3. 模数转换器 （1） 模/数（A/D ）转换器 A/D 转换器是模拟信号源与计算机或其它数字系统之间联系的桥梁，它的任务是将连续变化的模拟信号转换为数字信号，以便计算机或数字系统进行处理、存储、控制和显示。在工业控制和数据采集及其它领域中，A/D 转换器是不可缺少的重要组成部分。 1) 逐次逼近型A/D 转换器 逐次逼近型A/D 转换器又称逐次渐近型A/D 转换器，是一种反馈比较型A/D 转换器。逐次逼近型A/D 转换器进行转换的过程类似于天平称物体重量的过程。天平的一端放着被称的物体，另一端加砝码，各砝码的重量按二进制关系设置，一个比一个重量减半。称重时，把砝码从大到小依次放在天平上，与被称物体比较，如砝码不如物体重，则该砝码予以保留，反之去掉该砝码，多次试探，经天平比较加以取舍，直到天平基本平衡称出物体的重量为止。这样就以一系列二进制码的重量之和表示了被称物体的重量。例如设物体重11克，砝码的重量分别为1克、2克、4克和8克。称重时，物体天平的一端，在另一端先将8克的砝码放上，它比物体轻，该砝码予以保留（记为1），我们将被保留的砝码记为1，不被保留的砝码记为0。然后再将4克的砝码放上，现在砝码总和比物体重了，该砝码不予保留（记为0），依次类推，我们得到的物体重量用二进制数表示为1011。用下表7.1表示整个称重过程。 表7.1 逐次逼近法称重物体过程表 图7.7 逐次逼近型A/D 转换器方框图 利用上述天平称物体重量的原理可构成逐次逼近型A/D 转换器。 逐次逼近型A/D 转换器的结构框图如图7.7所示，包括四个部分：电压比较器、D/A 转换器、逐次逼近寄存器和顺序脉冲发生器及相应的控制逻辑。 逐次逼近型A/D 转换器是将大小不同的参考电压与输入模拟电压逐步进行比较，比较结果以相应的二进制代码表示。转换开始前先将寄存器清零，即送给D /A 转换器的数字量为0，三个输出门G 7、G 8、G 9被封锁，没有输出。转换控制信号有效后（为高电平）开始转换，在时钟脉冲作用下，顺序脉冲发生器发出一系列节拍脉冲，寄存器受顺序脉冲发生器及控制电路的控制，逐位改变其中的数码。首先控制逻辑将寄存器的最高位置为1，使其输出为100……00。这个数码被D/A 转换器转换成相应的模拟电压U o ,送到比较器与待转换的输入模拟电压U i 进行比较。若U o ＞U i ，说明寄存器输出数码过大，故将最高位的1变成0，同时将次高位置1；若U o ≤U i ,说明寄存器输出数码还不够大，则应将这一位的1 保留。数码的取舍通过电压比较器的输出经控制器来完成的。依次类推按上述方法将下一位置1进行比较确定该位的1是否保留，直到最低位为止。此时寄存器里保留下来的数码即为所求的输出数字量。 2) 并联比较型A/D 转换器 并联比较型A/D 转换器是一种高速A/D 转换器。图8-9所示是3位并联型A/D 转换器，
第11章 数模与模数转换器 习题与参考答案 【题11-1】 反相运算放大器如图题11-1所示，其输入电压为10mV ，试计算其输出电压V O 。 图题11-1 解：输出电压为： mV mV V R R V IN F O 10010101 =?=-= 【题11-2】 同相运算放大器如图题11-2所示，其输入电压为10 mV ，试计算其输出电压V O 。 图题11-2 解：mV mV V R R V IN F O 110101111 =?=+=）（ 【题11-3】 图题11-3所示的是权电阻D/A 转换器与其输入数字信号列表，若数字1代表5V ，数字0代表0V ，试计算D/A 转换器输出电压V O 。 11-3 【题11-4】 试计算图题11-4所示电路的输出电压V O 。 图题11-4 解：由图可知，D 3~D 0=0101 因此输出电压为：V V V V O 5625.151650101254 === ）（ 【题11-5】 8位输出电压型R/2R 电阻网络D/A 转换器的参考电压为5V ，若数字输入为，该转换器输出电压V O 是多少？
