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文档简介

1、1数字电子电路数字电子电路授课人:庄友谊授课人:庄友谊2第十章第十章 数模与模数变换器数模与模数变换器10.1 D/A 转换器转换器10.2 A/D 转换器转换器3 数数/模与模模与模/数转换器是计算机与外部设备的重要数转换器是计算机与外部设备的重要接口接口,也是数字测量和数字控制系统的重要部件。也是数字测量和数字控制系统的重要部件。 能将数字量转换为模拟量的装置称为数能将数字量转换为模拟量的装置称为数/模转模转换器换器( 简称简称D/A转换器转换器 ); 能将模拟量转换为数字量能将模拟量转换为数字量的装置称为模的装置称为模/数转换器数转换器( 简称简称A/D转换器转换器 )。概述概述4 由于

2、构成数字代码的每一位都有一定的由于构成数字代码的每一位都有一定的“权权重重”,因此为了将数字量转换成模拟量,就必须将,因此为了将数字量转换成模拟量,就必须将每一位代码按其每一位代码按其“权重权重”转换成相应的模拟量,然转换成相应的模拟量,然后再将代表各位的模拟量相加,即可得到与该数字后再将代表各位的模拟量相加,即可得到与该数字量成正比的模拟量,这就是构成量成正比的模拟量,这就是构成D/A变换器的基本变换器的基本思想。思想。10.1 D/A转换器:转换器:510.1.2 权电阻、权电流权电阻、权电流D/A转换器:转换器: 这种变换器由这种变换器由“电子模拟开关电子模拟开关”、“权电阻求权电阻求和

3、网络和网络”、“运算放大器运算放大器”和和“基准电源基准电源”等部分等部分组成。组成。 UR+-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RFD3D2D1D000115 kR = 80 k00111 1、权电阻、权电阻D/AD/A转换器:转换器: 电子模拟开关电子模拟开关( ( S S0 0-S-S3 3) )由电子器件构成,其动由电子器件构成,其动作受二进制数作受二进制数D D0 0-D-D3 3 控制。当控制。当 D DK K 1 1 时,则相应时,则相应的开关的开关S SK K 接到位置接到位置1 1上,将基准电源上,将基准电源U UR R经电阻经电阻R Rk k引引起的

4、电流接到运算放大器的虚地点(如图中起的电流接到运算放大器的虚地点(如图中S S0 0、S S1 1);当);当D Dk k0 0 时,开关时,开关S Sk k 接到位置接到位置0 0 ,将相应电,将相应电流直接接地而不进运放(如图中流直接接地而不进运放(如图中S S2 2、S S3 3)。)。 UR+-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RFD3D2D1D000115 kR = 80 k0011T1T2SDa电子模拟开关的电子模拟开关的简化原理电路简化原理电路 当当 D = 1 时,时,T T2 2 管饱管饱和导通,和导通,T T1 1 管截止,则管截止,则 S 与与 a

5、 点通点通 ; 当当 D = 0 时,时,T T1 1 管管饱和导通,饱和导通,T T2 2 管截止,管截止,则则 S 被接地被接地 。 前者相当于开关前者相当于开关S 接到接到 “ 1 ” 端端 ,后者,后者则则 相当于开关相当于开关S 接到接到“ 0 ”端端 。根据反相比例运算公式可得:根据反相比例运算公式可得: 显然,输出模拟电压的大小直接与输入显然,输出模拟电压的大小直接与输入 二进制数二进制数的大小成正比,从而实现了数字量的大小成正比,从而实现了数字量 到模拟量的转换到模拟量的转换 。 UR+-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RFD3D2D1D000115

6、kR = 80 k0011)2222(332211003210DDDDRUIIIIiR)2222(332211000DDDDRRUiRUFRF92 2、权电流、权电流D/AD/A转换器:转换器: -UR+-AuoS2S3S1S0RFD3D2D1D0I16I8I4I2i)2222(16332211003210DDDDIIIIIi)2222(16332211000DDDDIRiRUFF10.1.1 T形和倒形和倒T解码网络解码网络D/A转换器:转换器: 由于解码网络的电路结构和参数匹配,使得上图由于解码网络的电路结构和参数匹配,使得上图中中D、C、B、A四点的电位逐位减半四点的电位逐位减半. 和权

7、电阻网络相比,和权电阻网络相比,T T形解码网络中电阻的类型少,形解码网络中电阻的类型少,只有只有R、2R两种,电路构成比较方便。两种,电路构成比较方便。AB+-AuoS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0RFD3D2D1D00011 UR2RRRRI3I2I1I0ICD1 1、 T T形网络形网络D/AD/A转换器:转换器:UD = URUC = UR/ 2UB = UR/4UA = UR/8即:即: 因此,每个因此,每个 2R支路支路中的电流也逐位减半。中的电流也逐位减半。AB+-AuoS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0RFD3D2D1D00011 UR2RRRRI

