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1、第1页，本讲稿共47页 数字信号处理系统首先将连续变化的模拟信号转数字信号处理系统首先将连续变化的模拟信号转化为一系列离散的电平值。这些电平值随模拟信号变化为一系列离散的电平值。这些电平值随模拟信号变化而发生变化，其形状呈阶梯状，如图化而发生变化，其形状呈阶梯状，如图 所示。所示。原始模拟信号原始模拟信号(正正弦波弦波)及其阶梯状逼近及其阶梯状逼近第2页，本讲稿共47页 A/D转转换换器器能能将将模模拟拟信信号号转转换换为为数数字字信信号号的的电电路路称称为为模模数数转转换换器器，简简称称A/D转转换换器器或或ADC；它它是是模模拟拟系系统统到到数数字字系系统统的的接接口口电电路路。D/A转转
2、换换器器能能将将数数字字量量转转换换为为模模拟拟量量的的电电路路称称为为数数模模转转换换器器，简简称称D/A转转换换器器或或DAC。ADC和和DAC是是沟沟通通模模拟拟电电路路和和数数字字电电路路的桥梁，也可称之为两者之间的接口。的桥梁，也可称之为两者之间的接口。第3页，本讲稿共47页 并行比较型并行比较型A/D转换电路，由电阻分压器、电压比转换电路，由电阻分压器、电压比较器及编码器组成。分压器用于确定量化电平，比较较器及编码器组成。分压器用于确定量化电平，比较器用来确定模拟抽样电平的量化并产生数字量输出。器用来确定模拟抽样电平的量化并产生数字量输出。编码器对比较器的输出进行编码并输出二进制码
3、。如编码器对比较器的输出进行编码并输出二进制码。如图图7.2所示是三位并行比较型所示是三位并行比较型ADC电路框图，图中未电路框图，图中未画出抽样画出抽样保持电路，图中的输入电压保持电路，图中的输入电压ui则为抽样则为抽样保持电路的输出电压。保持电路的输出电压。第4页，本讲稿共47页7.2 并行比较型并行比较型A/D转换器转换器第5页，本讲稿共47页 根据输入电压根据输入电压ui和比较器的状态，列出比较器输和比较器的状态，列出比较器输入、输出状态表，如表入、输出状态表，如表7.1所示。所示。第6页，本讲稿共47页 逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器的逻辑电路如图转换器的逻辑电路如图7.3所示。所
4、示。它由三位它由三位D/A转换器、三位逐次逼近寄存器转换器、三位逐次逼近寄存器FFA、FFB、FFC、FF1FF5(接成环行移位寄存器接成环行移位寄存器)、电压比较器及、电压比较器及相应的控制逻辑电路组成。相应的控制逻辑电路组成。一个一个n位逐次逼近型位逐次逼近型A/D转换器完成一次转换要进转换器完成一次转换要进行行n次比较，所以，该电路转换速度比并联比较型次比较，所以，该电路转换速度比并联比较型A/D转换器电路要低，属于中速转换器电路要低，属于中速A/D转换器。不过逐次逼转换器。不过逐次逼近型电路简单、成本较低、准确度高，易于集成，所近型电路简单、成本较低、准确度高，易于集成，所以在十六位以
5、下的以在十六位以下的A/D转换器中运用很多。转换器中运用很多。第7页，本讲稿共47页图图7.3 逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器电路转换器电路第8页，本讲稿共47页 双积分型双积分型A/D转换器是由积分器转换器是由积分器A1、检零比较器、检零比较器A2、计数器和定时触发器、计数器和定时触发器FFn组成，其中基准电压组成，其中基准电压UREF的极性与输入模拟电压的极性相反，如图的极性与输入模拟电压的极性相反，如图7.4所示。所示。实际上，双积分型实际上，双积分型A/D转换器，能根据输入电压转换器，能根据输入电压ui的极性，自动改变基准电压的极性，自动改变基准电压UREF的极性，保证取样的极性，保
6、证取样阶段与比较阶段积分器输出电压极性相反。阶段与比较阶段积分器输出电压极性相反。第9页，本讲稿共47页图图7.4 双积分双积分A/D转换器原理图转换器原理图第10页，本讲稿共47页 DSP(数字信号处理器数字信号处理器)本质上是一种专门处理实时数据的微本质上是一种专门处理实时数据的微处理器，主要用于处理代表模拟信号的数据。像一般的微处理器处理器，主要用于处理代表模拟信号的数据。像一般的微处理器一样，一样，DSP有有CPU、存储单元以及许多接口功能。、存储单元以及许多接口功能。DSP应用很广，它是数字信号处理系统的心脏。其输入源自应用很广，它是数字信号处理系统的心脏。其输入源自ADC，输出至，
