《数字电路与逻辑设计》课程实验指导（数字电路实验）实验九 数模（DA）和模数（AD）转换应用

实验九数/模(D/A)和模/数(AD)转换应用 、实验目的 1、通过实验了解AD和D/A转换特性。 2、了解AWD和D/A转换器互相连接的工作情况。 二、实验原理 数模转换器是有一个输出端、几个输入端的器件，其输出为模拟电压，它正比于加在 n个输入端的n位 个电压之一。所以输出并非真正的模拟量，即输出电压不是整个电压范围内的任意值，而只 能是256个可能值。 图9-1是由R一2R梯形电阻网络构成的4位D/A转换器。其中B3、B2、B1、B0为四 个数据输入端，各端均可通过开关接地或接电源V。某输入端若接地，则该位为0，若接 Vc则该位为1。若输入 进制码为B3B2B1B0=1000，由戴维南定理可推导出输出模拟电 压6=Vcc/2,同理可推导出输入为0100时，6=Vcc4等等。 R 2 B1 B3 图9-14位R-2R梯形网络D/A转换原理 实验用的D/A转换器为DACO8OI集成8位DIA转换器，它的二进制各位开关是由双 极型晶体管构成的电子开关。D/A转换器产生的输出电流为IO,它正比于输入的二进制数。 n位模/数转换器输出n位二进制数值，它正比于加在输入端的模拟电压。这里只介绍 ADCO8O4A/D转换器原理，它是用逐次逼近原理构成的。其主要组成部分有DA转换器」 逐次逼近寄存器、移位寄存器、比较器、时钟发生器和控制电路。它的工作过程是：转换开 始时由时钟节拍控制动作，第一个时钟来时移位寄存器状态为10000000，并送给逐次逼近 寄存器(SAR),由SAR将10000000传给D/A转换器输入端，使D/A转换器产生输出模拟 电压VsT,VsT与AWD转换器输入的模拟量M进行比较。若VsT,则比较器物出V为低电平0。然后第二个时钟到来，使移位寄存器 变为0I000000,送给SAR。但SAR最高位由V来确定 C为I,SAR最高位保持原来的 1,Vc为O,SAR最高位为0。比较一直进行到Vs1=M才结束。这时将SAR中存的二进制 数输出，即为AD二进制输出。为简单起见，以四位AD转换器为例说明这一过程。当模 拟输入从0至15V变化时，输出从0000到1111变化。 AD转换器的重要指标之一是转换时间TC,即AWD转换器从模拟量输入到转换为数字 量输出所占用的时间。TC的倒数为每秒转换的次数。转换时间限制了完成一次转换而不产 生严重的误差所允许的最大输入信号变化速率。逐次逼近AWD转换器的变换时间不因输 电压的大小而变化。ADC0804的TC=100us,即每秒转换10000次。 A/D转换器的另一个重要指标是分辨率，它是使输出二进制数产生相当最低位变化时所 需的输入模拟量。例如有一10位AD转换器，当输入从0至5V变化时，输出从0000000000

