北郵社數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)包教案項(xiàng)目六

1、教學(xué)目標(biāo)知識(shí) 標(biāo)：了解 D/A 轉(zhuǎn)換器的邏輯功能；了解 A/D 轉(zhuǎn)換器的邏輯功能；了解溫度傳感器的。能力目標(biāo)：掌握仿真測(cè)試 D/A 轉(zhuǎn)換器的邏輯功能；掌握仿真測(cè)試 A/D 轉(zhuǎn)換器的邏輯功能；能使用仿真軟件進(jìn)行 D/A 轉(zhuǎn)換器、A/D 轉(zhuǎn)換器應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)。素質(zhì)目標(biāo)：具有較扎實(shí)的基本功和良好的職業(yè)素養(yǎng)，具有較強(qiáng)的獨(dú)立工作能力和創(chuàng)新精神教學(xué)重點(diǎn)數(shù)/模轉(zhuǎn)換、模/數(shù)轉(zhuǎn)換的基本應(yīng)用教學(xué)難點(diǎn)數(shù)/模轉(zhuǎn)換、模/數(shù)轉(zhuǎn)換的工作原理教學(xué)實(shí)物演示；教學(xué)板書(shū)；插件；電子課件。教學(xué)學(xué)時(shí)8教 學(xué) 內(nèi) 容 與 教 學(xué) 過(guò) 程 設(shè) 計(jì)注釋項(xiàng)目六 蔬菜大棚溫度電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試任務(wù)一 仿真測(cè)試 D/A 轉(zhuǎn)換器的邏輯功能任務(wù)目標(biāo)能將

2、模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的電路，稱為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（簡(jiǎn)稱為 A/D 轉(zhuǎn)換器或 ADC）；能將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的電路，稱為數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（簡(jiǎn)稱為 D/A 轉(zhuǎn)換器或 DAC）。A/D轉(zhuǎn)換器和 D/A 轉(zhuǎn)換器已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中不可缺少的接口電路。本任務(wù)就是通過(guò)仿真測(cè)試的方式，學(xué)習(xí) D/A 轉(zhuǎn)換器的基本邏輯功能。知識(shí)一、D/A 轉(zhuǎn)換器的基本原理數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合起來(lái)表示的，對(duì)于 碼，每位代碼都有一定的權(quán)。為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，必須將每 1 位的代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將這些模擬量相加，即 到與數(shù)字量成正比的總模擬量，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)字到模擬的轉(zhuǎn)換。這就是D/A 轉(zhuǎn)換器的基本思路

3、。二、倒 T 形電阻網(wǎng)絡(luò) D/A 轉(zhuǎn)換器圖 6-5 四位倒 T 形電阻網(wǎng)絡(luò) D/A 轉(zhuǎn)換器原理要使 D/A 轉(zhuǎn)換器具有較高的精度，對(duì)電路中的參數(shù)有以下要求?；鶞?zhǔn)電壓穩(wěn)定性好。倒 T 形電阻網(wǎng)絡(luò)中 R 和 2R 電阻的比值精度要高。每個(gè)模擬開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)電壓降要相等。三、權(quán)電流型 D/A 轉(zhuǎn)換器1.電路原理了解D/A 轉(zhuǎn)換器的邏輯功能。目當(dāng)輸入數(shù)字量的某一位代碼 Di=1 時(shí)，開(kāi)關(guān) Si 接運(yùn)算放大器的反相輸入端，相應(yīng)的權(quán)電流流入求和電路；當(dāng) Di=0 時(shí)，開(kāi)關(guān) Si 接地。采用具有電流負(fù)反饋的 BJT 恒流源電路的權(quán)電流 D/A 轉(zhuǎn)換器該電路特點(diǎn)是，基準(zhǔn)電流僅與基準(zhǔn)電壓 VREF 和電阻 R1 有

4、關(guān)，而與 BJT、R、2R 電阻無(wú)關(guān)。這樣，電路降低了對(duì) BJT 參數(shù)及 R、2R 取值的要求，對(duì)于集成化十分有利。由于在這種權(quán)電流 D/A 轉(zhuǎn)換器中采用了高速電子開(kāi)關(guān)，電路還具有較高的轉(zhuǎn)換速度。采用這種權(quán)電流型 D/A 轉(zhuǎn)換電路生產(chǎn)的單片集成 D/A 轉(zhuǎn)換器有 AD1408、DAC0806、DAC0808 等。這些器件都采極型工藝制作，工作速度較高。權(quán)電流型 D/A 轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例四、D/A 轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo) 1.轉(zhuǎn)換精度分辨率分辨率指 D/A 轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級(jí)數(shù)。輸入數(shù)字量位數(shù)越多，輸出電壓可分離的等級(jí)越多，即分辨率越高。在實(shí)際應(yīng)用中，往往用輸入數(shù)字量的位數(shù)表示 D/

5、A 轉(zhuǎn)換器的分辨率。轉(zhuǎn)換誤差轉(zhuǎn)換誤差的來(lái)源很多，轉(zhuǎn)換器中各元件參數(shù)值的誤差，基準(zhǔn)電源不夠穩(wěn)定和運(yùn)算放大器的零漂的影響等。D/A 轉(zhuǎn)換器的絕對(duì)誤差（或絕對(duì)精度）是指輸入端加入最大數(shù)字量（全 1）時(shí)，D/A 轉(zhuǎn)換器的理論值與實(shí)際值之差，該誤差值應(yīng)低于 LSB/2。2.轉(zhuǎn)換速度建立時(shí)間（tset）。建立時(shí)間指輸入數(shù)字量變化時(shí)，輸出電壓變化到相應(yīng)穩(wěn)定電壓值所需的時(shí)間。轉(zhuǎn)換速率（SR）。轉(zhuǎn)換速率指大信號(hào)工作狀態(tài)下模擬電壓的變化率。3.溫度系數(shù)溫度系數(shù)指在輸入不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化產(chǎn)生的變化量。一般用滿刻度輸出條件下溫度每升高 1 ，輸出電壓變化的百分?jǐn)?shù)作為溫度系數(shù)。任務(wù)二 仿真測(cè)試 A/

