第 14 章模拟信号与数字信号的相互转换

电电子子技技术术

第第 1414 章模拟信号与章模拟信号与

数字信号的相互转换数字信号的相互转换

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14.1 14.1 数模转换器数模转换器

14.2 14.2 模数转换器模数转换器

14.3 14.3 数字电路的应用举例数字电路的应用举例

2

第第 1414 章模拟信号与数字信号的相互转换章模拟信号与数字信号的相互转换

A/D A/D 与与 D/A D/A 转换概述转换概述

A/D

传感器

计算机

执行机构

控制对象

D/A数字量

模拟量

数字量

模拟量

3


14.1 14.1 数模转换器数模转换器

数字量与数字量等值的十进制数成正比的模拟量

D/A

D/A 转换器的组成：(1) 数码寄存器(2) 模拟电子开关电路(3) 解码网络(4) 求和电路(5) 基准电压

4


D4 D3 D2 D1

UREF

－

＋＋

3R

8

2R 2R 2R 2R 2R 2R

4 3 2 1

S4 S3 S2 S1

Uo

△

R R R

数模转换器

电子双向开关

1 0 0 0 0 0 0 0

5


－

＋＋

3R

8

2R 2R 2R 2R 2R 2R

4 3 2 1

S4 S3 S2 S1

Uo

△

R R R

Ui = 0

= 0

(1) D4D3D2D1 = 0000 时

6


+

－

UREF

24

+

－

+

－UREF

+

－

2R 2R 2R

R 4

(2) D4D3D2D1 = 0001 时（ S1 单独接 UREF ）

2R 2R

1 3 R 2 R

R R

UREF

2

UREF

22

R

UREF

23

R －

＋＋

3R

8

Uo1

△ 2R

UREF

24 Uo1 = －输出：

7


+

－

+

－UREF

+

－

2R 2R 2R

R 4

(3) D4D3D2D1 = 0010 时（ S2 单独接 UREF ）

2R 2R

1 3 R 2 R

R R

UREF

2

UREF

22

R

UREF

23

R －

＋＋

3R

8

Uo2

△ 2R

输出： UREF

23 Uo2 = －

8


+

－

+

－UREF

2R 2R 2R

R 4

(4) D4D3D2D1 = 0100 时（ S3 单独接 UREF ）

2R 2R

1 3 R 2 R

R R

UREF

2

R

UREF

22

R －

＋＋

3R

8

Uo3

△ 2R

输出： UREF

22 Uo3 = －

9


+

－UREF

2R 2R 2R

R 4

(5) D4D3D2D1 = 1000 时（ S4 单独接 UREF ）

2R 2R

1 3 R 2 R

R R

UREF

2

R R －

＋＋

3R

8

Uo4

△ 2R

输出： UREF

21 Uo4 = －

10


Uo = D4Uo4 ＋ D3Uo3 ＋ D2Uo2 ＋ D1Uo1

UREF

24+1Uo = － ∑2i Di

4

i =1

UREF

2Uo = － ( D4 ＋ D3 ＋ D2 ＋ D1 )

UREF

22

UREF

23

UREF

24

Di = 1 时， Si 接 UREF ； Di = 0 时， Si 接地。

若输入为 n 位，则 UREF

2n+1Uo = － ∑2i Di

n

i =1

12 ∑2i Di

n

i=1

与 n 位二进制数

等值的十进制数

11


最小输出电压→ 输入二进制数为 0…01 最大输出电压→ 输入二进制数为 1…11

Uomin

Uomax

KRR =1

2n － 1 =

分辨率 KRR

12


电子双向开关

VT1

＋ UREF 　

Di

Si

＋ UCC

－ U

BB

VT2

VT3

VT41

0 11

饱和导通

截止

13


VT1

＋ UREF 　

Di

Si

＋ UCC

－ U

BB

VT2

VT3

VT40

1 00

电子双向开关

14


解： (1) 输入二进制数为 1011 时

= － 2 － 7×10×(0×26 ＋ 0×25

＋ 1×24 ＋ 0×23 ＋ 1×22 ＋ 1×21 ) V = － 1.718 75 V

[ 例 14.1.1] 某六位 R － 2R 型数模转换器的基准电压 UREF = 10V ，求输入二进制数为 1011 和 111101 两种情况下的输出模拟电压及该数模转换器的分辨率。