实验九 数/模（D/A）和模/数（A/D）转换应用 一、实验目的 1、通过实验了解 A/D 和 D/A 转换特性。 2、了解 A/D 和 D/A 转换器互相连接的工作情况。 二、实验原理 数/模转换器是有一个输出端﹑几个输入端的器件，其输出为模拟电压，它正比于加在 n 个输入端的 n 位二进制数。如 8 位的 D/A 转换器，它有 8 个输入端，每个输入端是 8 位二 进制数的一位，并有一个模拟输出端，输入可有 8 2 =256 个不同的二进制组态，输出为 256 个电压之一。所以输出并非真正的模拟量，即输出电压不是整个电压范围内的任意值，而只 能是 256 个可能值。 图 9-1 是由 R—2R 梯形电阻网络构成的 4 位 D/A 转换器。其中 B3﹑B2﹑B1﹑B0 为四 个数据输入端，各端均可通过开关接地或接电源 Vcc。某输入端若接地，则该位为 0，若接 Vcc 则该位为 1。若输入二进制码为 B3B2B1B0=1000 ，由戴维南定理可推导出输出模拟电 压 Vo=Vcc/2,同理可推导出输入为 0100 时，Vo=Vcc/4 等等。 图 9-1 4 位 R-2R 梯形网络 D/A 转换原理 实验用的 D/A 转换器为 DAC0801 集成 8 位 D/A 转换器，它的二进制各位开关是由双 极型晶体管构成的电子开关。D/A 转换器产生的输出电流为 Io，它正比于输入的二进制数。 n 位模/数转换器输出 n 位二进制数值,它正比于加在输入端的模拟电压。这里只介绍 ADC0804A/D 转换器原理，它是用逐次逼近原理构成的。其主要组成部分有 D/A 转换器﹑ 逐次逼近寄存器﹑移位寄存器﹑比较器﹑时钟发生器和控制电路。它的工作过程是：转换开 始时由时钟节拍控制动作，第一个时钟来时移位寄存器状态为 10000000，并送给逐次逼近 寄存器（SAR），由 SAR 将 10000000 传给 D/A 转换器输入端，使 D/A 转换器产生输出模拟 电压 VST，VST 与 A/D 转换器输入的模拟量 VI 进行比较。若 VST﹤VI，则比较器输出 VC为 高电平 1，若 VST﹥VI，则比较器输出 V 为低电平 0。然后第二个时钟到来，使移位寄存器 变为 01000000，送给 SAR。但 SAR 最高位由 VC 来确定，VC为 1，SAR 最高位保持原来的 1，VC 为 0，SAR 最高位为 0。比较一直进行到 VST=VI 才结束。这时将 SAR 中存的二进制 数输出，即为 A/D 二进制输出。为简单起见，以四位 A/D 转换器为例说明这一过程。当模 拟输入从 0 至 15V 变化时，输出从 0000 到 1111 变化。 A/D 转换器的重要指标之一是转换时间 TC，即 A/D 转换器从模拟量输入到转换为数字 量输出所占用的时间。TC 的倒数为每秒转换的次数。转换时间限制了完成一次转换而不产 生严重的误差所允许的最大输入信号变化速率。逐次逼近 A/D 转换器的变换时间不因输入 电压的大小而变化。ADC0804 的 TC=100us, 即每秒转换 10000 次。 A/D 转换器的另一个重要指标是分辨率，它是使输出二进制数产生相当最低位变化时所 需的输入模拟量。例如有一 10 位 A/D 转换器，当输入从 0 至 5V 变化时，输出从 0000000000 2R R B0 B1 B2 B3 R R 2R 2R 2R 2R Vcc

到111111111变化，所以输入变化5VW20-4.88mV可使输出的变化量为0000000001，则该 AD转换器得分辨率为4.88mV。更多的是用AD转换器的位数表示分辨率。也有用百分 率表示分辨率的，即X10O%,其中n为AD转换器的位数。上述D转换器的分辨率 1 可表示为4.88mV或10位或 0X100% ×100%=0.0976%。 1024 图9-2和图9-3分别给出了DACO801和ADC0804的引出线图 4 图9-2DAC0801引出线图 图9-3ADC0804引出线图 三、实验内容及主要步隳 1、DA转换器实验：按图94接线。 -10v 图94D/A转换器电路 ①调零：数字输入端全部接地，调1K欧电位器使V0=-0 ②静态测试D/A转换器输入二进制数据与输出直流电压的关系：数字输入端接+5V为高电 平1，接地为低电平0。分别测出输入为00000001、01011000、111000000、00000111和 11111111时的输出电压Vo。 ③动态试D/A转换：用两片741g3型4位计数器串联成8位计数器，对幅度为03V 频率为1OKHz的方波信号分频， 计数器的各位输出依次接D/A转换器的各位（如图9 所示)。用示波器观察D/A转换器的输出波形，测量并绘出输出波形幅度和周期以及波形 中每个阶梯的幅度和时间

