1、第十一章 信號產生與轉換電路 信號產生電路也稱波形發生電路，是無線通信、自動測量以及自動控制系統中不可缺少的一種電路 模擬信號產生電路正弦波振蕩電路非正弦波發生電路RC振蕩電路LC振蕩電路石英晶體振蕩電路矩形波發生電路三角波發生電路鋸齒波發生電路壓控振蕩電路信號產生包括模擬信號產生電路和脈沖信號產生電路 模擬信號波形發生電路分為正弦波振蕩電路和非正弦波發生電路兩大類。脈沖信號波形發生電路分為單脈沖和周期脈沖產生電路 1D/A、A/D轉換器的概念轉換器的概念 能將模擬量轉換為數字量的電路稱為能將模擬量轉換為數字量的電路稱為模數轉換器模數轉換器，簡稱簡稱A/D轉換器轉換器或或ADC； 能將數字量轉

2、換為模擬量的電路稱為能將數字量轉換為模擬量的電路稱為數模轉換器數模轉換器，簡稱簡稱D/A轉換器轉換器或或DAC。 2D/A、A/D轉換器的實際舉例轉換器的實際舉例鍋爐加鍋爐加熱信號熱信號采集和采集和控制系控制系統統 11.3 數字信號與模擬信號的相互轉換數字信號與模擬信號的相互轉換R2R倒倒T形電阻網絡形電阻網絡D/A轉換器如圖所示。轉換器如圖所示。 分別從虛線分別從虛線A、B、C、D處向右看的二端網絡等效電處向右看的二端網絡等效電阻阻都是都是R。 不論模擬開關接到運算放大器的反相輸入端（不論模擬開關接到運算放大器的反相輸入端（虛地虛地）還是接到還是接到地地，也就是不論輸入數字信號是，也就是不

3、論輸入數字信號是1還是還是0，各支路各支路的電流不變的電流不變。 11.3.1 數模轉換器數模轉換器1數模轉換器的組成和工作原理數模轉換器的組成和工作原理RUIREFREFRUIIIRUIIIRUIIIRUIIREFREFREFREFREFREFREFREF1616121 8812144121 2211021323)2222(2001122334oDDDDRRUiRiRuFREFFFF該公式可推廣到該公式可推廣到n位！位！基準電源基準電源UREF提供的總電流提供的總電流IREF =？)161814121(0123DDDDUREF設RF=R例例 4位位R2R倒倒T形電阻網絡形電阻網絡DAC如上圖

4、所示，設基準電壓如上圖所示，設基準電壓UREF=5V，RF= R，試求輸入二進制數，試求輸入二進制數D3D2D1D0=0110時輸出時輸出電壓值。電壓值。VVVDDDDUuREF875. 11665)02121202(25)2222(201234001122334o解：解：將將D3D2D1D0=0110代入公式代入公式練習練習 已知八位轉換電路中，當輸入數字量為已知八位轉換電路中，當輸入數字量為10000000時，時，輸出電壓為輸出電壓為6.4V，則當輸入為則當輸入為01010000時，其輸出電壓為（時，其輸出電壓為（）。）。4VNVNRRVIRV8REFF8REFFOUT22NRVI8REF

5、2如如VREF=5V，N=255，則，則VO=4.980VN=128，則，則VO=2.500VN=64，則，則VO=1.250VN=10，則，則VO=0.195VN=1， 則則VO=0.0195V八位八位R2R倒倒T形電阻網絡形電阻網絡DAC2.D/A轉換器的主要技術參數1分辨率分辨率分辨率用輸入二進制數的分辨率用輸入二進制數的有效位數有效位數表示。在分辨率為表示。在分辨率為n位位的的D/A轉換器中，輸出電壓能區分轉換器中，輸出電壓能區分2n個不同的輸入二進制代碼狀個不同的輸入二進制代碼狀態，能給出態，能給出2n個不同等級的輸出模擬電壓。個不同等級的輸出模擬電壓。 D3D2D1D0 uo(V)

6、 D3D2D1D0 uo(V)0 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 10.00.51.01.52.02.53.03.51 0 0 01 0 0 11 0 1 01 0 1 11 1 0 01 1 0 11 1 1 01 1 1 14.04.55.05.56.06.57.07.5也可以用轉換器也可以用轉換器的最小輸出電壓的最小輸出電壓ULSB（輸入數字（輸入數字量只有最低位為量只有最低位為1時對應的輸出時對應的輸出電壓）與最大輸電壓）與最大輸出電壓出電壓UMSB（輸（輸入數字全為入數字全為1時時對應的輸出電壓）對應的輸出電壓