8、3I2I1I0ICDI = I3 + I2 + I1 + I0UR2R=D3UR16RD0UR8RD1UR4RD2+=UR16R( 8D3 + 4D2 + 2D1 + 1D0 )=URRF16R( 8D3 + 4D2 + 2D1 + 1D0 )uo -AB+-AuoS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0RFD3D2D1D00011 UR2RRRRI3I2I1I0ICD132 2、 倒倒T T形网络形网络D/AD/A转换器:转换器:UR+-AuoS2S3S1S0RFD3D2D1D0I16I8I4I2iI2I4I16I8RRR2R2R2R2R2R=URRF16R( 8D3 + 4D2 +

9、 2D1 + 1D0 )uo -1410.2.3 D/A转换器的输出方式:转换器的输出方式: 大部分的常用大部分的常用D/A转换器是数字电流转换器,转换器是数字电流转换器,输出量是电流,需要变为电压。输出量是电流,需要变为电压。输出电压有单极性(正、负极性),也有双极性。输出电压有单极性(正、负极性),也有双极性。1510.2.4 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标指最小输出电压和最大输出电压之比。指最小输出电压和最大输出电压之比。有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。1、分辨率分辨率 2、转换误差:转换误差:包括比例系数误差、失调误差

10、和非线性误差。包括比例系数误差、失调误差和非线性误差。二、二、转换速度:转换速度:一、一、转换精度:转换精度:三、三、温度系数:温度系数:121 nn位的位的D/A转换器的分辨率为转换器的分辨率为 1610.1.5 集成电路集成电路D/A转换器及其应用转换器及其应用 D/A变换器集成电路有多种型号。下面仅以变换器集成电路有多种型号。下面仅以DAC0832为例来介绍集成电路为例来介绍集成电路D/A变换器。变换器。 它是八位的它是八位的D/A变换器变换器,即在对其输入八位即在对其输入八位数字量后,通过外接的运算放大器,可以获得数字量后,通过外接的运算放大器,可以获得相应的模拟电压值。相应的模拟电压

11、值。DAC 0832 简化电路框图简化电路框图八位八位寄存器寄存器(1)输入输入八位八位寄存器寄存器(2)输入输入八位八位变换器变换器URRfbIout1Iout2AGNDVCCuoDGND&ILECSWR1WR2XFERA/DD7D0.11下图是它的内部下图是它的内部简化电路框图简化电路框图 和和管脚图管脚图:DAC 0832 管脚图管脚图CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCURRf bDGNDILEXFERIout2Iout11234567891019181716151413121120CS:片选端:片选端WR1、WR2:写入端:写入端D7-D0:数据输入

12、端:数据输入端XFER:转移控制端:转移控制端ILE:所存使能端:所存使能端Iout2Iout1:电流输出端:电流输出端UR:参考电压端:参考电压端Rf b:内部反馈电:内部反馈电 阻输出端阻输出端19功功 能能数据数据D D7 7-D-D0 0输入输入到寄存器到寄存器1 1数据由寄存器数据由寄存器1 1转送寄存器转送寄存器2 2从输出端取从输出端取模拟量模拟量控控 制制 条条 件件CSILEWR1WR2XFER说说 明明01WR1= 0时存入数据时存入数据WR1= 1时锁定时锁定WR2= 0时存入数据时存入数据WR2= 1时锁定时锁定0无控制信号,无控制信号,随时可取随时可取DAC0832

13、功功 能能 表表20例例1. 单步输入操作单步输入操作 - 适用于单个适用于单个DAC工作工作ILEWR2WR1CSXFERRfbD0D7Iout2Iout1-+.1(a)D7 D0CSWR1数据数据存入存入数据数据 锁定锁定( b)21 A/D转换器的任务是将模拟量转换成数字转换器的任务是将模拟量转换成数字量量,它是模拟信号和数字仪器的接口。它是模拟信号和数字仪器的接口。10.2 A/D 转换器转换器 A/D转换器类型比较多,按其工作原理,可分转换器类型比较多,按其工作原理,可分为为直接直接A/D转换器转换器和和间接间接A/D转换器转换器。直接直接A/D转换器转换器有:逐次逼近型、并联比较型

14、;有:逐次逼近型、并联比较型;间接间接A/D转换器转换器有双积分型、电压频率转换型等有双积分型、电压频率转换型等22 10.2.1 A/D转换的一般工作过程转换的一般工作过程1、取样与保持:、取样与保持:2、量化和编码:、量化和编码: 取样定理:取样定理:输入的模拟信号的最高频率分量为输入的模拟信号的最高频率分量为fmax,取样信号频率为取样信号频率为fs,如果,如果fs2fmax,则可以无失真地复现,则可以无失真地复现输入信号。输入信号。 数字信号的大小是某个规定最小数量单位的整数倍,数字信号的大小是某个规定最小数量单位的整数倍,取样得到的信号必须按某种近似地规化为某一数值电平,取样得到的信

