数字电子技术数模和模数转换学习教案

1、会计学1数字电子数字电子(dinz)技术数模和模数转换技术数模和模数转换第一页，共70页。2022-5-102模拟量：温度、湿度、压力、流量、速度等。从模拟信号到数字信号的转换称为模/数转换（简称(jinchng)A/D转换），实现模/数转换的电路叫做A/D转换器（简称(jinchng)ADC）；从数字信号到模拟信号的转换称为数/模转换（简称(jinchng)D/A转换），实现数/模转换的电路称为D/A转换器（简称(jinchng)DAC）。 第2页/共70页第二页，共70页。2022-5-103典型数字(shz)控制系统框图第3页/共70页第三页，共70页。2022-5-104数/模转换就是

2、(jish)将数字量转换成与它成正比的模拟量。 数字量：数字量：(D(D3 3D D2 2D D1 1D D0 0) )2 2(D(D3 32 23 3D D2 22 22 2D D1 12 21 1D D0 02 20 0) )1010 (1101) 2 (1(12 23 31 12 22 20 02 21 11 12 20 0) )1010 模拟量：模拟量：u uo oK(DK(D3 32 23 3D D2 22 22 2D D1 12 21 1D D0 02 20 0) )1010u uo oK(1K(12 23 31 12 22 20 02 21 11 12 20 0) )10 10

3、(K (K为比例系数为比例系数) )第4页/共70页第四页，共70页。2022-5-105图8-1n位D/A转换器方框图 第5页/共70页第五页，共70页。2022-5-1061. 电路组成电路由解码(jim)网络、模拟开关、求和放大器和基准电源组成。图8-2 倒T型电阻(dinz)网络DAC原理图 基准参考电压 双向模拟开关D1时接运放D0时接地R2R倒T形电阻解码网络 求和集成运算放大器 第6页/共70页第六页，共70页。2022-5-107 由于集成运算放大器的电流求和点为虚地，所以每个2R电阻的上端都相当于接地(jid)，从网络的A、B、C点分别向右看的对地电阻都是2R。第7页/共70

4、页第七页，共70页。2022-5-108 因此流过四个2R电阻的电流(dinli)分别为I/2、I/4、I/8、I/16。电流(dinli)是流入地，还是流入运算放大器，由输入的数字量Di通过控制电子开关Si来决定。故流入运算放大器的总电流(dinli)为：0123D16ID8ID4ID2II第8页/共70页第八页，共70页。2022-5-109由于从UREF向网络看进去的等效电阻(dinz)是R，因此从UREF流出的电流为： RIREFU第9页/共70页第九页，共70页。2022-5-1010故 ：)2D2D2D2(DR2UI001122334REF第10页/共70页第十页，共70页。202

5、2-5-1011因此(ync)输出电压可表示为 ：第11页/共70页第十一页，共70页。2022-5-1012由此可见，输出模拟(mn)电压uO与输入数字量D成正比，实现了数模转换。 对于(duy)n位的倒T形电阻网络DAC，则 ：第12页/共70页第十二页，共70页。2022-5-1013电路特点： （1）解码网络仅有R和2R两种规格(gug)的电阻，这对于集成工艺是相当有利的； （2）这种倒T形电阻网络各支路的电流是直接加到运算放大器的输入端，它们之间不存在传输上的时间差，故该电路具有较高的工作速度。 因此(ync)，这种形式的DAC目前被广泛的采用。第13页/共70页第十三页，共70页。

6、2022-5-10141.分辨率 分辨率是指输出电压的最小变化量与满量程输出电压之比。 输出电压的最小变化量就是(jish)对应于输入数字量最低位为1，其余各位均为0时的输出电压。 满量程输出电压就是(jish)对应于输入数字量全部为1时的输出电压。 对于n位D/A转换器，分辨率可表示为： 分辨率 121n 位数越多，能够分辨(fnbin)的最小输出电压变化量就越小，分辨(fnbin)率就越高。也可用位数n来表示分辨(fnbin)率。第14页/共70页第十四页，共70页。2022-5-1015 D/A转换器从输入数字量到转换成稳定的模拟输出电压所需要(xyo)的时间称为转换速度。 不同的DAC