7、输出至DAC，如图所示。，如图所示。DSP有一个数字输入，产生一个数字输出有一个数字输入，产生一个数字输出第11页，本讲稿共47页 D/A转换器的基本原理和转换特性转换器的基本原理和转换特性 将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，所得的总模拟量就与数拟量，然后将代表各位的模拟量相加，所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。基本原理基本原理转换特性转换特性第12页，本讲稿共47页 权电阻网络权电阻网络D/A转换器原理图如图转换
8、器原理图如图7.6所示。所示。D3D2D1D0是输入的四位二进制数。它们控制着是输入的四位二进制数。它们控制着4个电个电子模拟开关子模拟开关S3S2S1S0。4个电阻个电阻20R、21R、22R、23R组组成权电阻转换网络；运算放大器完成求和运算；成权电阻转换网络；运算放大器完成求和运算；uo是是输出模拟电压；输出模拟电压；UREF是基准电压。是基准电压。开关开关Si受输入数字信号受输入数字信号Di控制，如控制，如D2=0，即低电，即低电平时，相应的开关平时，相应的开关S2接通上端，与地连接，此时没有接通上端，与地连接，此时没有第13页，本讲稿共47页电流流入外接的运算放大器中；当电流流入外接
9、的运算放大器中；当D2=1为高电平时，为高电平时，相应开关相应开关S2接通下端的触点，电流接通下端的触点，电流I2流入外接的运算流入外接的运算放大器的虚地点。放大器的虚地点。图图7.6 权电阻网络权电阻网络D/A转换器原理图转换器原理图第14页，本讲稿共47页 由上式可知，运算放大器将流向虚地点的各权电由上式可知，运算放大器将流向虚地点的各权电阻电流求和后再转换模拟电压，其运算放大器的输出阻电流求和后再转换模拟电压，其运算放大器的输出电压为：电压为：根据运算放大器虚地的概念，如果根据运算放大器虚地的概念，如果S0S3都接通下都接通下端的触点，则流入运算放大器虚地点的总电流为：端的触点，则流入运
10、算放大器虚地点的总电流为：第15页，本讲稿共47页 图图7.7所示为所示为T形电阻网络形电阻网络DAC的电路图。它是一的电路图。它是一种应用较为广泛的种应用较为广泛的DAC电路，输入量为电路，输入量为D0 D1 D2 D3，UREF为参考电压，为参考电压，S0S3为电子模拟开关，当为电子模拟开关，当D3=1时，时，S3接到接到UREF；当；当D3=0时，时，S3接地。即接地。即D3 D2 D1 D0=1000时，在时，在AB端所提供的电压将为端所提供的电压将为(UREF/21)，从，从AB端向左看进去的内阻都是端向左看进去的内阻都是R。依此类推，当。依此类推，当D3 D2 D1 D0=0001
11、、0010和和0100时，根据叠加定理将这时，根据叠加定理将这第16页，本讲稿共47页些电压分量进行叠加，经运算放大器后，输出模拟电些电压分量进行叠加，经运算放大器后，输出模拟电压为：压为：由上式看出：模拟电压由上式看出：模拟电压uO与输入的数字信号成正与输入的数字信号成正比，实现了数字量到模拟量的转换。但此电路在动态比，实现了数字量到模拟量的转换。但此电路在动态过程中，输出的模拟电压的瞬时值有可能比稳态值大过程中，输出的模拟电压的瞬时值有可能比稳态值大得多，引起较大的动态误差。得多，引起较大的动态误差。第17页，本讲稿共47页图图7.7 T型电阻网络型电阻网络第18页，本讲稿共47页 这个电
12、路的特点是速度比较快这个电路的特点是速度比较快，目前在，目前在D/A转换器中转换器中被广泛采用。被广泛采用。第19页，本讲稿共47页 DAC测试模型如图所示。其基本内容是，输入二进制编码序列测试模型如图所示。其基本内容是，输入二进制编码序列并观察输出结果。其中，二进制编码序列遍历其全部可能的取值并观察输出结果。其中，二进制编码序列遍历其全部可能的取值(从从0到到2n-1，n是位数是位数)。理想情况下，输出为直线阶梯状波形。随着二进制编码位数的增加，理想情况下，输出为直线阶梯状波形。随着二进制编码位数的增加，输出逼近于线性直线斜坡信号。输出逼近于线性直线斜坡信号。一、一、D/A转换器转换器功能测
