1、项目五 锯齿波发生器的实现项目五 锯齿波发生器的实现项目描述项目描述 项目分析项目分析任务任务 数数/模转换器模转换器(DAC 软件仿真软件仿真 D/A 转换器的计算机仿真实验转换器的计算机仿真实验项目实施项目实施 小结小结 习题习题项目五 锯齿波发生器的实现项目描项目描述述以数/模(D/A)转换器电路为核心构建一个锯齿波产生电路,锯齿波参数如图 51所示。图 51 锯齿波参数项目五 锯齿波发生器的实现项目分项目分析析数字逻辑电路除了对输入的信号进行逻辑运算外,还可以用来产生电子系统中用来仿真和测试的信号。锯齿波属于模拟信号。可由多种方法产生锯齿波信号,本设计任务是以数/模转换电路为核心构建一
2、个锯齿波产生电路。数/模转换电路的功能,是把 n 位数字信号 D 经过DAC(数/模转换器)后输出相应的模拟信号 V O,不同的数字信号 D 对应不同的模拟信号V O。项目五 锯齿波发生器的实现图 5-2 是 8 位 DAC 输入与输出关系图,由图中可知 DAC 输出的是不同电压的阶梯波,如果数字信号 D 从 00000000 到 11111111 呈周期性的线性变化,则 DAC 输出的阶梯波也呈现周期性的线性变化,对这一周期性变化的阶梯波进行滤波,滤除其高次谐波后,得到的基波即锯齿波。如果数字信号 D 从 00000000 到 11111111 周期性地按正弦规律变化,则 DAC 输出的模拟
3、电压也按正弦规律变化。项目五 锯齿波发生器的实现图 5-28 位 DAC 输入与输出关系图项目五 锯齿波发生器的实现数/模转换器电路为核心的锯齿波产生电路,除 D/A 转换器(8 位)外,还应有一个产生 8 位数字信号 D 的电路,这可由 8 位数字计数器完成,调整计数脉冲的周期,可方便地调节锯齿波的周期。为此,我们需要学习数/模转换的基本知识、常用技术和常用芯片,并运用所学知识构建锯齿波发生器。项目五 锯齿波发生器的实现例如,汽车里程表、数字万用表等都是把连续变化的模拟信号转换成数字信号的,如图 53 所示。图 53 项目五 锯齿波发生器的实现在我们的生活中,复读机、MP3 和计算机声卡等都
4、是把储存的数字信号转换成连续变化的声音信号,如图 54 所示。图 54 常用的数字信号转换成模拟信号的器件项目五 锯齿波发生器的实现通常,把数字量转换为模拟量(电流或电压)的过程称为数/模转换,实现这一转换的电路或器件称为数/模转换器(Digital-AnalogConverter,DAC);把模拟量转换为相应数字量的过程称为模/数转换,相应的电路或器件称为模/数转换器(Analog-DigitalConverter,ADC)。项目五 锯齿波发生器的实现任务任务 数数/模转换器模转换器(DAC)DAC 的原理框图如图 55(a)所示。图中 n 位数字信号 D 经过 DAC 后输出模拟信号V O
5、。其中,n 位数据 D 采用的是并行输入方式,V REF 为实现 D/A 转换所必需的参考电压。项目五 锯齿波发生器的实现图 55DAC 原理图与理想传输特性项目五 锯齿波发生器的实现V O、D 及 V REF 三者之间关系可用数学表达式表示为式中,K 是比例系数,不同的 DAC 有各自对应的 K。输入的数字信号通常用 n 位二进制代码表示,n 位数字输入有 2n 种二进制数字的组合,对应有 2 n 个模拟电流或电压值。一个 3位 DAC 的理想传输特性如图 55(b)所示。项目五 锯齿波发生器的实现必须指出,转换后的模拟信号并不是连续的,其最小值由最低代码位(LSB)的权值决定。这个最小值通
6、常称为量化单位,是信息所能分解的最小量。对于 n 位二进制代码,该值为满量程的 1/(2n-1)。因此数字代码的位数越多,对于同样的满量程输入,输出信号变化的台阶越小,输出信号越接近连续的模拟信号,所以转换精度也可以用数字代码的位数 n 来直接表示。项目五 锯齿波发生器的实现5.1.1 DAC 的主要技术参数的主要技术参数在选择、使用 D/A 转换器时,首先要考虑选择使用技术参数合适的器件。DAC 的主要技术参数分为静态参数、动态参数和极限参数三大类。常用的技术参数主要有分辨率、转换误差和转换速率等。项目五 锯齿波发生器的实现1.分辨率分辨率(Resolution)最小输出电压 V LSB(或