7、其转换速度也是不相同的，一般约在几微秒到几十微秒的范围内。 第15页/共70页第十五页，共70页。2022-5-1016 转换精度是指电路实际输出的模拟电压(diny)值和理论输出的模拟电压(diny)值之差。通常用最大误差与满量程输出电压(diny)之比的百分数表示。通常要求D/A转换器的误差小于ULSB/2。 例如，某D/A转换器满量程输出电压(diny)为10V，如果误差为1%，就意味着输出电压(diny)的最大误差为0.1V。百分数越小，精度越高。 转换精度是一个综合指标，包括零点误差、增益误差等，它不仅与D/A转换器中元件参数的精度有关，而且还与环境温度、集成运放的温度漂移以及D/A

8、转换器的位数有关。第16页/共70页第十六页，共70页。2022-5-1017 通常把D/A转换器输出电压值与理想输出电压值之间偏差的最大值定义为非线性误差。 D/A转换器的非线性误差主要由模拟(mn)开关以及运算放大器的非线性引起。 在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化而变化的量，称为DAC的温度系数。 一般用满刻度的百分数表示温度每升高一度输出电压变化的值。 第17页/共70页第十七页，共70页。2022-5-1018 常用的集成(j chn)DAC有AD7520、DAC0832、DAC0808、DAC1230、MC1408、AD7524等，这里仅对AD7520作简要介绍。 1、 D

9、/A转换器DAC0832 DAC0832是常用的集成DAC，它是用CMOS工艺制成的双列直插式单片八位DAC，可以直接(zhji)与Z80、8080、8085、MCS51等微处理器相连接。其结构框图和管脚排列图如图7.1所示。 第18页/共70页第十八页，共70页。2022-5-1019图 8.5D7D6D5D4D3D2D1D0D7Q7D78位输入锁存器DAC寄存器Q78位DACLE1LE1ILE(a)CSWR1WR2XFERUREFIOUT2IOUT1RfbAGNDVCCDGND1234567891011121314151617181920DAC0832(b)CSWR1AGNDD3D2D1D

10、0UREFRfbDGNDIOUT2VCCILEWR2XFERD4D5D6D7IOUT1第19页/共70页第十九页，共70页。2022-5-1020第20页/共70页第二十页，共70页。2022-5-1021FERX1WR2WRCS第21页/共70页第二十一页，共70页。2022-5-1022第22页/共70页第二十二页，共70页。2022-5-1023D7D6RfbIOUT1IOUT2选 通 1选 通 2WR2WR1 5 VVC CILEUR EFAGNDDGNDCSXFER(a )RFUD7D6RfbIOUT1IOUT2选 通 1选 通 2WR2WR1 5 VVC CILEUR EFAGND

11、DGNDCSXFER(b )RFUD0D0D7D6RfbIOUT1IOUT2WR2WR1 5 VVC CILEUR EFAGNDDGNDCSXFER(c)RFUD0第23页/共70页第二十三页，共70页。2022-5-1024功能功能 说明说明数据输入数据输入D7D0到寄存器到寄存器01WR1=0时存入数据时存入数据WR2=1时锁定时锁定数据有寄存器数据有寄存器1转转送寄存器送寄存器20WR2=0时存入数据时存入数据WR2=1时锁定时锁定从输出端去模拟从输出端去模拟量量无控制信号，随时无控制信号，随时可取可取CSILE1WRFERX2WR 双缓冲器型如图7.2(a)所示。首先 接低电平，将输入

12、(shr)数据先锁存在输入(shr)寄存器中。当需要D/A转换时，再将接低电平， 将数据送入DAC寄存器中并进行转换，工作方式为两级缓冲方式。 CS2WR第24页/共70页第二十四页，共70页。2022-5-10251WR第25页/共70页第二十五页，共70页。2022-5-10262. D/A2. D/A转换器转换器AD7520 AD7520 AD7520AD7520是是1010位的位的D/AD/A转换集成芯片，与微处理器转换集成芯片，与微处理器完全完全(wnqun)(wnqun)兼容。该芯片以接口简单、转换控制兼容。该芯片以接口简单、转换控制容易、通用性好、性能价格比高等特点得到广泛的容易