13、试功能测试第20页，本讲稿共47页 1.DAC0832 DAC0832是常用的集成是常用的集成DAC，它是用，它是用CMOS工艺制工艺制成的双列直插式单片成的双列直插式单片8位位DAC，可以直接与，可以直接与280、8080、8085、MCS51等微处理器相连接。其引脚排列如图等微处理器相连接。其引脚排列如图7.10所所示。示。DAC0832由由8位输入寄存器、位输入寄存器、8位位DAC寄存器和寄存器和8位位D/A转换器三大部分组成。采用的是倒转换器三大部分组成。采用的是倒T型型R-2R电阻网络，无电阻网络，无运算放大器，是电流输出，使用时需外接运算放大器。芯运算放大器，是电流输出，使用时需外
14、接运算放大器。芯片中已经设置了片中已经设置了RFB，只要将管脚，只要将管脚9接到运算放大器输出端接到运算放大器输出端即可。但若运算放大器增益不够，还需外接反馈电阻。各即可。但若运算放大器增益不够，还需外接反馈电阻。各引脚的名称和功能如下：引脚的名称和功能如下：第21页，本讲稿共47页 ：片选信号，输入低电平有效。：片选信号，输入低电平有效。ILE：输入锁存选通信号，输入高电平有效。：输入锁存选通信号，输入高电平有效。：输入数据选通信号，输入低电平有效。：输入数据选通信号，输入低电平有效。：数据传送选通信号，输入低电平有效。：数据传送选通信号，输入低电平有效。：数据传送控制信号，输入低电平有效。
15、：数据传送控制信号，输入低电平有效。D0D7：8位输入数据信号。位输入数据信号。I01、I02：DAC输出电流端。此输出信号作为运算放大器输出电流端。此输出信号作为运算放大器的一个差分输入信号的一个差分输入信号(通常接反、同相端通常接反、同相端)。VCC：数字部分的电源输入端。：数字部分的电源输入端。VCC可在可在+5V到到+15V范围内范围内选取。选取。DGND：数字信号地。：数字信号地。AGND：模拟信号地。：模拟信号地。第22页，本讲稿共47页图图7.10 DAC0832引脚排列图引脚排列图第23页，本讲稿共47页 照图接线。这是不采用缓冲锁存器的直接交换法。照图接线。这是不采用缓冲锁存
16、器的直接交换法。先将输入端置先将输入端置0，并调节运算放大器的调零电位器，使，并调节运算放大器的调零电位器，使输出电压输出电压uO为为0，即完成调零。然后，从输入端最低位起，即完成调零。然后，从输入端最低位起，逐位置逐位置1，测量输出模拟电压，测量输出模拟电压uO，记录并填写表中。，记录并填写表中。第24页，本讲稿共47页DAC0832性能测试接线图性能测试接线图D/A转换结果对照表转换结果对照表第25页，本讲稿共47页 2.AD7524 AD7524是是CMOS低功耗低功耗(20mW)通用型通用型8位并行位并行DAC，图，图(a)、(b)分别是它的结构框图和引脚排列图，表是其引脚说明。分别是
17、它的结构框图和引脚排列图，表是其引脚说明。第26页，本讲稿共47页AD7524引脚说明引脚说明(功能表功能表)第27页，本讲稿共47页 如图如图7.13所示为所示为AD7524实用电路。实用电路。其中，其中，CF353为双运算放大器，引脚排列图如图为双运算放大器，引脚排列图如图7.14所示。所示。电源电压电源电压18V 将逻辑开关将逻辑开关S7S0接至接至AD7524的数据输入端的数据输入端d7d0，开，开关关S8、S9分别接至分别接至AD7524的片选端与写信号输入端。的片选端与写信号输入端。检查电路连接无误后，接通电源。按表检查电路连接无误后，接通电源。按表7.4输入数字输入数字量量d7d