= － 9.531 25 V

UREF

26+1Uo = － ∑2i Di

6

i =1

UREF

26+1Uo = － ∑2i Di

6

i =1

(2) 输入二进制数为 111101 时

(3) 分辨率 KRR = 1

2n － 1 =1

26 － 1 = － 0.0159

15


14.2 14.2 模数转换器模数转换器逐次逼近型 A/D 转换器的工作原理

在最高位设定数字量 1 D/A 模拟量

与待转换的模拟量比较

修改

在次高位设定数字量 1 D/A 模拟量修改

与待转换的模拟量比较

直至设定的数字量与待转换的模拟量之间的误差小于最低一位数字量为止。

16


设 UREF = － 10 V

ux = 6.88 V

CP1 使 Q4Q3Q2Q1 = 1000 uA = 5V 6.88V

清零

Q4 Q3 Q2 Q1

D C

RD SD RD SD RD SD RD SD

D C D C D C

顺序脉冲分配器

FF4

D/A 转换器

8

－＋

＋

ux

uA

1 1 11

FF3 FF2 FF1

D4 D3 D2 D1

CP1 CP2 CP3 CP4 CP5

0 0 0 0

1

1

17


设 UREF = － 10 V

ux = 6.88 V

CP2 使 Q4Q3Q2Q1 = 1100 uA = 7.5V ＞ 6.88V

清零

Q4 Q3 Q2 Q1

D C


D C D C D C


FF4

D/A 转换器

8

－＋

＋

ux

uA

1 1 11

FF3 FF2 FF1

D4 D3 D2 D1

CP1 CP2 CP3 CP4 CP5

0 0 0

1

1 1

0

18


设 UREF = － 10 V

ux = 6.88 V

CP3 使 Q4Q3Q2Q1 = 1010 uA = 6.25V ＜ 6.88V

清零

Q4 Q3 Q2 Q1

D C


D C D C D C


FF4

D/A 转换器

8

－＋

＋

ux

uA

1 1 11

FF3 FF2 FF1

D4 D3 D2 D1

CP1 CP2 CP3 CP4 CP5

0 01 1

0

0 1

1

19


设 UREF = － 10 V

ux = 6.88 V

CP4 使 Q4Q3Q2Q1 = 1011 uA = 6.875V ＜ 6.88V

清零

Q4 Q3 Q2 Q1

D C


D C D C D C


FF4

D/A 转换器

8

－＋

＋

ux

uA

1 1 11

FF3 FF2 FF1

D4 D3 D2 D1

CP1 CP2 CP3 CP4 CP5

01 0 1

1

1

CP5 使 Q4Q3Q2Q1 = 1011 uA = 6.875V ＜ 6.88V

20


14.3 14.3 数字电路的应用举例数字电路的应用举例一、数字钟一、数字钟1. 1. 数字钟系统的组成数字钟系统的组成

信号源

计时电路

时间标准信号

译码显示电路

分频电路

信

号

秒较时电路

报时电路

21


门

触发器触发器 SB1 SB2

1Hz

石英晶体振荡器整形电路分频器

105 HZ 105 HZ

时显示器

时译码器

时计数器（ 24 进制）

分显示器

分译码器

分计数器（ 60 进制）

秒显示器

秒译码器

秒计数器（ 60 进制）

2 kHz

500 Hz

门

正常计时时

60 个秒脉冲出一个进位脉冲

60 个分脉冲出一个进位脉冲

2. 2. 数字钟的工作原理数字钟的工作原理

22


门


1Hz


105 HZ 105 HZ

时显示器

时译码器


分显示器

分译码器


秒显示器

秒译码器


2 kHz

500 Hz

门

关闭进位脉冲“时计数器”按秒的速度快速走时

校对小时时


23


控制“门”引导哪路信号

门


1Hz


105 HZ 105 HZ

时显示器

时译码器


分显示器

分译码器


秒显示器

秒译码器


2 kHz

500 Hz

门

关闭进位脉冲“分计数器”按秒的速度快速走时

校对分钟时


24


二、数字转速表二、数字转速表

(1) 反光纸的光线使光敏二极管导通。(2) 转子每转一圈，电阻 R 上形成一个脉冲信号。(3) 整形电路将不规矩的脉冲信号变换成规矩的方波信号。 (4) 与门间隔地开通 1s ，计数器记录 1s 内的脉冲个数。(5) 译码显示实时地显示转速值。

放大器整形电路与门计数器译码器

基准时间脉冲发生器

显示器

R

＋ U 反光纸

电机

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第第 14 14 章章

结束结束

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