7、）的的比值表示比值表示 3轉換時間轉換時間（輸出建立時間）（輸出建立時間） 從輸入數字信號起，到輸出電壓或電流從輸入數字信號起，到輸出電壓或電流達到穩定值達到穩定值時所時所需要的時間，稱為轉換時間（或輸出建立時間）。需要的時間，稱為轉換時間（或輸出建立時間）。2 2轉換精度轉換精度 指輸出模擬電壓的實際值與理想值之差，即最大靜態指輸出模擬電壓的實際值與理想值之差，即最大靜態轉換誤差。轉換誤差。一般情況下，精度不大于最小數字量的一般情況下，精度不大于最小數字量的1/2，即，即ULSB/2 單片集成單片集成D/A轉換器建立時間可達轉換器建立時間可達0.1us。 線性線性DAC0832采用采用CMO

8、S工藝制成的單片電流輸出型工藝制成的單片電流輸出型8位數位數/模轉換器模轉換器 圖圖12.1.3 DAC0832的內部組成框圖的內部組成框圖DAC0832典型應用電路圖：典型應用電路圖： 電流轉換為電流轉換為電壓電壓)(1OUTFBoIRU如UREF=5V，D=11000000時 V75364128256522256567O.)()(U A/D轉換是將模擬信號轉換為數字信號轉換是將模擬信號轉換為數字信號 (1)采樣保持采樣保持 采樣采樣是將時間上連續變化的信號轉換為時間上離散的信號。是將時間上連續變化的信號轉換為時間上離散的信號。 采樣頻率采樣頻率fS必須必須大于等于大于等于輸入模擬信號包含的

9、最高頻率輸入模擬信號包含的最高頻率fmax的兩倍的兩倍。 采樣后的值必須保持不變，直到下一次采樣為止。因為采樣后的值必須保持不變，直到下一次采樣為止。因為A/D轉換必須花時間處理采樣值。轉換必須花時間處理采樣值。 11.3.2 模數轉換器模數轉換器采樣采樣 和和保持保持操作操作1. 轉換過程轉換過程: 通過通過采樣采樣、保持保持、量化量化和和編碼編碼四個步驟完成。四個步驟完成。 (2) 量化編碼量化編碼 一般把上述采樣保持后的值以某個一般把上述采樣保持后的值以某個“最小數量單位最小數量單位”的整數倍來表示，這一過程稱為的整數倍來表示，這一過程稱為量化量化。規定的最小數量單。規定的最小數量單位稱

10、為位稱為量化單位量化單位或或量化間隔量化間隔，用，用“” 表示表示。 量化的方法一般有兩種：量化的方法一般有兩種：四舍五入法四舍五入法和和舍去小數法舍去小數法。 （1）四舍五入法四舍五入法：把：把/2的電壓作為的電壓作為“0”處理，把處理，把/2而而3/2的電壓作為的電壓作為“1”處理；處理； （2）舍去小數法舍去小數法：把：把的電壓作為的電壓作為“0”處理，把處理，把而而2的電壓作為的電壓作為“1”處處理。 顯然，采用不同量化方式，顯然，采用不同量化方式，其量化后的結果存在差異其量化后的結果存在差異；而且；而且上述量化結果與采樣值之間上述量化結果與采樣值之間存在誤差存在誤差，這種誤差稱為，這

11、種誤差稱為量化誤差量化誤差。把上述量化結果用代碼表示，稱為把上述量化結果用代碼表示，稱為編碼。編碼。例如：設例如：設1V，采樣值分別為：，采樣值分別為：2V、4.4V、4.5V和和5.7V。（1）四舍五入法：量化結果為：）四舍五入法：量化結果為：2V2，4.4V4，4.5V5，5.7V 6；（2）舍去小數法：量化結果為：）舍去小數法：量化結果為：2V2，4.4V4，4.5V4，5.7V 5。 用用3位代碼可表示位代碼可表示07；用；用4位代碼可表示位代碼可表示015；用；用8位位代碼可表示代碼可表示0127；用；用n位代碼可表示位代碼可表示0（2n 1）。顯。顯然，然，編碼位數越多，量化誤差就

