章模拟量和数字量的转换实用教案

1、会计学1章模拟量和数字章模拟量和数字(shz)量的转换量的转换第一页，共23页。2 数数/模与模模与模/数转换器是计算机与外部设备数转换器是计算机与外部设备(wi b sh bi)的重要接口的重要接口,也是数字测量和数字控制也是数字测量和数字控制系统的重要部件。系统的重要部件。D/A （数（数/模）转换器：模）转换器：能将数字能将数字(shz)量转换为模拟量量转换为模拟量的装置。的装置。A/D （模（模/数）转换器：数）转换器：能将模拟量转换为数字能将模拟量转换为数字(shz)量量的装置。的装置。概述概述第1页/共23页第二页，共23页。3D/A （数（数/模）转换器：模）转换器：(DAC)输

2、入输入(shr)：n位二位二进制数进制数N输出输出(shch)：与输入二进制数：与输入二进制数N成正比的模拟成正比的模拟信号（电压或电流）信号（电压或电流）A（N）2=d n-12 n-1 + d n-22 n-2 + + d 12 1 + d 02 0 A=KN=K（d n-12 n-1 + d n-22 n-2 + + d 12 1 + d 02 0 ）由于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”，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，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“权权”转换成相应的模拟量，然后再将代表转换成相应的模拟

3、量，然后再将代表(dibio)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D/A变换器的基本思想。变换器的基本思想。12.1 D/A 转换器转换器第2页/共23页第三页，共23页。4模拟电子模拟电子(dinz)开关开关倒梯形电阻倒梯形电阻(dinz)网络网络运放运放(yn fn)倒梯形电阻网络倒梯形电阻网络DACd0d1d2d3+-AuoRFIOIO1+URRS2S3S1001RR2R2R2R2R2RS000111IR电路电路：基准电压源基准电压源待转换数字量待转换数字量12.1.1 D/A转换器的组成和工作原理转换器

4、的组成和工作原理1、D/A转换器组成转换器组成第3页/共23页第四页，共23页。5+-AuoRFIOIO1+URRS2S3S1001RR2R2R2R2R2RS000111IRd0d1d2d3di为为1 Si与运放的反相输入与运放的反相输入(shr)端连接端连接 uo = -IO1 RFdi为为0 Si与地连接与地连接(linji)IO1 =？与哪些与哪些(nxi)量量有关？有关？2. D/A转换器的原理转换器的原理第4页/共23页第五页，共23页。6倒梯形电阻倒梯形电阻(dinz)网络网络RI2I3I1RR2R2R2R2R2RI0+URIR00 11 22 33 RRRRIR = UR /RI

5、3 = IR 21 =21URRI2 = IR 41 =22URRI1 = IR 81 =23URRI0 = IR 161 =24URRIO1IO1=d3I3+ d2I2+ d1I1+ d0I0第5页/共23页第六页，共23页。7+-AuoRFIOIO1+URRS2S3S1001RR2R2R2R2R2RS000111IRd0d1d2d3IO1=d3I3+ d2I2+ d1I1+ d0I0I1I2I3I0= （d323+ d2 22 + d1 21 + d0 20）24URRUO1=-IO1RF= （d323+ d2 22 + d1 21 + d0 20）24UR RFR第6页/共23页第七页，

6、共23页。8UO1=-IO1RF= （d323+ d2 22 + d1 21 + d0 20）24UR RFR若为若为(ru wi)n位二进制数，则位二进制数，则UO1= （dn-12n-1+ dn-2 2n-2 + + d0 20）2nUR RFR若若RF=R，则，则UO1= （dn-12n-1+ dn-2 2n-2 + + d0 20） 2nUR即输出电压的大小正比即输出电压的大小正比(zhngb)于输入于输入二进制数的大小，实现了数字量和模拟量二进制数的大小，实现了数字量和模拟量的转换的转换第7页/共23页第八页，共23页。9集成集成(j chn)DAC集成集成(j chn)DAC的种类

7、：的种类：按电路按电路(dinl)结构分：结构分：权电阻权电阻DAC、梯形、梯形DAC 、倒、倒T形形DAC等等按输入二进制数位数分：按输入二进制数位数分：八位、十位八位、十位 、十二位、十六位等、十二位、十六位等例：例：AD7520：十位倒十位倒T形电阻网络形电阻网络DAC第8页/共23页第九页，共23页。10特点特点(tdin)：管脚排列管脚排列(pili)及外接电路：及外接电路：运算运算(yn sun)放大器外接放大器外接5G752012345678910111213141516d0d1d2d3d4d9d8d7d6d5GND+UDD321511614正电源端正电源端接地端接地端413十位

