1、学习情境9 数字信号与模拟信号的相互转换学习目标基于寄存器的电路设计与实现（1）掌握模拟信号转换为数字信号的方法（2）掌握数字信号转换为模拟信号的方法数字信号是数字系统与物理世界沟通的桥梁，因此，当需要使用数字系统处理物理世界的问题时，就需要将物理世界的模拟信号转换成数字信号。同样，当数字系统将问题处理好并将处理结果反馈给物理世界时，将数字信号转换为物理世界的模拟信号也是必不可少的。数字信号与模拟信号的相互转换在自动化、图像处理、工业、仪器、医疗、军事、电信、语音处理等方面都具有广泛的应用。数字信号处理是将数学、软件编程和硬件处理组合起来以处理模拟信号的。数字信号与模拟信号的相互转换9.1.1
2、 A/D转换电路及原理在A/D转换器中，因为输入的模拟信号在时间上是连续量，而输出的数字信号是离散量，所以进行转换时必须在一系列选定的瞬间（亦即时间坐标轴上的一些规定点上）对输入的模拟信号取样，然后再把这些取样值转换为输出的数字量。因此，一般的A/D转换过程是通过取样取样、保持保持、量化量化和编码编码这四个步骤完成的。9.1.1 A/D转换电路及原理（a）对输入模拟信号的采样 （b）还原取样信号所用滤波器的频率特性9.1.1 A/D转换电路及原理9.1.1 A/D转换电路及原理00000101001110010111011100000101001110010111011101/82/83/84
3、/85/86/87/81V01234567=(7/8)V6/85/84/83/82/81/801V13/1511/159/157/155/153/151/15001234567=(14/15)V12/1510/158/156/154/152/150模拟电平二进制代码 代表的模拟电平模拟电平二进制代码 代表的模拟电平（a）（b）划分量化电平的两种方法9.1.1 A/D转换电路及原理RRifIvLvTAChvo取样-保持电路的基本形式9.1.1 A/D转换电路及原理AARR230030k1LSovovDD1212IvvLChhCLF198VVV21458763OFF+IvvLov（外接）地（a）（
4、b）单片集成取样-保持电路LE198的电路原理图及符号9.1.1 A/D转换电路及原理AARR230030k1LSovovDD1212IvvLChhCLF198VVV21458763OFF+IvvLov（外接）地（a）（b）9.1.1 A/D转换电路及原理AARR230030k1LSovovDD1212IvvLChhCLF198VVV21458763OFF+IvvLov（外接）地（a）（b）9.1.2 A/D转换器分类1.1.并行比较型并行比较型A/DA/D转换器转换器3位并行比较型A/D转换原理电路如图所示，它由电压比较器、寄存器和代码转换器三部分组成。CCCCCCC4CCCCO4CCCRR
5、RRRRRR/2VREFVREFREFVVREFVREF15151515131131DQQC11D1D码QD(MSB)编1DQ先2QQQ1D1D优C1器C11D01D(LSB)C11C1C1C1DICPv电压比较器寄存器代码转换器O7O1O2O6O5O31762531234567IIIIIII7654321并行比较型A/D转换器9.1.2 A/D转换器分类输入模拟电压寄存器状态（代码转换器输入）数字量输出（代码转换器输出）00000000000000001001000001101000001110110001111100001111110101111111101111111111单片集成并行比
6、较型A/D转换器的产品较多，如AD公司的AD9012（TTL工艺，8位）、AD9002（ECL工艺，8位）、AD9020（TTL工艺，10位）等。9.1.2 A/D转换器分类9.1.2 A/D转换器分类2.2.逐次比较型逐次比较型A/DA/D转换器转换器逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似。按照天平称重的思路，逐次比较型A/D转换器就是将输入模拟信号与不同的参考电压做多次比较，使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量的对应值。4位逐次比较型A/D转换器的逻辑电路如图所示。RSQC1RSQC11DS1RCQ1DS1RCQ1DS1RCQ1D123401DRQQQQQABCDESCPABCDE