12、越小，精度越高編碼位數越多，量化誤差就越小，精度越高 2.A/D2.A/D轉換器的種類和工作特點轉換器的種類和工作特點(1) A/D轉換器的種類轉換器的種類 A/D轉換器可分為轉換器可分為直接直接A/D轉換器和轉換器和間接間接A/D轉換器。轉換器。 直接直接A/D轉換器是將輸入模擬電壓直接轉換成數字量轉換器是將輸入模擬電壓直接轉換成數字量;間接間接A/D轉換器是先將輸入模擬電壓轉換器是先將輸入模擬電壓轉換成中間量轉換成中間量，如時間或，如時間或頻率，然后將這些中間量轉換成數字量。頻率，然后將這些中間量轉換成數字量。常用的直接常用的直接A/D轉換器：并聯比較型轉換器：并聯比較型A/D轉換器和逐次

13、比較型轉換器和逐次比較型A/D轉換器。轉換器。常用的間接常用的間接A/D轉換器：中間量為時間的雙積分型轉換器：中間量為時間的雙積分型A/D轉換器，轉換器，中間量為頻率的電壓頻率轉換型中間量為頻率的電壓頻率轉換型A/D轉換器。轉換器。 (2) 常用常用A/D轉換器的工作特點轉換器的工作特點轉換速度最高的是：并聯比較型轉換速度最高的是：并聯比較型ADC；轉換速度最低的是：雙積分型轉換速度最低的是：雙積分型ADC；轉換精度最高的是：雙積分型轉換精度最高的是：雙積分型ADC；轉換精度最低的是：并聯比較型轉換精度最低的是：并聯比較型ADC；轉換速度和轉換精度均較高的是：逐次比較型轉換速度和轉換精度均較高

14、的是：逐次比較型ADC 3 A/D3 A/D轉換器的主要技術參數轉換器的主要技術參數(1) 分辨率分辨率 用輸出二進制數的位數用輸出二進制數的位數n表示，位數越多，對輸入模擬信表示，位數越多，對輸入模擬信號的分辨能力越強。號的分辨能力越強。例如：輸入模擬電壓的變化范圍為例如：輸入模擬電壓的變化范圍為05V。輸出輸出8位二進制數可以分辨的最小輸入模擬電壓為位二進制數可以分辨的最小輸入模擬電壓為5V2-820mV；而輸出而輸出12位二進制數可以分辨的最小輸入模擬電壓為位二進制數可以分辨的最小輸入模擬電壓為5V2-121.22mV。 (2) 轉換誤差轉換誤差 它表示它表示A/D轉換器實際輸出的數字量

15、和理論上的輸出數字轉換器實際輸出的數字量和理論上的輸出數字量之間的差別。常用最低有效位（量之間的差別。常用最低有效位（LSB）的倍數表示。）的倍數表示。(3) 轉換時間轉換時間 轉換時間指完成一次轉換所需的時間。轉換時間是指從接轉換時間指完成一次轉換所需的時間。轉換時間是指從接到轉換控制信號開始，到輸出端得到穩定的數字輸出信號到轉換控制信號開始，到輸出端得到穩定的數字輸出信號所經過的這段時間。所經過的這段時間。轉換時間主要取決于轉換器的類型，不同轉換器的轉換速轉換時間主要取決于轉換器的類型，不同轉換器的轉換速度相差很多度相差很多 。并聯型。并聯型A/D轉換器的轉換速度可達轉換器的轉換速度可達5

16、0ns以內以內 ，逐次比較式在逐次比較式在10-100s以內，以內，雙積分雙積分A/D轉換器等在數十轉換器等在數十毫秒至數百毫秒之間。毫秒至數百毫秒之間。 4 4 集成集成A/DA/D轉換器及應用舉例轉換器及應用舉例ADC0809是采用是采用CMOS工藝制成的單片工藝制成的單片8位位8通道逐次比較通道逐次比較型型A/D轉換器轉換器 ININ0 0ININ7 7：8 8路模擬信號輸入端。路模擬信號輸入端。A A2 2、A A1 1、A A0 0：8 8路模擬信號的地址碼路模擬信號的地址碼輸入端。輸入端。ALEALE：地址鎖存允許輸入信號，在此：地址鎖存允許輸入信號，在此腳施加正脈沖，上升沿有效。腳施加正脈沖，上升沿有效。STARTSTART：啟動信號輸入端，應在此腳：啟動信號輸入端，應在此腳施加正脈沖施加正脈沖. .EOC：當轉換結束后，：當轉換結束后，EOC變為高電平。變為高電平。OE：輸出允許信號，高電平有效。：輸出允許信號，高電平有效。CLK：時鐘信號輸入端，外接時鐘：時鐘信號輸入端，外接時鐘頻率一般為頻率一般為640kHz。Ucc： +5V單電源供電。單電源供電。UREF（+）、）、UREF（-）：基準電壓：基準電壓的正端和負端。一般的正端和負端。