13、、通用性好、性能价格比高等特点得到广泛的应用。应用。 第26页/共70页第二十六页，共70页。2022-5-1027图8-3 AD7520内部(nib)逻辑结构图该芯片只含倒T形电阻网络、电流开关和反馈电阻，不含运算放大器，输出端为电流输出。具体使用(shyng)时需要外接集成运算放大器和基准电压源。第27页/共70页第二十七页，共70页。2022-5-1028图8-4 AD7520外引脚图 D0D9：数据输入端：数据输入端IOUT1：电流输出端：电流输出端1IOUT2：电流输出端：电流输出端2Rf：10K反馈电阻反馈电阻(dinz)引引出端出端Vcc：电源输入端：电源输入端UREF：基准电压

14、输入端：基准电压输入端GND：地。：地。第28页/共70页第二十八页，共70页。2022-5-1029分辨率：10位线性误差：(1/2)LSB（LSB表示输入数字量最低位），若用输出电压满刻度(kd)范围FSR的百分数表示则为0.05%FSR。转换速度：500ns温度系数：0.001%/AD7520的主要(zhyo)性能参数如下：第29页/共70页第二十九页，共70页。2022-5-103010位二进制加法计数器从全“0”加到全“1”，电路的模拟输出电压(diny)uo由0V增加到最大值。如果计数脉冲不断，则可在电路的输出端得到周期性的锯齿波。 2. 应用举例 （组成(z chn)锯齿波发生器

15、） 图8-5AD7520组成(z chn)的锯齿波发生器 图8-6AD7520组成的锯齿波发生器 第30页/共70页第三十页，共70页。2022-5-1031P196P1967.27.27.5(1)7.5(1)7.77.7第31页/共70页第三十一页，共70页。2022-5-1032第32页/共70页第三十二页，共70页。2022-5-1033A/D转换目标(mbio)：将时间连续、幅值也连续的模拟信号转换为时间离散、幅值也离散的数字信号。四个步骤：采样、保持、量化、编码。 1. 采样与保持 （1）将一个时间上连续变化的模拟量转换成时间上离散的模拟量称为采样。 第33页/共70页第三十三页，共

16、70页。2022-5-1034图7-7 采样(ci yn)过程示意图 取样定理：设取样脉冲s(t)的频率为fS，输入模拟信号x(t)的最高频率分量(fn ling)的频率为fmax，必须满足 fs 2fmaxy(t)才可以正确的反映输入信号(从而能不失真地恢复原模拟信号)。通常(tngchng)取fs （2.53）fmax 。 第34页/共70页第三十四页，共70页。2022-5-1035 （2）由于A/D转换需要(xyo)一定的时间，在每次采样以后，需要(xyo)把采样电压保持一段时间。 s(t)有效期间(qjin)，开关管VT导通，uI向C充电，uO (=uc)跟随uI的变化而变化；s(t

17、)无效期间(qjin)，开关管VT截止，uO (=uc)保持不变，直到下次采样。（由于集成运放A具有很高的输入阻抗，在保持阶段，电容C上所存电荷不易泄放。） 图7-8 采样保持电路及输出(shch)波形第35页/共70页第三十五页，共70页。2022-5-1036数字量最小单位所对应的最小量值叫做量化单位。将采样保持电路的输出电压归化为量化单位的整数倍的过程叫做量化。用二进制代码来表示各个量化电平的过程，叫做编码。一个(y )n位二进制数只能表示2n个量化电平，量化过程中不可避免会产生误差，这种误差称为量化误差。量化级分得越多（n越大），量化误差越小。 第36页/共70页第三十六页，共70页。

18、2022-5-1037划分量化电平的两种方法(fngf)（a）量化误差大；（b）量化误差小 第37页/共70页第三十七页，共70页。2022-5-1038 直接A/D转换器：并行比较型A/D转换器 逐次比较型A/D转换器 间接(jin ji)A/D转换器：双积分型A/D转换器 电压转换型A/D转换器 1. 逐次(zh c)比较型A/D转换器天平称重过程：砝码（从最重到最轻），依次比较，保留/移去，相加。 逐次比较思路：不同的基准电压砝码。 第38页/共70页第三十八页，共70页。2022-5-1039图7-9 逐次逼近型ADC电路(dinl)框图 CPD n - 1D n - 2 D n -3