18、0，用数字电压表测量输出电压，用数字电压表测量输出电压uO，并与理论值比较。，并与理论值比较。第28页，本讲稿共47页图图7.13 AD7524实用电路实用电路图图7.14 CF353引脚图引脚图第29页，本讲稿共47页表表7.4：第30页，本讲稿共47页 试用试用AD7524构成构成CPU多路多路D/A输出接口电路。进行输出接口电路。进行D/A转换时，首先由转换时，首先由CPU输出地址码，经输出地址码，经8205译码，选中译码，选中一片一片AD7524，此时，此时CPU输出输出 =0，由，由CPU同时输出的同时输出的8路数据路数据AD0AD7，经数据总线，经数据总线DB送入所选中的送入所选中
19、的AD7524，完成完成D/A转换。如图转换。如图7.15所示。所示。第31页，本讲稿共47页图图7.15 AD7524构成多路输出构成多路输出第32页，本讲稿共47页 1.增益可编程放大器增益可编程放大器 在图中，输入模拟电压在图中，输入模拟电压接到接到AD7524的基准电压端，的基准电压端，则构成电压放大电路，它的则构成电压放大电路，它的电压放大倍数电压放大倍数Au=uO/ui，由数码输入端由数码输入端d7d0的值决的值决定，故构成增益可编程定，故构成增益可编程放大器。放大器。二、二、AD7524的应用的应用第33页，本讲稿共47页 2.波形发生器波形发生器 如图所示，如图所示，74LS1
20、61中的中的Q3、Q2、Q1、Q0分别与分别与AD7524的数码的数码输入端输入端d7、d6、d5、d4连接。故输出模拟电压的值也发生周期性的变化，连接。故输出模拟电压的值也发生周期性的变化，构成波形发生器。构成波形发生器。第34页，本讲稿共47页 测试测试ADC的方法之一如图的方法之一如图7.18所示。测试中使用了所示。测试中使用了DAC，用于将，用于将ADC输输出转换回模拟形式，并和模拟输入进行比较。出转换回模拟形式，并和模拟输入进行比较。测试采用的输入信号通常是斜坡信号。将该信号加到测试采用的输入信号通常是斜坡信号。将该信号加到ADC的输入端，的输入端，再将所得的二进制输出序列输入到再将
21、所得的二进制输出序列输入到DAC测试单元，转换为阶梯状斜坡信号。测试单元，转换为阶梯状斜坡信号。然后将输入和输出进行比较，检查是否有明显偏差。然后将输入和输出进行比较，检查是否有明显偏差。7.6.1 A/D7.6.1 A/D转换器功能测试转换器功能测试第35页，本讲稿共47页 ADC0809是常见的集成是常见的集成ADC。它是采用。它是采用CMOS工工艺制成的艺制成的8位八通道单片位八通道单片A/D转换器，属于逐次逼近型转换器，属于逐次逼近型ADC，适用于分辨率较高而转换速度适中的场合。，适用于分辨率较高而转换速度适中的场合。一、一、ADC0809第36页，本讲稿共47页图图7.19 ADC0
22、808/0809引脚排列与结构框图引脚排列与结构框图第37页，本讲稿共47页 各引脚的名称及功能如下：各引脚的名称及功能如下：IN0IN7：8路单端模拟输入电压的输入端。路单端模拟输入电压的输入端。UREF+、UREF-：基准电压的正、负极输入端。由此输入基准：基准电压的正、负极输入端。由此输入基准电压，其中心点应在附近，偏差不应超过电压，其中心点应在附近，偏差不应超过0.1V。START：启动脉冲信号输入端。当需启动：启动脉冲信号输入端。当需启动A/D转换过程时，转换过程时，在此端加一个正脉冲，脉冲的上升沿将所有的内部寄存器清在此端加一个正脉冲，脉冲的上升沿将所有的内部寄存器清零，下降沿时开
23、始零，下降沿时开始A/D转换过程。转换过程。A、B、C：模拟输入通道的地址选择线。：模拟输入通道的地址选择线。ALE：地址锁存允许信号，高电平有效。当：地址锁存允许信号，高电平有效。当ALE=1时，将地时，将地址信号有效锁存，并经译码器选中其中一个通道。址信号有效锁存，并经译码器选中其中一个通道。第38页，本讲稿共47页CP：时钟脉冲输入端：时钟脉冲输入端(或或CLK：时钟输入：时钟输入)。D7D0：转换器的数码输出线，：转换器的数码输出线，D7为高位，为高位，D0为低位。为低位。OE：输出允许信号，高电平有效。在：输出允许信号，高电平有效。在START信号上升沿之后信号上升沿之后18个时钟周
