數(shù)字電路教案

#理論課授課教案課程名稱脈沖與數(shù)字

電路第六單元：數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換課題：D/A轉(zhuǎn)換和A/D轉(zhuǎn)換審批簽字授課時(shí)間計(jì)劃課時(shí)2012授課班級(jí)2實(shí)用課時(shí)2011級(jí)中級(jí)電工班教學(xué)目的與要求1、了解D/A轉(zhuǎn)換和A/D轉(zhuǎn)換基本原理、特點(diǎn)理論課授課教案課程名稱脈沖與數(shù)字

電路第六單元：數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換課題：D/A轉(zhuǎn)換和A/D轉(zhuǎn)換審批簽字授課時(shí)間計(jì)劃課時(shí)2012授課班級(jí)2實(shí)用課時(shí)2011級(jí)中級(jí)電工班教學(xué)目的與要求1、了解D/A轉(zhuǎn)換和A/D轉(zhuǎn)換基本原理、特點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)電路組成、原理、特性授課類型理論課口多媒體課件口教學(xué)

方法講授法口教具參考資料掛圖口模型口實(shí)物口電教設(shè)備口多媒體設(shè)備口復(fù)習(xí)提問脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與變換、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器、555定時(shí)器的特性及應(yīng)用。5mibn時(shí)間分配課題：D/A轉(zhuǎn)換和A/D轉(zhuǎn)換75min模擬量：溫度、濕度、壓力、流量、速度等。從模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換稱為模/數(shù)轉(zhuǎn)換(簡(jiǎn)稱A/D轉(zhuǎn)換)，實(shí)現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換的電路叫做A/D轉(zhuǎn)換器(簡(jiǎn)稱ADC)；從數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換稱為數(shù)/模轉(zhuǎn)換(簡(jiǎn)稱D/A轉(zhuǎn)換)，實(shí)現(xiàn)數(shù)/模轉(zhuǎn)換的電路稱為D/A轉(zhuǎn)換器(簡(jiǎn)稱DAC)。一、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器典型數(shù)字控制系統(tǒng)框圖1、D/A轉(zhuǎn)換1)D/A轉(zhuǎn)換基本原理數(shù)/模轉(zhuǎn)換就是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成與它成正比的模擬量。數(shù)字量：(D3D2D1D0)2=(D3X23+D2X22+D1X21+D0X20)10(1101)2=(1X23+1X22+0X21+1X20)10uo=K(D3X23+D2X22+DlX21+D0X20)10uo=K(1X23+1X22+0X21+1X20)10(K為比例系數(shù))組成D/A轉(zhuǎn)換器的基本指導(dǎo)思想：將數(shù)字量按權(quán)展開相加，即得到與數(shù)字量成正比的模擬量。狀碼帯兀電用輸山狀碼帯兀電用輸山圖7-1n位D/A轉(zhuǎn)換器方框圖D/A轉(zhuǎn)換器的種類很多，主要有：權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC、T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC、權(quán)電流DACR—2R倒T形電阻解碼網(wǎng)絡(luò)雙向模擬開關(guān)求和集成運(yùn)算放大器D=1時(shí)接運(yùn)放D=0時(shí)接地2.工作原理由于集成運(yùn)算放大器的電流求和點(diǎn)工為虛地，所以每個(gè)2R電阻的上端都相當(dāng)于接地，從網(wǎng)絡(luò)的A、B、C點(diǎn)分別向右看的對(duì)地電阻都是2R。因此流過四個(gè)2R電阻的電流分別為1/2、1/4、1/8、1/16。電流是流入地，還是流入運(yùn)算放大器，由輸入的數(shù)字量Di通過控制電子開關(guān)Si來決定。故流入運(yùn)算放大器的總電流為：—UrefRi一云一十十…十D0十Do2u)由此可見，輸出模擬電壓uO與輸入數(shù)字量D成正比，實(shí)現(xiàn)了數(shù)模轉(zhuǎn)換。電路特點(diǎn)：(1)解碼網(wǎng)絡(luò)僅有R和2R兩種規(guī)格的電阻，這對(duì)于集成工藝是相當(dāng)有利的；教學(xué)過程和內(nèi)容時(shí)間分配(2)這種倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)各支路的電流是直接加到運(yùn)算放大器的輸入端，它們之間不存在傳輸上的時(shí)間差，故該電路具有較咼的工作速度。因此，這種形式的DAC目前被廣泛的采用。2)DAC的主要技術(shù)參數(shù)分辨率：是指輸出電壓的最小變化量與滿量程輸出電壓之比。輸出電壓的最小變化量就是對(duì)應(yīng)于輸入數(shù)字量最低位為1,其余各位均為0時(shí)的輸出電壓。滿量程輸出電壓就是對(duì)應(yīng)于輸入數(shù)字量全部為1時(shí)的輸出電壓。對(duì)于n位D/A轉(zhuǎn)換器，分辨率可表示為：分辨率=—!—2n€1位數(shù)越多，能夠分辨的最小輸出電壓變化量就越小，分辨率就越高。也可用位數(shù)n來表示分辨率。