解：V V V V O 988.21532565100110012 58≈== ）（ 【题11-6】 试计算图题11-6所示电路的输出电压V O 。 图题11-6 解：V V V D D V V n n REF O 5625.1516501012 5~240==-=-=）（）（ 【题11-7】 试分析图题11-7所示电路的工作原理。若是输入电压V IN =，D 3～D 0是多少？ 图题11-7 解：D3=1时，V V V O 6221234== ，D3=0时，V O =0。 D2=1时，V V V O 3221224== ，D2=0时，V O =0。 D1=1时，V V V O 5.1221214== ，D1=0时，V O =0。 D0=1时，V V V O 75.0221204 ==，D0=0时，V O =0 由此可知：输入电压为，D3~D0=1101，这时V O =6V++=，大于输入电压V IN =，比较器输出低电平，使与非门74LS00封锁时钟脉冲CLK ，74LS293停止计数。 【题11-8】 满度电压为5V 的8位D/A 转换器，其台阶电压是多少？分辨率是多少？ 解：台阶电压为mV mV V STEP 5.192/50008== 分辨率为：%39.00039.05000/5.195000/===mV V STEP
实验报告 课程名称微机原理与接口技术 实验项目实验五 数/模转换器和模/数转换器实验实验仪器 TPC-USB通用微机接口实验系统 系别计算机系 专业网络工程 班级/学号 学生 _ 实验日期 成绩_______________________ 指导教师王欣
实验五数/模转换器和模/数转换器实验 一、实验目的 1. 了解数/模转换器的基本原理，掌握DAC0832芯片的使用方法。 2. 了解模/数转换器的基本原理，掌握ADC0809的使用方法。 二．实验设备 1.PC微机系统一套 2.TPC-USB通用微机接口实验系统一套 三．实验要求 1．实验前要作好充分准备，包括程序框图、源程序清单、调试步骤、测试方法、对运行结果的分析等。 2．熟悉与实验有关的系统软件（如编辑程序、汇编程序、连接程序和调试程序等）使用方法。在程序调试过程中，有意识地了解并掌握TPC-USB通用微机接口实验系统的软硬件环境及使用，掌握程序的调试及运行的方法技巧。 3．实验前仔细阅读理解教材相关章节的相关容，实验时必须携带教材及实验讲义。 四．实验容及步骤 （一）数/模转换器实验 1．实验电路原理如图1，DAC0832采用单缓冲方式，具有单双极性输入端(图中的Ua、Ub),编程产生以下锯齿波(从Ua和Ub输出，用示波器观察) 图1 实验连接参考电路图之一 编程提示： 1. 8位D/A转换器DAC0832的口地址为290H，输入数据与输出电压的关系为：
(UREF表示参考电压,N表示数数据)，这里的参考电压为ＰＣ机的＋５Ｖ电源。 2. 产生锯齿波只须将输出到DAC0832的数据由0循环递增。 3. 参考流程图（见图2）: 图2 实验参考流程图之一 （二）模/数转换器 1. 实验电路原理图如图3。将实验（一）的DAC的输出Ua，送入ADC0809通道1(IN1)。 图3 实验连接参考电路图之二 2. 编程采集IN1输入的电压,在屏幕上显示出转换后的数据(用16进制数)。编程提示： 1. ADC0809的IN0口地址为298H，IN1口地址为299H。 2. IN0单极性输入电压与转换后数字的关系为：
课程设计任务书