6、D 轉(zhuǎn)換器的邏輯功能任務(wù)目標(biāo)本任務(wù)就是通過(guò)仿真測(cè)試的方式，學(xué)習(xí) A/D 轉(zhuǎn)換器的基本邏輯功能。知識(shí)一、A/D 轉(zhuǎn)換器的基本原理一般的 A/D 轉(zhuǎn)換過(guò)程是通過(guò)取樣、保持、量化和編碼這四個(gè)步驟完成的。取樣定理可以證明，為了正確無(wú)誤地用圖 617 中所示的取樣信號(hào) vS 表示模擬信號(hào) vI 必須滿足fS2fimax式中，fS 為取樣頻率;fimax 為輸入信號(hào) vI 的最高頻率分量的頻率。量化和編碼在用數(shù)字量表示取樣電壓時(shí)，也必須把它化成這個(gè)最小數(shù)量的整倍數(shù)，這個(gè)轉(zhuǎn)化過(guò)稱為量化。數(shù)字信號(hào)最低有效位中的 1 表示的數(shù)量大小就等于。把量化的數(shù)值用二進(jìn)制代碼表示，稱為編碼。二、并行比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器并

7、行 A/D 轉(zhuǎn)換器具有如下特點(diǎn)。（1）由于轉(zhuǎn)換是并行的，其轉(zhuǎn)換時(shí)間只受比較器、觸發(fā)器和編碼電路延遲時(shí)間限制，因此轉(zhuǎn)換速度最快。了解A/D 轉(zhuǎn)換器的邏輯功能。隨著分辨率的提高，元件數(shù)目要按幾何級(jí)數(shù)增加。使用這種含有寄存器的并行 A/D 轉(zhuǎn)換電路時(shí)，可以不用附加取樣保持電路，因?yàn)楸容^器和寄存器這兩部分也兼有取樣保持功能。這也是該電路的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。、逐次比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器逐次比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器，就是將輸入模擬信號(hào)與不同的參考電壓做多次比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量在數(shù)值上逐次 近輸入模擬量的對(duì)應(yīng)值。逐次比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需時(shí)間與其位數(shù)和時(shí)鐘脈沖頻率有關(guān)，位數(shù)愈少，時(shí)鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換

8、所需時(shí)間越短。這種 A/D 轉(zhuǎn)換器具有轉(zhuǎn)換速度快，精度高的特點(diǎn)。常用的集成逐次比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器有 ADC0808/0809 系列（8 位）、AD575（10 位）和 AD574A（12 位）等。、雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器是一種間接 A/D 轉(zhuǎn)換器。它的基本原理是對(duì)輸入模擬電壓和參考電壓分別進(jìn)行兩次積分，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時(shí)間間隔，然后利用時(shí)鐘脈沖和計(jì)數(shù)器測(cè)出此時(shí)間間隔，進(jìn)而得到相應(yīng)的數(shù)字量輸出。積分器：積分器是轉(zhuǎn)換器的部分，它的輸入端所接開(kāi)關(guān) S1 由定時(shí)信號(hào) Qn 控制。過(guò)零比較器：過(guò)零比較器用來(lái)確定積分器輸出電壓 vO 的過(guò)零時(shí)刻。計(jì)數(shù)器和定時(shí)

9、器：它由 n+1 個(gè)接成計(jì)數(shù)型的觸發(fā)器 FF0FFn 串聯(lián)組成。時(shí)鐘脈沖控制門(mén)：時(shí)鐘脈沖源標(biāo)準(zhǔn)周期 TC，作為測(cè)量時(shí)間間隔的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。電路工作過(guò)程分為以下幾個(gè)階段進(jìn)行。(1）準(zhǔn)備階段。 (2）第一次積分階段。 (3）第二次積分階段。圖 6-23 雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器各點(diǎn)工作波形五、A/D 轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)1.轉(zhuǎn)換精度單片集成 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來(lái)描述的。分辨率分辨率說(shuō)明 A/D 轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的分辨能力。轉(zhuǎn)換誤差轉(zhuǎn)換誤差表示 A/D 轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別。常用最低有效位的倍數(shù)表示。2.轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間指 A/D 轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控

10、制信號(hào)到來(lái)開(kāi)始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所經(jīng)過(guò)能使用仿真進(jìn)行 D/A 轉(zhuǎn)換器、 A/D 轉(zhuǎn)換器應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)。四三的時(shí)間。不同類型的轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度相差甚遠(yuǎn)。其中并行比較 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度最高，8 位二進(jìn)制輸出的單片集成 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá) 50 ns 以內(nèi)。逐次比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器次之，他們多數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)間在 1050 s 之間，也有達(dá)幾百納秒的。間接 A/D 轉(zhuǎn)換器的速度最慢，如雙積分 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間大都在幾十毫秒至幾百毫秒之間。六、集成 A/D 轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用1.ADC0804 引腳及使用說(shuō)明ADC0804 是 CMOS 集成工藝制成的逐次比較型 A/D 轉(zhuǎn)換器 。分辨率為 8 位，轉(zhuǎn)換時(shí)間為 100 s，輸出電壓范圍為 05 V，增加某些外部電