15、号必须按某种近似地规化为某一数值电平,这个过程称这个过程称量化量化,而量化的结果必须经过编码用一个代,而量化的结果必须经过编码用一个代码表示出来。码表示出来。由量化引起的误差称由量化引起的误差称量化误差量化误差。23 10.2.2 并联比较型并联比较型 电路由三部分电路由三部分组成组成: 分压器分压器、比比较器较器和和编码器编码器。 这种这种A/D 变换变换器的优点是转换器的优点是转换速度快,缺点速度快,缺点 是是所需比较器数目所需比较器数目多,位数越多矛多,位数越多矛盾越突出。盾越突出。uxERRRRRRRRD2D1D0数字输出数字输出AGFECDB先先码码器器7E/86E/85E/84E/

16、83E/82E/8E/8编编优优CP24比较器输入比较器输入E ux 7E / 87E / 8 ux 6E / 86E / 8 ux 5E / 85E / 8 ux 4E / 84E / 8 ux 3E / 83E / 8 ux 2E / 82E / 8 ux 1E / 81E / 8 ux 0A B C D E F G D2D0D1编码器输出编码器输出输入电压输入电压ux1 1 1 1 1 1 11111 1 1 1 1 1 0000111110 0 0 0 0 0 00000000 0 0 0 0 0000 0 00000 0 000 01111111111111111111000逻辑状态

17、关系表逻辑状态关系表25 10. 2. 3 逐次逼近型逐次逼近型 其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四个砝其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四个砝码共重码共重15克,每个重量分别为克,每个重量分别为8、4、2、1克。设待克。设待秤重量秤重量Wx = 13克,可以用下表步骤来秤量:克,可以用下表步骤来秤量:砝码重砝码重第一次第一次第二次第二次第三次第三次第四次第四次加加4克克加加2克克加加1克克8 克克 砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx ,故保留,故保留砝码总重仍砝码总重仍 待测重量待测重量Wx ,故撤除,故撤除砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx ,故保留,故保留暂时结果暂时结果8 克

18、克12 克克12 克克13 克克 结结 论论26vi计数器计数器D/A转换器转换器&CPdn-1dn-2d1d0控制信号控制信号vL并并行行数数字字输输出出27 10. 2. 4 双积分型双积分型 工作原理:工作原理:对输入的模拟电压和参考电压进行对输入的模拟电压和参考电压进行两次积分,先将输入电压的平均值变换为与之成正两次积分,先将输入电压的平均值变换为与之成正比的时间间隔,再利用时钟脉冲和计数器测出此时比的时间间隔,再利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔,从间间隔,从 而得到与其相应的数字量。而得到与其相应的数字量。包括:包括:积分器、过零比较器、计数器和定时器、积分器、过零比较器、

19、计数器和定时器、 时钟脉冲控制器时钟脉冲控制器+vi n位二进制计数器位二进制计数器开关控开关控制电路制电路&-VRS1S2CPQn-1Qn-2Q1Q0积分器积分器过零比较器过零比较器vo1vo2vGNt1t2t1t22nvo1vo2vGviRCVRRC0)(1)()(1)(12111211011211RCttVRCtvdtVRCtvtvRCtvdtvRCtvRittRooitionRRiRiRiNVtttVvttVtvRCttVRCtv2)()()(11212112129 10.2.5 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 用输出数字量的有效位数来表示分辨率。用输出数字量的

20、有效位数来表示分辨率。1、分辨率分辨率 2、转换误差:转换误差:以输出误差的最大值的形式给出。以输出误差的最大值的形式给出。二、二、转换速度:转换速度:一、一、转换精度:转换精度:并联比较型:并联比较型:50ns逐次逼近型逐次逼近型:10-50us双积分型双积分型:几十几十-几百几百ms30 10.3.6 集成电路集成电路A/D转换器转换器 及其应用及其应用 ADC0804 的的 分辨率为八位分辨率为八位,工作原理为逐次工作原理为逐次逼近型。逼近型。 A/D变换组件有多种型号可供选择,如:高速变换组件有多种型号可供选择,如:高速的,高分辨率的,高速且高精度的等等。使用者的,高分辨率的,高速且高精度的等等。使用者可根据任务要求进行选择。下面以可根据任务要求进行选择。下面以 ADC0804 为例为例 ,介绍集成电路介绍集成电路A/D变换器。变换器。+-+-11控控制制逻逻辑辑时时 钟钟CP电阻网络电阻网络及电子开关及电子开关数据寄存器数

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