24、期内，个时钟周期内，EOC信号输出变为低电平，标志转换器信号输出变为低电平，标志转换器正在进行转换，当转换结束，所得数据可以读出时，正在进行转换，当转换结束，所得数据可以读出时，EOC变为高电平，作为通知接受数据的设备取用该数据的信变为高电平，作为通知接受数据的设备取用该数据的信号。号。EOC：转换周期结束标志输出。：转换周期结束标志输出。第39页，本讲稿共47页 按图接线，在按图接线，在ADC0809的的D7D0、EOC分别接发光二极管，分别接发光二极管，A、B、C接逻辑开关，接逻辑开关，IN0接不同的电压，接不同的电压，CP接频率大于接频率大于1kHz的时钟脉冲，的时钟脉冲，START、A
25、LE接单次脉冲。接单次脉冲。先将先将A、B、C设定为设定为000，然后按一次，然后按一次START、ALE单次脉冲，单次脉冲，IN0输入端的数据被送入，转换开始。读输出并记录结果。输入端的数据被送入，转换开始。读输出并记录结果。同理，同理，A、B、C依次设定为依次设定为001111，记录结果。，记录结果。二、静态测试二、静态测试第40页，本讲稿共47页 把频率为把频率为1kHz、幅度为、幅度为5V的方波信号直接接到输入端，观察的方波信号直接接到输入端，观察输出的变化。输出的变化。把频率为把频率为1kHz、幅值为、幅值为5V的方波信号直接输入的方波信号直接输入IN0，A、B、C设置为设置为000
26、，然后按一次，然后按一次START、ALE单次脉冲，单次脉冲，IN0输入端的数输入端的数据被送入，转换开始。观察发光二极管的输出变化。据被送入，转换开始。观察发光二极管的输出变化。问题与讨论：问题与讨论：1.比较理论值与实际值之间的误差，并分析原因。比较理论值与实际值之间的误差，并分析原因。2.若模拟电压输入大于若模拟电压输入大于5V，电路应如何连接？，电路应如何连接？三、动态测试三、动态测试第41页，本讲稿共47页 参考电路如图所示。参考电路如图所示。检查电路连接无误后，检查电路连接无误后，接通电源。按表接通电源。按表7.5所示所示输入电压输入电压uIN0，将对应，将对应D7D0状态填入表中
27、，状态填入表中，并与理论计算值比较。并与理论计算值比较。一、一、ADCADC测试测试第42页，本讲稿共47页表表7.5第43页，本讲稿共47页 测试电路的输入模拟电压由电源电压通过分压得到，如测试电路的输入模拟电压由电源电压通过分压得到，如图图7.22所示。所示。调整调整RW2可设置可设置ADC的满量程输入电压。为了设置模拟的满量程输入电压。为了设置模拟输入电压输入电压UIN，则须调整，则须调整RW1，电压变化范围为，电压变化范围为0 12V。如。如果在果在START输入端加上正脉冲，则输入端加上正脉冲，则ADC开始转换，转换结开始转换，转换结束时束时EOC端输出端输出“1”。输出使能端。输出
28、使能端OE接高电平时，接高电平时，ADC有数字信号输出图中有数字信号输出图中OE接接12V电源，使电源，使ADC能够连续输出。能够连续输出。二、二、8位位ADC测试电路测试电路第44页，本讲稿共47页图图7.22 8位位ADC测试电路测试电路 修改电路修改电路(使使OE接低电平接低电平)，观察输出使能端，观察输出使能端OE的逻辑功能。的逻辑功能。分别调整分别调整RW1、RW2，改变输入电压、满量程参考，改变输入电压、满量程参考电压值的大小，观察输出数字变化。电压值的大小，观察输出数字变化。第45页，本讲稿共47页 建立如图建立如图7.23所示电路。观察数码管及示波器的变化，并所示电路。观察数码
29、管及示波器的变化，并注意蜂鸣器发声。记录示波器上注意蜂鸣器发声。记录示波器上A、B通道的波形，描绘在坐通道的波形，描绘在坐标系中。标系中。图图7.23是一个综合应用是一个综合应用A/D和和D/A转换的实例，这个电路先转换的实例，这个电路先用一个用一个A/D转换器将模拟输入电压转换为数字信号，然后用一转换器将模拟输入电压转换为数字信号，然后用一个个D/A转换器再将数字信号转换为模拟信号输出。由模拟转换转换器再将数字信号转换为模拟信号输出。由模拟转换为数字的输出信号用两个带译码器的十六进制数码管表示；由为数字的输出信号用两个带译码器的十六进制数码管表示；由数字转换为模拟的输出信号用示波器显示。每次转换结束时，数字转换为模拟的输出信号用示波器显示。每次转换结束时，蜂鸣器都会发出响声。蜂鸣器都会发出响声。第46页，本讲稿共47页图图7.23 A/D和和D/A综合应用电路综合应用电路第47页，本讲稿共47页