19、D1D0u0 (V)uIuO？01 0 0 000.5UREF1（D n-1为1）/0（D n-1为0）1D n-1 1 0 000.75/0.25UREF1（D n-2为1）/0（D n-2为0）2D n-1 D n-2 1 001（D n-3为1）/0（D n-3为0）n-1D n-1D n-2 D n-3D111（D 0为1）/0（D 0为0）基准(jzhn)电压UREFn位A/D转换器 电路由启动(qdng)脉冲启动(qdng)后:第39页/共70页第三十九页，共70页。2022-5-10408位A/D转换器，输入(shr)模拟量uI=6.84V，D/A转换器基准电压 UREF=10V

20、。相对误差(xin du w ch)仅为0.06%。转换精度取决于位数。CPD7D6D5D4D3D2D1D0u0 (V)uIuO010000000511110000007.502101000006.2513101100006.87504101010006. 562515101011006.7187516101011106.79687517101011116.83593751uIuO为1否则为0 第40页/共70页第四十页，共70页。2022-5-1041图7-10 8位逐次(zh c)比较型A/D转换器波形图 第41页/共70页第四十一页，共70页。2022-5-1042 基本原理：对输入模拟

21、电压uI和基准电压-UREF分别进行积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔T2，然后在这个时间间隔里对固定(gdng)频率的时钟脉冲计数，计数结果N就是正比于输入模拟信号的数字量信号。 （1）电路(dinl)组成第42页/共70页第四十二页，共70页。2022-5-1043图7-11 双积分(jfn)型ADC电路 积分器： Qn=0，对被测电压(diny)uI进行积分； Qn=1，对基准电压(diny)-UREF进行积分。 检零比较(bjio)器C：当uO0时，uC0； 当uO0时，uC1。 计数器：为n1位异步二进制计数器。第一次计数，是从0开始直到2n对CP脉冲计数，形成固定时间

22、T12nTc（Tc为CP脉冲的周期），T1时间到时Qn1，使S1从A点转接到B点。第二次计数，是将时间间隔T2变成脉冲个数N保存下来。 时钟脉冲控制门G1：当uC =1时，门G1打开，CP脉冲通过门G1加到计数器输入端。第43页/共70页第四十三页，共70页。2022-5-1044积分器： Qn=0，对被测电压uI进行积分；Qn=1，对基准电压-UREF进行积分。检零比较器C：当uO0时，uC0；当uO0时，uC1。 计数器：为n1位异步二进制计数器。第一次计数，是从0开始直到2n对CP脉冲计数，形成固定时间(shjin)T12nTc（Tc为CP脉冲的周期），T1时间(shjin)到时Qn1，

23、使S1从A点转接到B点。第二次计数，是将时间(shjin)间隔T2变成脉冲个数N保存下来。时钟脉冲控制门G1：当uC =1时，门G1打开，CP脉冲通过门G1加到计数器输入端。 （1）电路(dinl)组成第44页/共70页第四十四页，共70页。2022-5-1045 （2）工作(gngzu)原理 图7-12 双积分(jfn)型ADC的工作波形 先定时（T1）对uI正向(zhn xin)积分，得到Up，UpuI； 再对UREF积分，积分器的输出将从Up线性上升到零。这段积分时间是T2，T2UpuI； 在T2期间内计数器对时钟脉冲CP计得的个数为N，NT2UpuI 。 由于这种转换需要两次积分才能实

24、现，因此称该电路为双积分型ADC。 第45页/共70页第四十五页，共70页。2022-5-1046 准备(zhnbi)阶段：转换控制信号CR0，将计数器清0，并通过G2接通开关S2，使电容C放电；同时，Qn0使S1接通A点。第46页/共70页第四十六页，共70页。2022-5-1047 采样阶段：当t0时，CR变为高电平，开关S2断开(dun ki)，积分器从0开始对uI积分，积分器的输出电压从0V开始下降，即tIOdtuRCu01第47页/共70页第四十七页，共70页。2022-5-1048第48页/共70页第四十八页，共70页。2022-5-1049设UI为输入电压(diny)在T1时间间