7、F移位寄存器DDDD123转换器D/AVFFFFFFFFFF01234数据寄存器DDDD32100&CPQ5启动脉冲+5V+5V+5VC1REF（MSB）（LSB）vIvOvC1GG12FF5四位逐次比较型A/D转换器的逻辑电路9.1.2 A/D转换器分类RSQC1RSQC11DS1RCQ1DS1RCQ1DS1RCQ1D123401DRQQQQQABCDESCPABCDEF移位寄存器DDDD123转换器D/AVFFFFFFFFFF01234数据寄存器DDDD32100&CPQ5启动脉冲+5V+5V+5VC1REF（MSB）（LSB）vIvOvC1GG12FF59.1.2 A/D转换器分类RSQ
8、C1RSQC11DS1RCQ1DS1RCQ1DS1RCQ1D123401DRQQQQQABCDESCPABCDEF移位寄存器DDDD123转换器D/AVFFFFFFFFFF01234数据寄存器DDDD32100&CPQ5启动脉冲+5V+5V+5VC1REF（MSB）（LSB）vIvOvC1GG12FF59.1.2 A/D转换器分类RSQC1RSQC11DS1RCQ1DS1RCQ1DS1RCQ1D123401DRQQQQQABCDESCPABCDEF移位寄存器DDDD123转换器D/AVFFFFFFFFFF01234数据寄存器DDDD32100&CPQ5启动脉冲+5V+5V+5VC1REF（MS
9、B）（LSB）vIvOvC1GG12FF59.1.2 A/D转换器分类C1nFFR1J1KC1n-1FFR1J1KC11FFR1J1KC10FFR1J1K1111ACRCvOvCTCS2n级计数器DDDn-110.（MSB）（LSB）数字量输出Qn-1Q1Q0QnCR+A1ISVvREFSVB1&CPvG 双积分型A/D转换器9.1.2 A/D转换器分类C1nFFR1J1KC1n-1FFR1J1KC11FFR1J1KC10FFR1J1K1111ACRCvOvCTCS2n级计数器DDDn-110.（MSB）（LSB）数字量输出Qn-1Q1Q0QnCR+A1ISVvREFSVB1&CPvG9.1.
10、2 A/D转换器分类C1nFFR1J1KC1n-1FFR1J1KC11FFR1J1KC10FFR1J1K1111ACRCvOvCTCS2n级计数器DDDn-110.（MSB）（LSB）数字量输出Qn-1Q1Q0QnCR+A1ISVvREFSVB1&CPvG9.1.3 A/D转换器转换精度与参数9.1.3 A/D转换器转换精度与参数9.1.3 A/D转换器转换精度与参数9.1.4常用集成ADC及应用9.1.4常用集成ADC及应用1234567891011121314151617181920CSRDWRCLKININTRAGNDDGNDVCLKRDDDDDDDDIN+IN-REF/2VVVCC01
11、234567ADC0804100s输出高阻CSRDWRINTR读数数据（a）ADC0804引脚图 （b）ADC0804控制信号的时序图ADC0804引脚图及控制信号的时序图如图 9.1.4常用集成ADC及应用9.1.4常用集成ADC及应用9.1.4常用集成ADC及应用模拟电路电源数字电路电源模拟电路数字电路A/D转换器A9.2.1 D/A转换电路及原理01234567001 010011100101 110111D/A转换器DDD01n-1.vo输入输出vo/VD000（a）D/A转换器的输入、输出关系框图 （b）3位D/A转换器的转换特性9.2.2 D/A转换精度与参数9.2.2 D/A转换
12、精度与参数9.2.2 D/A转换精度与参数9.2.3 常用集成DAC及应用DDDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+Avoif1682R2R+V2RRI4R4IREFI8II2R2RIRIII1622倒T形电阻网络D/A转换器9.2.3 常用集成DAC及应用DDDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+Avoif1682R2R+V2RRI4R4IREFI8II2R2RIRIII16229.2.3 常用集成DAC及应用DDDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+Avoif1682R2R+V2RRI4R4IREFI8II2R2RIRIII16229.2.3 常用