轉(zhuǎn)換速度：D/A轉(zhuǎn)換器從輸入數(shù)字量到轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的模擬輸出電壓所需要的時(shí)間稱為轉(zhuǎn)換速度。不同的DAC其轉(zhuǎn)換速度也是不相同的，一般約在幾微秒到幾十微秒的范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)換精度：是指電路實(shí)際輸出的模擬電壓值和理論輸出的模擬電壓值之差。通常用最大誤差與滿量程輸出電壓之比的百分?jǐn)?shù)表示。通常要求D/A轉(zhuǎn)換器的誤差小于ULSB/2。例如，某D/A轉(zhuǎn)換器滿量程輸出電壓為10V,如果誤差為1%,就意味著輸出電壓的最大誤差為±0.1V。百分?jǐn)?shù)越小，精度越高。轉(zhuǎn)換精度是一個(gè)綜合指標(biāo)，包括零點(diǎn)誤差、增益誤差等，它不僅與D/A轉(zhuǎn)換器中元件參數(shù)的精度有關(guān)，而且還與環(huán)境溫度、集成運(yùn)放的溫度漂移以及D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有關(guān)。二、A/D轉(zhuǎn)換器1、A/D轉(zhuǎn)換基本原理A/D轉(zhuǎn)換目標(biāo)：將時(shí)間連續(xù)、幅值也連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)間離散、幅值也離散的數(shù)字信號(hào)。四個(gè)步驟：采樣、保持、量化、編碼。1.采樣與保持(1)將一個(gè)時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成時(shí)間上離散的模擬量稱為采樣。取樣定理：設(shè)取樣脈沖s(t)的頻率為fS,輸入模擬信號(hào)x(t)的最高頻率分量的頻率為fmax,必須滿足fs三2fmaxy(t)才可以正確的反映輸入信號(hào)(從而能不失真地恢復(fù)原模擬信號(hào)圖7-7采樣過程示意圖通常取fs=(2.5通常取fs=(2.5?3)fmax。(2)由于A/D轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，在每次采樣以后，需要把采樣電壓保持一段時(shí)間。米樣一保持電路及輸出波形s(t)有效期間，開關(guān)管VT導(dǎo)通，ul向C充電，uO(=uc)跟隨ul的變化而變化；s(t)無效期間，開關(guān)管VT截止，uO(=uc)保持不變，直到下次采樣。(由于集成運(yùn)放A具有很高的輸入阻抗，在保持階段，電容C上所存電荷不易泄放。)2.量化和編碼數(shù)字量最小單位所對(duì)應(yīng)的最小量值叫做量化單位△。將采樣一保持電路的輸出電壓歸化為量化單位△的整數(shù)倍的過程叫做量化。用二進(jìn)制代碼來表示各個(gè)量化電平的過程，叫做編碼。一個(gè)n位二進(jìn)制數(shù)只能表示2n個(gè)量化電平，量化過程中不可避免會(huì)產(chǎn)生誤差，這種誤差稱為量化誤差。量化級(jí)分得越多(n越大)，量化誤差越小。優(yōu)點(diǎn)1：抗干擾能力強(qiáng)。積分采樣對(duì)交流噪聲有很強(qiáng)的抑制能力；如果選擇采樣時(shí)間T1為20ms的整數(shù)倍時(shí)，則可有效地抑制工頻干擾。優(yōu)點(diǎn)2：具有良好的穩(wěn)定性，可實(shí)現(xiàn)高精度。由于在轉(zhuǎn)換過程中通過兩次積分把UI和UREF之比變成了兩次計(jì)數(shù)值之比，故轉(zhuǎn)換結(jié)果和精度與R、C無關(guān)。缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度較慢。完成一次A/D轉(zhuǎn)換至少需要(T1+T2)時(shí)間，每秒鐘一般只能轉(zhuǎn)換幾次到十幾次。因此它多用于精度要求高、抗干擾能力強(qiáng)而轉(zhuǎn)換速度要求不高的場(chǎng)合。教學(xué)過程和內(nèi)容時(shí)間分配在工業(yè)測(cè)控及儀器儀表應(yīng)用中，經(jīng)常需要由計(jì)算機(jī)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行分析、判斷、以及加工和處理，從而達(dá)到對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、控制等目的。本早小結(jié)D/A轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器作為模擬量和數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換電路，在信號(hào)檢測(cè)、控制、信息處理等方面發(fā)揮著越來越重要的作用。D/A轉(zhuǎn)換的基本思想是權(quán)電流相加。電路通過輸入的數(shù)字量控制各位電子開關(guān)，決定是否在電流求和點(diǎn)加入該位的權(quán)電流。倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)用較廣的電路結(jié)構(gòu)。A/D轉(zhuǎn)換須經(jīng)過采樣、保持、量化、編碼四個(gè)步驟才能完成。采樣、保持由采樣一保持電路完成；量化和編碼須在轉(zhuǎn)換過程中實(shí)現(xiàn)。逐次比較型ADC是將輸入模擬信號(hào)和DAC依次產(chǎn)生的比較電壓逐次比較。雙積分型ADC則是通過兩次積分，將輸入模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成正比的時(shí)間間隔，并在該時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)