摘要 目前，无论是模拟通信还是数字通信，在不同的通信业务中都得到了广泛的应用。但是，数字通信的发展速度已明显超过模拟通信，成为当代主流，因为它有很多模拟通信所没有的优点，因此模拟信号往往要被编码成数字信号，从而在数字信道中传输。 本次课程设计是在MATLAB软件环境下进行的，完成的是对A/D和D/A转换器的设计。A/D转换负责将模拟信号转换为数字信号，即用一串数字编码（如0101）去表示对应的一个模拟信号的一点的值，其转换过程是先对输入的模拟信号进行抽样，所使用的抽样频率要满足抽样定理的要求，然后对抽样结果进行幅度离散化（称为量化）并编码为二进制序列。D/A转换的功能与A/D转换相反，它将输入的数字信号序列转换为模拟信号，其转换过程是将输入（二进制）数字序列恢复为相应电平的抽样值序列,然后通过满足抽样定理要求的低通滤波器恢复模拟信号。A/D转换采用平顶抽样技术，所以恢复模拟信号存在高频段的失真，若对恢复信号质量要求严格，需采用均衡器来补偿这种孔径失真。A/D转换器的输出数据形式可以是并行的，也可以是串行的。 关键词:MATLAB；抽样；量化；编码
目录 1.课程设计目的 (1) 2.课程设计要求 (1) 3.相关知识 (1) 3.1 模拟信号数字化 (1) 3.2 A/D和D/A转换的原理 (2) 4．课程设计分析 (3) 4..1 A/D和D/A转换器的模型 (3) 4.2 模块参数设置 (8) 5．仿真 (8) 6．结果分析 (10) 7．参考文献 (11)
1.课程设计目的 （1）加深对A/D和D/A基本理论知识的理解。 （2）培养独立开展科研的能力和编程能力。 （3）掌握A/D和D/A结构及其在通信系统中的应用。 2.课程设计要求 （1）掌握课程设计的相关知识、概念清晰。 （2）程序设计合理、能够正确运行。 3.相关知识 3.1模拟信号数字化 通信系统可以分为模拟和数字通信系统两大类。数字通信系统具有抗干扰能力强，且噪声不积累；传输差错可控；便于用现代数字信号处理技术对数字信息进行处理、变换、存储；易于集成，使通信设备微型化，重量轻；易于加密处理，且保密性好等优点，所以应用非常广泛，已经成为现代通信的主要发展趋势。自然界中的信号都是模拟信号，这就需要我们对模拟信号进行抽样、量化、编码，形成数字信号后，在数字信号系统中传输。在接收端则通过相应的逆变换恢复成模拟信号。若要利用数字通信系统传输模拟信号，一般需要三个步骤：（1）把模拟信号数字化，即模数转换（A/D）； （2）进行数字方式传输； （3）把数字信号还原为模拟信号，即数模转换（D/A）。 如果电信号的参量取值连续（不可数、无穷多），则称之为模拟信号。例如，话筒送出的送出电压包含有话音信息，并在一定的取值范围内连续变化。模拟信号有时也称连续信号，这里连续的含义是指信号的某一参量连续变化，或者说在某一取值范围内可以取无穷多个值，而不一定在时间上也连续。 如果电信号的参量仅可能取有限个值，则称之为数字信号。如电报信号、计算机输入/输出信号、PCM信号等。数字信号有时也称离散信号，这个离散是指信号的某一参量是离散变化的，而不一定在时间上也离散。
思考题与习题 8-1 选择题 1）一输入为十位二进制（n=10）的倒T 型电阻网络DAC 电路中，基准电压REF V 提供电流为 b 。 A. R V 10REF 2 B. R V 10REF 22? C. R V REF D. R V i )2(REF ∑ 2）权电阻网络DAC 电路最小输出电压是 b 。 A. LSB 21V B. LSB V C. MSB V D. MSB 2 1V 3）在D/A 转换电路中，输出模拟电压数值与输入的数字量之间 a 关系。 A.成正比 B. 成反比 C. 无 4）ADC 的量化单位为S ，用舍尾取整法对采样值量化，则其量化误差m ax ε= b 。 A.0.5 S B. 1 S C. S D. 2 S 5）在D/A 转换电路中，当输入全部为“0”时，输出电压等于 b 。 A.电源电压 B. 0 C. 基准电压 6）在D/A 转换电路中，数字量的位数越多，分辨输出最小电压的能力 c 。 A.越稳定 B. 越弱 C. 越强 7）在A/D 转换电路中，输出数字量与输入的模拟电压之间 a 关系。 A.成正比 B. 成反比 C. 无 8）集成ADC0809可以锁存 8 模拟信号。 路 B. 8路 C. 10路 D. 16路 5）双积分型ADC 的缺点是 a 。 A.转换速度较慢 B. 转换时间不固定 C. 对元件稳定性要求较高 D. 电路较复杂 8-2 填空题 1）理想的DAC 转换特性应是使输出模拟量与输入数字量成__正比__。