
D0 = A1 A0
D = A A0 + A A0 + A A0 1 1 1 1
1．位扩展（字长扩展） 地址线、读/写控制线、片选线并联
输入/ 输出线分开使用 如用 2 片 1024 4 位 RAM 扩展为 1024 8 位 RAM
2．字扩展（地址扩展）
字数的扩展可利用外加译码器控制存储器芯片的片选输入 端CS来实现。 如 将1024 4的RAM扩展为4K×4位的RAM
砝码重
结
论
暂时结果 8 克 12 克 12 克 13 克
第一次
8 克 砝码总重 < 待测重量Wx ，故保留
第二次 加4克 砝码总重仍 <待测重量Wx ，故保留 第三次 加2克
砝码总重 > 待测重量Wx ，故撤除
第四次 加1克 砝码总重 ＝ 待测重量Wx ，故保留
逐次比较型A/D转换器电路如图所示。
输出数字量
输入模拟电压 ui
原 理 框 图
顺序脉冲 发生器
逐次逼近 寄存器
D/A 转换器 uo
电压 比较器
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100…0。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ui ＞uo ，说明数字过大了，故将最 高位的1清除；若ui＜uo，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。
*11.2 采样和保持电路
采样和保持电路的任务是当输入信号变化较快时，要求输出 信号能快速而准确的跟随输入信号的变化进行间隔采样，在 两次采样之间保持上一次采样结束时的状态， 如图所示电路为采样保持电路的原理图和输出波形, 采样保 持电路由运算放大器、保持电容C和开关S组成。
合理的采样频率由采样定理确定。 采样定理：设采样信号S(t)的频率为fs，输入模拟信I(t) 的最高频率分量的频率为fimax， 则 f ≥ 2f
两种近似量化方法：去尾法和四舍五入法。
逐次比较型A/D转换器原理框图如图所示，是由顺序脉冲发 生器，逐次逼近寄存器，D/A转换器和电压比较器等几部分 组成。