7、 V 0min)即量化单位,是指在输入数字量 D=D n-1 D0 中,仅当D 0=1 时,对应的模拟电压输出值。满量程输出 A FSR(电压 V FSR 或电流 IFSR)是输入全为 1 时,对应的输出模拟值。项目五 锯齿波发生器的实现例如,对于一个 8 位 DAC,当 V REF=10V 时,满量程输出电压为为了方便起见,生产厂家往往以 V REF 代替 V FSR (或 V 0max),如上例则称满量程输出电压 V FSR 为 10V。对于电流型输出 DAC,往往需要外接运算放大器以转换成输出电压,这时输出量程就是 IFSR。应该注意输出电流与 V REF 极性有关。项目五 锯齿波发生器
8、的实现分辨率是衡量 DAC 性能的重要静态参数,它表示 DAC 能够分辨最小输出电压的能力,是其理论上可以达到的精度,它定义为 DAC 最小输出电压 V LSB 和满量程输出电压V FSR(或 V 0max)的比值,即其中,n 是 DAC 的位数,位数越多分辨率越高。正因为如此,通常实际产品中也常将位数n 直接称为分辨率。项目五 锯齿波发生器的实现2.转换误差转换误差DAC 的转换误差是指它在稳定工作时,实际模拟信号输出值和理想输出值之间的偏差。造成转换误差的原因有运算放大器的零点漂移、参考电压 V REF 的波动、模拟开关的导通电阻和导通压降、电阻解码网络中阻值的偏差等等。项目五 锯齿波发生
9、器的实现3.建立时间与转换速率建立时间与转换速率建立时间常用于衡量器件的转换速度,所以也称为转换时间。建立时间定义为:DAC输入发生阶跃到输出信号达到规定的误差范围所需的最大时间,规定误差范围为 0.5 个量化单位。有时也给出转换器每秒的最大转换次数,即转换速率。例如某个高速 DAC 的转换时间为 1 s,也称为转换速率 1MHz。项目五 锯齿波发生器的实现 5.1.2 常用的常用的 D/A 转换技术转换技术D/A 转换是将输入数字信号转换成相对应的模拟信号输出。常用的 D/A 转换方式有加权电阻 D/A 转换、R 2RT 形电阻 D/A 转换、加权电流 D/A 转换等。现代的 D/A 芯片中
10、,有些是采用上述方式中的一种,更多的是混合应用。基本的 DAC 芯片内部电路分为四部分:电压基准或电流基准、精密电阻网络、电子开关和电流求和电路。D/A 转换器大多为电流输出形式,有的芯片内集成有运算放大器,可以直接输出电压信号。项目五 锯齿波发生器的实现1.二进制权电阻网络二进制权电阻网络 DAC以 4 位 D/A 转换电路为例,权电阻网络 D/A 转换器电路如图 56 所示。这是一个电流相加型权电阻网络 DAC,图中电路由四部分组成。项目五 锯齿波发生器的实现图 56 权电阻网络 DAC 原理图项目五 锯齿波发生器的实现(1)权电阻网络:由 4 个加权电阻组成,每位输入数据对应一个电阻,阻
11、值与该位的权值成反比。如 D3 对应 20 R,D 2 对应 21 R,D 1 对应 22 R,D 0 对应 23 R。它们的作用是对各位二进制数进行加权。(2)模拟开关:由 4 个模拟开关组成,每个模拟开关对应一个数据,由数据 D i 控制模拟开关 Si 所接的位置,D i=1,S i接通 V REF;D i=0,S i 接地。S i 为模拟电子开关。(3)参考电压 V REF:它是一个基准电压源,要求精度高、稳定性好。项目五 锯齿波发生器的实现(4)求和输出:由运算放大器构成的反相求和电路组成。反相求和电路对加权后的电流求和,并通过 R F 输出相应的模拟电压值。由图 56 可得,流入放大
12、器反相端的总电流为项目五 锯齿波发生器的实现式中,i=0、1、2、3,所以项目五 锯齿波发生器的实现输出电压为通常令 R F=R/2,相应的求和放大器输出电压为那么,对于 n 位二进制权电阻网络 DAC,则有上式表明,二进制权电阻网络 DAC 中的量化单位为 V REF/2n。项目五 锯齿波发生器的实现2.倒倒 T 形形 R2R 网络网络 DAC4 位倒 T 形 R 2R 电阻网络 DAC 电路如图 57 所示。与图 54 所示权电阻网络DAC 相比,权电阻网络中 n 位数字需要 n 种阻值的电阻,这对集成电路来说是很难实现的,而倒 T 形网络尽管电阻个数增加了一倍,但只需要 R 和 2R 两