25、隔内的平均值，则第一次积分结束时积分器的输出电压(diny)为 ICnIIPURCTURCTdtuRCUT21101第49页/共70页第四十九页，共70页。2022-5-1050tREFICnREFPOtRCUURCTdtURCUu02)(1第50页/共70页第五十页，共70页。2022-5-1051当tt2时，uO正好过零，uC翻转为0，G1关闭(gunb)，计数器停止计数。在T2期间计数器所累计的CP脉冲的个数为N，且有T2NTC。 第51页/共70页第五十一页，共70页。2022-5-1052 若以t1算作0时刻，当tT2时，积分器的输出(shch)uO0，此时则有第52页/共70页第五

26、十二页，共70页。2022-5-1053ICnREFURCTTRCU22IREFCnUUTT22可见(kjin)，T2UI。 由于(yuy)T12nTc，所以有IREFUUTT12第53页/共70页第五十三页，共70页。2022-5-1054 结论(jiln)：可见，NUIuI，实现(shxin)了A/D转换，N为转换结果。 IREFnCUUTTN22 第一，如果减小uI（即图7-12中的uI），则当tT1时，uOUp，显然UpUp，从而有T2T2； 第二，T1的时间长度与uI的大小无关，均为2nTc； 第三，第二次积分的斜率是固定的，与Up的大小无关。 由于(yuy)T2NTc，所以 第54

27、页/共70页第五十四页，共70页。2022-5-1055 优点1：抗干扰能力强。积分(jfn)采样对交流噪声有很强的抑制能力；如果选择采样时间T1为20ms的整数倍时，则可有效地抑制工频干扰。 缺点：转换速度较慢。完成一次A/D转换至少需要（T1T2）时间，每秒钟一般只能转换几次到十几次。因此它多用于精度(jn d)要求高、抗干扰能力强而转换速度要求不高的场合。 优点2：具有良好的稳定性，可实现(shxin)高精度。由于在转换过程中通过两次积分把UI和UREF之比变成了两次计数值之比，故转换结果和精度与R、C无关。第55页/共70页第五十五页，共70页。2022-5-10561.分辨率 分辨率

28、是指A/D转换器输出数字量的最低位变化一个数码时，对应输入模拟量的变化量。 通常以ADC输出数字量的位数表示分辨率的高低，因为位数越多，量化单位就越小，对输入信号的分辨能力也就越高。 例如(lr)，输入模拟电压满量程为10V，若用8位ADC转换时，其分辨率为10V/2839mV，10位的ADC是9.76mV，而12位的ADC为2.44mV。 第56页/共70页第五十六页，共70页。2022-5-10572. 转换转换(zhunhun)误差误差 转换误差表示A/D转换器实际(shj)输出的数字量与理论上的输出数字量之间的差别。通常以输出误差的最大值形式给出。 转换误差也叫相对精度或相对误差。转换

29、误差常用最低有效位的倍数表示。 例如某ADC的相对精度为(1/2)LSB，这说明理论上应输出的数字量与实际(shj)输出的数字量之间的误差不大于最低位为的一半。 第57页/共70页第五十七页，共70页。2022-5-10583. 转换(zhunhun)速度 完成一次A/D转换所需要的时间(shjin)叫做转换时间(shjin)，转换时间(shjin)越短，则转换速度越快。 双积分ADC的转换时间(shjin)在几十毫秒至几百毫秒之间； 逐次比较型ADC的转换时间(shjin)大都在1050s之间； 并行比较型ADC的转换时间(shjin)可达10ns。 第58页/共70页第五十八页，共70页。

30、2022-5-1059 集成A/D转换器规格(gug)品种繁多，常见的有ADC0804、ADC0809、MC14433等。 1. ADC0809 A/D转换器 ADC0809是一种逐次(zh c)比较型A/D转换器。 第59页/共70页第五十九页，共70页。2022-5-1060第60页/共70页第六十页，共70页。2022-5-1061集成集成ADC0809电路电路(dinl)的内部结构框图的内部结构框图 第61页/共70页第六十一页，共70页。2022-5-1062 ADC0809的管脚排列的管脚排列(pili)图图第62页/共70页第六十二页，共70页。2022-5-1063第63页/共70页第六十三页，共70页。2022-5-1064第64页/共70页第六十四页，共70页。2022-5-1065例：例：ADC0809实训线路实训线路(xinl) 第65页/共70页第六十五页，共70页。2022-5-1066（1）8路输入模拟信号路输入模拟信号1V4.5V，由，由+5V电电源经电阻源经电阻R分压组成；