13、集成DAC及应用若要使D/A转换器具有较高的精度，则对电路中的参数有以下要求：（1）基准电压稳定性好。（2）倒T形电阻网络中R和2R电阻的比值精度要高。（3）每个模拟开关的开关电压降要相等。为实现电流从高位到低位按2的整倍数递减，模拟开关的导通电阻也相应地按2的整倍数递增。9.2.3 常用集成DAC及应用DDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+AvoifI24I8I16IVREFD权电流型D/A转换器的原理电路9.2.3 常用集成DAC及应用DDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+AvoifI24I8I16IVREFD9.2.3 常用集成DAC及应用DDDD(LSB
14、)(MSB)SSSS33221100R+Avoif+A1216II216II4I8IIIIIIIREFE3E2E1E0ECBBV2R2RR2RR2RRR2REE偏置偏置电流I=IREF=REFVR1TTTTTTr3210c1REFRVR+VRV9.2.3 常用集成DAC及应用DDDD(LSB)(MSB)SSSS33221100R+Avoif+A1216II216II4I8IIIIIIIREFE3E2E1E0ECBBV2R2RR2RR2RRR2REE偏置偏置电流I=IREF=REFVR1TTTTTTr3210c1REFRVR+VRV在日常生活中任何携带信息的物理量都可称为信号,这些信号中，有的是
15、自然的，有的是人为的，有的是必需的（如语音、图像等信号），有的是让人愉悦的（如音乐、美图等信号），当然还有一些信号是不需要的，甚至是有害的（如马路的噪音）。因此，从一个错综复杂的信号中提取或增强有用的信号，同时抑制其中有害或无用的信号，是数字信号处理的一种最为直接而简单的表述形式。更一般地说，信号处理是为提取、增强、存储和传输有用信息而设计的一种运算。9.3.1数字信号简介9.3.1数字信号简介现实世界中的绝大多数信号都是模拟信号，如语音、亮度、温度、电磁波、速度等。为了能够处理这些信号，需要先将它们数字化，即将现实世界中的模拟信号转化成数字信号，然后再进行滤波、频谱分析等各种各样的数字处理，
16、处理完成之后，还可能要再将数字信号还原成模拟信号。例如：对于现在的网络音乐，先要将音乐信号变成数字信号，再存储在电脑硬盘上；在回放的时候，又要将存储的数字音乐信号再还原成模拟音乐信号。一个典型的数字信号处理基本流程如下图所示，图中ADC的作用是将模拟信号转变为数字信号，DAC的作用是将数字信号还原为模拟信号。数字信号处理基本流程9.3.1数字信号简介如图所示，一旦模拟信号被转换为二进制形式的数字信号，就被加到数字信号处理器（digital signal processing，DSP）中。DSP可以对输入的数据进行各种运算，例如去除不需要的信号，增大某个频率信号的幅度并减少其他频率信号的幅度，为
17、安全传输的目的进行编码并检测和纠正得到的编码。在其他许多运算中，DSP还可以对录制的声音进行净化，去除来自通信线路的回音，增强用于医疗诊断的CT扫描的图像和用于手机加扰的转换。DSP实际上就是一种特殊类型的微处理器，它和微处理器的一般用途不同。微处理器主要用于处理一般功能，并使用大型软件进行操作。DSP主要用于处理具体的特定问题，它是一种高速的数字计算器，使用具体算法实时处理获取的信息。在一个系统中，模-数转换器必须对输入的模拟信号进行采样，推出足以捕捉信号幅度的所有相关的波动，DSP必须跟上ADC的采样速度，在接受采样得到的数据的同时进行计算，一旦DSP处理完数据，数据就会进入数-模转换器，
18、转换回模拟信号的格式。9.3.2数字信号存储移位寄存器属于一种小规模存储器，在实际应用中，还有中规模存储器、大规模存储器以及超大规模存储器等。在计算机中，程序和数据的存储是必不可少的，因此必须依靠存储设备和内存以实现相应的操作。内存通常指寄存器、缓存、RAM、ROM、硬盘等，外存通常指磁带、光盘、磁盘、U盘等。描述存储器的三个关键特性是成本、容量和存取时间。存储器成本通常是指每位的价格，存储器的容量是以存储的数据量（位数）来衡量的，存取时间是指从存储器获取指定单元数据所花费的时间。在通常情况下，存储时间越短，成本就越高；存储容量越大，存储时间就越长，成本就越高。在计算机系统中，使用分级存储器体