转换精度是指DAC 输出的实际值和理论值__之差_。 2）将模拟量转换为数字量，采用 __A/D__ 转换器，将数字量转换为模拟量，采用__D/A_____ 转换器。 3）A/D 转换器的转换过程，可分为采样、保持及 量化 和 编码 4个步骤。 4）A/D 转换电路的量化单位位S ，用四舍五入法对采样值量化，则其m ax ε= 。 5）在D/A 转换器的分辨率越高，分辨 最小输出模拟量 的能力越强；A/D 转换器的分辨率越高，分辨 最小输入模拟量 的能力越强。 6）A/D 转换过程中，量化误差是指 1个LSB 的输出变所对应的模拟量的范围 ，量化误差是 不可 消除的。
模数、数模转换器 本章讨论的问题 1、为什么要进行模数和数模转换？ 2、怎样将模拟量转换为数字量？ 3、怎样将数字量转换为模拟量？ 4、怎样保证数据转换的精度和速度？ 随着数字电子技术的飞速发展，特别是计算机技术的发展与普及，用数字电路处理模拟信号的应用在自动控制、通信以及检测等许多领域越来越广泛。 自然界中存在的大都是连续变化的物理量，如温度、时间、速度、流量、压力等等。要用数字电路特别是用计算机来处理这些物理量，必须先把这些模拟量转换成计算机能够识别的数字量，经过计算机分析和处理后的数字量又需要转换成相应的模拟量，才能实现对受控对象的有效控制，这就需要一种能在模拟量与数字量之间起桥梁作用的电路--—模数和数模转换电路。 能将模拟量转换成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）。A/D和D/A 转换器是数字控制系统中不可缺少的组成部分，是用计算机实现工业过程控制的重要接口电路。 6.1 模数（A/D）转换器 6.1.1 A/D转换的基本概念 A/D转换器的作用就是将输入的模拟量转换成与其成比例的数字量，实质上，A/D转换器是模拟系统到数字系统的接口电路。一个完整的模数转换过程必须包括采样→保持→量化→编码等四个部分。 1. 采样定理 图6.1是某一输入模拟信号经采样后得出的波形。为了保证能从采样信号中将原信号恢复，必须满足条件
f s ≥2f i(max) （6.1） 式中：f s 为采样频率，f i(max)为输入信号u i 中最高次谐波分量的频率。这一关系称为采样定理。 A/D 转换器工作时的采样频率只有满足式（6.1）所规定的频率要求，才能做到不失真地恢复出原模拟信号。这就像用照相机拍摄世界级运动员跨栏瞬间的镜头一样，如果相机的速度太慢，是无法留住那精彩瞬间的。采样频率越高，进行转换的时间就越短，对A/D 的工作速度要求就越高。一般取f s =(3～5)f i(max)。 2、采样保持电路 A/D 转换器在进行模数转换期间，要求输入的模拟信号有一段稳定的保持时间，以便对模拟信号进行离散处理，即对输入的模拟信号进行采样。 一个实际的采样保持电路如图6.2所示。图中A 1、A 2是两个集成运算放大器， S 是电子模拟开关，L 是控制S 工作状态的逻辑单元电路。二极管D 1、D 2组成保护电路。保护电路的工作原理是：当O u '比O u 所保持的电压高出一个二极管的正向压降时，D 1管导通，O u '被钳位于1D i U u +（1D U 为D 1的正向导通压降）。同理，当O u '比O u 低一个二极管的压 降时，D 2管导通，O u '被钳位于2D i U u -。保护电路的作用就是防止在S 再次接通以前，i u 发生变化而引起O u '的更大变化，导致O u '与i u 不再保持线性关系，并使开关电路有可能因承受过高的O u '电压而损坏。该电路的整个采样保持过程如下： 当1=L u 时，电子模拟开关S 闭合。A 1、A 2接成电压跟随器，故输出 i O O u u u =='。与此同时， O u '通过电阻R 2对外接电容C h 充电，使i ch u u =。因电压跟随器的输出电阻 图6.1 采样波形图 u u i u u o 图6.2 采样保持电路