13、种阻值的电阻,所以它便于集成。该电路由四部分组成:R2RT 形电阻网络、模拟开关、基准电压和输出级求和运算放大器。项目五 锯齿波发生器的实现图 57 4 位倒 T 形电阻网络 DAC 原理图项目五 锯齿波发生器的实现4 位倒 T 形 R2R 电阻网络的等效电路如图 58 所示。由此电路可以看出,R2R电阻网络的特点是:任何一位数码不论是 0 还是 1,每节电路向左看进去的输入电阻都等于 R,即网络中各节点(A、B、C、D)从右向左看进去等效电阻均为 R,所以 I=V REF/R。根据分流公式,电路中 D、C、B、A 各支路的电流依次减半,即 I3=I/2,I2=I/4,I1=I/8,I 0=I
14、/16,它们就是倒 T 形电阻网络中各支路的权电流。当 D i=1 时电流流向运算放大器,当 Di=0 时电流流向地。项目五 锯齿波发生器的实现图 584 位倒 T 形电阻网络的等效电路项目五 锯齿波发生器的实现由此可见,流入放大器反相端的总电流为项目五 锯齿波发生器的实现通常令 RF=R,对应的求和放大器输出电压为那么,对于 n 位倒 T 形 R2R 网络 DAC,也有上式表明，倒 T 形电阻网络 DAC 中的量化单位也为 V REF/2n。项目五 锯齿波发生器的实现由于倒 T 形电阻网络中各权电阻支路都是直接通过模拟开关与运算放大器的反相输入端相连的,所以不存在信号传输延迟问题;又由于模拟
15、开关在切换过程中,各权电阻支路的电流不变,减小了电流建立时间,并减小了转换过程中的尖峰脉冲,所以提高了 DAC的转换速度。项目五 锯齿波发生器的实现在分析权电阻网络 DAC 和倒 T 形电阻网络 DAC 的过程中,把模拟开关当作理想开关,忽略了它们的导通电阻和导通压降。而实际的电子开关总存在一定的导通电阻,且每个开关的导通电阻不可能完全相同。导通电阻和导通压降的存在将引起转换误差,影响转换精度。解决这个问题的方法之一就是用恒流源取代图 55 中 R2R 倒 T 形电阻网络,即倒 T 形电阻网络中各支路的权电流变为恒流源,这样就构成了权电流网络 DAC。项目五 锯齿波发生器的实现【例【例 51】
16、已知某 8 位 DAC 电路,当输入数据 D为(10000000)2 时,输出模拟电压V O=3.2V。求输入数据 D 为(10101000)2 时的输出模拟电压 V O。解解 输出模拟电压与输入数字量成正比,(10000000)2=128,(10101000)2=168,因此项目五 锯齿波发生器的实现【例【例 52】已知 D/A 转换电路,当输入数字量为 10000000 时,输出电压为 5V。试问:该电路的最小分辨电压是多少?最大输出电压是多少?解解 D/A 转换电路的输出电压为当输入数字量为 10000000 时,输出电压为 5V,即则 V REF=-10V。项目五 锯齿波发生器的实现(
17、1)求最小分辨电压。若输入数字量为 00000001,则输出电压是最小分辨电压:(2)求最大输出电压。若输入数字量为 11111111,则输出电压是最大输出电压:项目五 锯齿波发生器的实现5.1.3 典型典型 DAC 器件及其应用器件及其应用集成 DAC 芯片的生产厂家与产品型号很多,分辨率有 6、8、10、12、13、14、16、18位不等。另外,低电压、低功耗型产品可以工作于+5V、+3.3V 或+2.7V,工作电流仅有几十毫安,功耗几毫瓦,非常适合微型设备应用。芯片性能的衡量指标主要有分辨率、速度、线性度、功耗等。表 51 列出了几种常用的 DAC 模块。项目五 锯齿波发生器的实现项目五
18、 锯齿波发生器的实现1.DAC0832 的功能的功能DAC0832 采用 CMOS 工艺和 R 2RT 形电阻网络,具有与计算机接口完全兼容的逻辑电平。它的原理框图和引脚排列图如图 59 所示。DAC0832 由一个 8 位输入寄存器、一个 8 位 D/A 寄存器和一个 8 位 D/A 转换器组成。数据进入 R2RT 形 D/A 转换器之前,先通过两个独立控制的 8 位寄存器,即所谓的双缓冲。DAC0832 片内没有运算放大器,两个电流 I OUT1 和 I OUT2 输出端使用时分别与外接运算放大器的反相端、同相端连接。片内设反馈电阻 R FB,运放输出端只要接到 R FB 引脚即可。项目五
19、 锯齿波发生器的实现DAC0832 器件的引脚功能分别介绍如下:项目五 锯齿波发生器的实现(9)V REF:参考电压输入端,范围为-10+10V。(10)V CC:数字电源电压,范围为+5+15V,采用+15V 最佳。(11)AGND:模拟地。(12)DGND:数字地。项目五 锯齿波发生器的实现图 59DAC0832项目五 锯齿波发生器的实现图 59DAC0832项目五 锯齿波发生器的实现2.DAC0832 的工作方式的工作方式由于 DAC0832 中含有两个数据寄存器,因而 DAC0832 有三种工作方式可供选择:单极性双缓冲工作方式、单极性单缓冲工作方式、单极性直通方式。单极性直通工作方式