到 1111111111 变化，所以输入变化 5V/ 10 2 =4.88mV,可使输出的变化量为 0000000001，则该 A/D 转换器得分辨率为 4.88ｍV 。更多的是用 A/D 转换器的位数表示分辨率。也有用百分 率表示分辨率的，即 n 2 1 ×100％，其中 n 为 A/D 转换器的位数。上述 A/D 转换器的分辨率 可表示为 4.88ｍV 或 10 位或 10 2 1 ×100％= 1024 1 ×100％=0.0976％。 图 9-2 和图 9-3 分别给出了 DAC0801 和 ADC0804 的引出线图。 图 9-2 DAC0801 引出线图 图 9-3 ADC0804 引出线图 三、实验内容及主要步骤 1、 D/A 转换器实验：按图 9-4 接线。 图 9-4 D/A 转换器电路 ①调零：数字输入端全部接地，调 1K 欧电位器使 Vо=0。 ②静态测试 D/A 转换器输入二进制数据与输出直流电压的关系：数字输入端接+5V 为高电 平 1，接地为低电平 0。分别测出输入为 00000001、01011000、111000000、00000111 和 11111111 时的输出电压 Vо。 ③动态测试 D/A 转换：用两片 74LS93 型 4 位计数器串联成 8 位计数器，对幅度为 0～3V、 频率为 10KHｚ的方波信号分频。计数器的各位输出依次接 D/A 转换器的各位（如图 9-5 所示）。用示波器观察 D/A 转换器的输出波形，测量并绘出输出波形幅度和周期以及波形 中每个阶梯的幅度和时间。 DAC0801 B8 12 B7 11 B6 10 B5 9 B4 8 B3 7 B2 6 B1 5 VR+ 14 VR- 15 IOUT 4 IOUT 2 COMP 16 VLC 1 V+ 13 V- 3 ADC0804 DB0 18 DB1 17 DB2 16 DB3 15 DB4 14 DB5 13 DB6 12 DB7 11 CS 1 RD 2 WR 3 INTR 5 AGND 8 VI+ 6 VI- 7 CLKR 19 CLK 4 VREF 9 VCC 20 GND 10 数数数数 LSB MSB V VO +10V +10V -10V +10V DAC0801 B8 12 B7 11 B6 10 B5 9 B4 8 B3 7 B2 6 B1 5 VR+ 14 VR- 15 IOUT 4 IOUT 2 COMP 16 VLC 1 V+ 13 V- 3 3.9K 4.7K 4.7K 4.7K 1K 0.01uF 0.1uF 0.1uF

离2日 图9-5用计数器输出信号加至D/A转换器 2、AD转换器实验：按图96接线 ①静态测试AD转换器输入直流电压与输出二进制数据之间的关系：调节1K欧电位器来改 变输入电压，输出数字量由发光二极管LED显示，LED亮为高电平1，灭为低电平0， 测量使输出为00000010、0000001、00001000、00010000和111111时的输入电压 ②动态测试AD转换：输入端不接kQ电位器，改接至信号源。接通信号源前先将信号源 置于三角波或锯齿波，其5V、户0.1Hz,观察LD显示。信号源改为方波，再观察LD 显示。 001 图9-6A/D转换器电路 四、实验报告要求 1、整理全部实验数据及波形。 2、D/A转换器静态实验中测试的数据与理论值比较。 3、将DA转换器波形测试的幅度、周期、和输出波形中每个阶梯的高度及宽度。与理论值 比较 4、将A/D转换器静态测试结果与理论值比较

图 9-5 用计数器输出信号加至 D/A 转换器 2、 A/D 转换器实验：按图 9-6 接线 ①静态测试 A/D 转换器输入直流电压与输出二进制数据之间的关系：调节 1K 欧电位器来改 变输入电压，输出数字量由发光二极管 LED 显示，LED 亮为高电平 1，灭为低电平 0， 测量使输出为 00000010、00000011、00001000、00010000 和 11111111 时的输入电压。 ②动态测试 A/D 转换：输入端不接 1kΩ电位器，改接至信号源。接通信号源前先将信号源 置于三角波或锯齿波，其 VP=5V、f=0.1Hz，观察 LED 显示。信号源改为方波，再观察 LED 显示。 图 9-6 A/D 转换器电路 四、实验报告要求 1、整理全部实验数据及波形。 2、D/A 转换器静态实验中测试的数据与理论值比较。 3、将 D/A 转换器波形测试的幅度、周期、和输出波形中每个阶梯的高度及宽度。与理论值 比较。 4、将 A/D 转换器静态测试结果与理论值比较。 数数数数数 数DAC +5V +5V B0 B3 B1 B2 B4 B7 B5 B6 74LS93 A 14 B 1 R0(1) 2 R0(2) 3 QA 12 QB 9 QC 8 QD 11 VCC 5 GND 10 74LS93 A 14 B 1 R0(1) 2 R0(2) 3 QA 12 QB 9 QC 8 QD 11 VCC 5 GND 10 B3 B2 B1 B0 B4 B5 B6 B7 +5V +5V +5V +5V ADC0804 DB0 18 DB1 17 DB2 16 DB3 15 DB4 14 DB5 13 DB6 12 DB7 11 CS 1 RD 2 WR 3 INTR 5 AGND 8 VI+ 6 VI- 7 CLKR 19 CLK 4 VREF 9 VCC 20 GND 10 1K 1K 100K 0.01uF 10K 220pF 0.1uF 10K 1K 1K 1K