19、系（如右图所示）来处理数据与程序的存储问题，其目标是在获得最短的平均存取时间的同时使成本最低。分级存储器体系9.3.2数字信号存储9.3.2数字信号存储9.3.3数字信号传输在电子系统中，无时无刻不在处理数字信号，而数字信号在处理过程中需要传输。数字信号的传输可以理解为将数字信号通过媒质或信道由一点传输到另一点或多点，媒质可以是电线、电缆、光纤、光缆、空气等。媒质或信道是传输数据的路径，数据在路径中传输的方式有串行方式（一次传输一位）和并行方式（一次传输多位），数据也可以同步传输或异步传输。9.3.3数字信号传输1.1.串行与并行数据传输串行与并行数据传输串行数据传输时一次只传一位，如图（a）
20、所示；并行数据传输时一次可传多位，如图（b）所示。一般情况下，并行传输要比串行传输快，因此并行传输的数据传输速率较高。但在实际应用中，当进行串行数据传输时，各数据位在各自传输通道上以并行方式同时传送时，由于不同传输通道的特性偏差会引起数据中出现时间偏差，从而使数据更容易产生错位，因此，为了减少误码常常需要降低传输速率。（a）串行数据 （b）并行数据串/并行数据传输9.3.3数字信号传输在计算机内部是采用并行方式进行数据传输的，但若要使计算机进行外部传输数据，常采用串行方式。例如：从计算机传输数据给打印机时，通常会采用USB进行传送，这是串行传输方式，并且在此过程中会涉及到将并行数据转换成串行数
21、据，具体原理如图所示。串/并行数据传输转换9.3.3数字信号传输2.2.异步数据传输异步数据传输在数据传输过程中，一般会将多个数据位组合在一起传输，通常将一个长信息中组合在一起的一个完整段的信息称为包，而一个完整的消息通常由许多数据包构成。而一个数据包中不仅包括了有效的数据位信息，还包括奇偶校验位、开始/停止位等信息。每个数据包之间有一个暂停，这样可以使接收机识别每个包的开始位，数据包的结尾有一位或多位停止位来提示包传输结束。一个给定数据码的数据包的串行传送示意图如图所示。一个给定数据码的数据包的串行传送示意图9.3.3数字信号传输在异步传输系统中，发送机和接收机使用的振荡器不同，而这些振荡器
22、在运行过程中会发生累计时钟漂移，这就会导致发送机和接收机的时钟错位，从而导致传输误码现象的发生。为了解决该问题，就需要在每个数据包的开始位重新同步，因此在包中加了开始/停止位以及校验位。在不同包之间，当信道空闲时，将有一个连续恒定的逻辑电平，数据包总是在空闲期间以与逻辑电平相反的开始位开始，从而提醒接收机数据包的开始，随后8位是数据位，再然后就是一位校验位，最后是一位停止位，具体情况如图所示。一个给定数据码的数据包的串行传送示意图9.3.3数字信号传输3.3.同步数据传输同步数据传输同步数据传输中发送端和接收端从同一时钟信号中取得定时信号，这个时钟信号来自系统的发送端。在同步数据传输中数据位可
23、以连续传送，中间没有暂停，因此接收机必须通过一些方式来判断数据块的起始和终止。为了让接收机确定信道中接收信息位的时间，就必须确切地确定数据的开始及数据位间的时间间隔，当这个定时信息被确定时，接收机与发送机就可以实现同步。同步数据传输系统的传输速率要比异步数据传输系统快很多，但同步数据传输系统的复杂度也要比异步数据传输系统高很多。9.3.4数字信号处理器应用DSP是一种特殊的微处理器，用于实时处理数据，其处理的信号一般都集中在代表着模拟信号的数字信号上。DSP和微处理器一样具有中央处理单元（CPU）、存储单元和一些接口功能模块。DSP是数字信号处理系统的核心，它接收来自ADC的输入，产生的输出送到DAC，具体情况如图所示。DSP处理信号过程9.3.4数字信号处理器应用DSP属于专用微处理器，与一般微处理器不同的是，DSP需要实时处理数据，因此DSP无法容忍任何显著的延时，这需要极快的DSP。DSP现在已广泛应用于电信、雷达、滤波、医学成像等许多领域，对人们的生产和生活带来了许多革命性的变化和影响。主讲教师 夏林中数字电子技术基础深圳信息职业技术学院信息与通信学院