20、原理如图 510(a)所示。由于 WR1、WR 2、CS、XFER 同时接地为低电平,ILE 为高电平,所以两个寄存器都处于常通状态。由于这种工作方式中数据寄存器直通,数据 直接 进 入 D/A 转 换 器,因 而 被 称 为 直 通 方 式。图 510(b)所 示 是DAC0832 单极性直通工作方式实物电路图,运算放大器采用 LM358。项目五 锯齿波发生器的实现图 510DAC0832 单极性直通工作电路图项目五 锯齿波发生器的实现软件仿真软件仿真D/A 转换器的计算机仿真实验转换器的计算机仿真实验1.利用仿真软件分析图 57 所示 T 形电阻网络 DAC。要求:(1)利用软件平台提供的
21、仿真仪表分析电路。(2)分别读出当 D 3=1,D 2=1,D 1=1,D 0=1 时 V O 的输出电压,得出输出与输入数据的关系。项目五 锯齿波发生器的实现(3)若输入数据为(1101)B,V REF=5V,测出输出电压,并计算转换精度。(4)改变 V REF 的极性、大小,观察 V REF 对输出的影响。项目五 锯齿波发生器的实现2.利用仿真软件分析 DAC 的工作过程,DAC 的输入 D3、D 2、D 1、D 0 由字信号发生器产生,输出端连接电压表或示波器。其中,输入二进制数据为 D3 D 0,电压输出为 V O,参考电压 V REF 为 10V。要求:(1)验证 DAC 的工作过程
22、。(2)每位二进制数对应的输出电压是多大?(3)求出 DAC 的转换精度。(4)若 V REF 为幅度是 5V 的正弦信号,观察输出的变化。项目五 锯齿波发生器的实现项目实施项目实施本项目所构成的锯齿波发生器产生的锯齿波信号频率为 f 0,锯齿波的幅值为 V om,为使锯齿波的线性度更好,在构成锯齿波时,尽量选用分辨率较高的数/模转换器。为此,我们选用 DAC0832 作为构建锯齿波发生器的芯片,构成的电路如图 511 所示。项目五 锯齿波发生器的实现图 511中 两 片 74LS161 构 成 256 进 制 计 数 器,其 输 出 作 为 8 位 数/模 转 换 器DAC0832 的输入。
23、随着计数脉冲的累加,计数器输出从 0000000011111111 变化,数/模转换器 DAC0832 的输出为 256 个递增的模拟电压,从 0 逐步上升到最大值,用示波器观察到的输出波形 V O 就是图 51 中所示的锯齿波。项目五 锯齿波发生器的实现图 511 锯齿波产生器电路项目五 锯齿波发生器的实现输出锯齿波的频率 f0=fcp/256,则 fcp=12800Hz。改变计数器时钟信号频率,即可获得不同频率的锯齿波。外接运算放大器将 DAC0832 转换后的电流输出转换为电压输出,输出电压的幅值与参考电压 V REFF 成正比。当升高 V REF时,锯齿波的幅值也随之增大,V REF选
24、用 5V 即可。项目五 锯齿波发生器的实现小小 结结D/A 转换是将输入的数字量转换成与之成正比的模拟量。常用的 D/A 转换器主要有权电阻网络 D/A 转换器、权电流网络 D/A 转换器、T 形电阻网络 D/A 转换器、倒 T 形网络 D/A 转换器等。其中以倒 T 形电阻网络 D/A 转换器应用较广,由于其支路电流流向运算放大器反向端时不存在传输时间,因而具有较高的转换速度。项目五 锯齿波发生器的实现其基本转换公式为D/A 转换器的分辨率和转换精度都与转换器的位数有关,位数越多,分辨率和转换精度越高。项目五 锯齿波发生器的实现习习 题题51 4 位权电阻 DAC 中,若 V R=10V,R f=R/2,试求:(1)最大电压值;(2)D=1011B 时的输出电压值。52 已知 D/A 转换电路,当输入数字量为 1000 时,输出电压为 5V,试问:该电路的分辨率是多少?如果输入数字量为 0101,输出电压为多少?项目五 锯齿波发生器的实现53 已知某 4 位 D/A 转换电路,当输入数字量为 1111 时,输出电压为 5V;如果输入数字量为 1010 时,输出电压为多少?54 DAC 的主要参数有哪些?55 D/A 转换器由哪几部分组成?56 简述 D/A 转换的过程。