8、数字量输入端十位数字量输入端模拟电流模拟电流IO1输出端输出端模拟电流模拟电流IO2输出端，一般接地输出端，一般接地参考电压接线端，参考电压接线端，UR可正可负可正可负内部电阻内部电阻RF的引出端，另一端在芯片内部接的引出端，另一端在芯片内部接IO1端端 uo UR第9页/共23页第十页，共23页。11指最小输出指最小输出(shch)电压和最大输出电压和最大输出(shch)电压之比。电压之比。 有时有时(yush)也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。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、转换(zhunhun)精精度度指输出模拟电压的实际值与理想值之差。即最大静态

9、转换误差。指输出模拟电压的实际值与理想值之差。即最大静态转换误差。如十位如十位DAC分辨率：分辨率：210-11=102313、输出电压、输出电压( 电流电流 )的建立时间的建立时间 从输入数字信号起，到输出模拟电压或电流所需时间。从输入数字信号起，到输出模拟电压或电流所需时间。12.1.2 D/A转换器的转换器的主要技术指标主要技术指标 4、电源抑制比、电源抑制比指输出电压的变化和相对应的电源电压变化之比。指输出电压的变化和相对应的电源电压变化之比。第10页/共23页第十一页，共23页。1212.2 A/D 转换器转换器 模拟量转换成数字模拟量转换成数字(shz)量的量的电路。电路。A/D转

10、换器转换器输入输入(shr)：连续连续(linx)变化的模拟量变化的模拟量输出：输出：大小与输入模拟量成正比的数字量大小与输入模拟量成正比的数字量第11页/共23页第十二页，共23页。13 其工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明。若其工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明。若有四个砝码有四个砝码(f m)共重共重15克，每个重量分别为克，每个重量分别为8、4、2、1克。设待秤重量克。设待秤重量Wx = 13克，可以用下表克，可以用下表步骤来秤量：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 ，

11、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 克克12 克克12 克克13 克克 结结 论论12.2.1 逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器基本组成转换器基本组成(z chn)和工作原理和工作原理第12页/共23页第十三页，共23页。14顺序脉冲发生器顺序脉冲发生器逐次逼近寄存器逐次逼近寄存器DAC电压比较器电压比较器输出输出(shch)数字量数字量输入输入(shr)电压量电压量顺序顺序(shnx)脉冲发生器脉冲发生器产生使电路按一定节拍工作的顺序脉冲产生使电路按一定节拍工作的顺序脉冲逐次逼近

12、寄存器逐次逼近寄存器由双稳态触发器构成。先在顺序脉冲的作用下，由高到低依次将各位置由双稳态触发器构成。先在顺序脉冲的作用下，由高到低依次将各位置“1”，再根据比较器的输出决定该，再根据比较器的输出决定该“1”的取舍。的取舍。数摸转换器数摸转换器 将逐次逼近寄存器输出的二进制数转换为模拟电压量将逐次逼近寄存器输出的二进制数转换为模拟电压量电压比较器电压比较器 将将DAC输出的模拟电压量与待转换的模拟电压量比较，以确定逐次逼近寄存器中该位的取舍输出的模拟电压量与待转换的模拟电压量比较，以确定逐次逼近寄存器中该位的取舍1. 基本组成基本组成第13页/共23页第十四页，共23页。15置数控制逻辑电路置

13、数控制逻辑电路 逐次逼近寄存器逐次逼近寄存器 D/A转换器转换器 +-AUx数字数字(shz)量输出量输出Uod0d1dn-1原理图原理图设欲转换设欲转换(zhunhun)量量UX1）给逐次逼近）给逐次逼近(bjn)寄存器清零；寄存器清零；2）将逐次逼近寄存器最高位置）将逐次逼近寄存器最高位置“1”；即；即dn-1=1；3）DAC将逐次逼近寄存器输出的数字量转换为模拟量将逐次逼近寄存器输出的数字量转换为模拟量UO；4）当）当UO UX ，置数控制逻辑电路使该位，置数控制逻辑电路使该位“1”去掉；去掉； 5）将逐次逼近寄存器次高位置）将逐次逼近寄存器次高位置“1”；即；即dn-2=1；直至确定直

14、至确定d02.工作原理工作原理第14页/共23页第十五页，共23页。16置数控制逻辑电路置数控制逻辑电路 逐次逼近寄存器逐次逼近寄存器 D/A转换器转换器 +-AUx数字量输出数字量输出Uod0d1dn-1例：四位逐次逼近例：四位逐次逼近DAC已知：已知：UX=5.52VDAC的的UR=8V试分析转换过程。试分析转换过程。1）清零）清零(qn ln)： d3 d2 d1 d0=0000 2）将最高位置）将最高位置(wi zhi)“1”；即；即d3 d2 d1 d0=1000 ；3）DAC将逐次逼近寄存器输出的数字将逐次逼近寄存器输出的数字(shz)量量1000转换为模拟量转换为模拟量UO；4）

15、UO UX ，置数控制逻辑电路，置数控制逻辑电路(lu j din l)使使d2=1去掉，使去掉，使d2=0 ； UO=8/16（ 123+ 1 22 + 0 21 + 0 20 ）=6Vd3 d2 d1 d0=10008）将）将d1置置“1”；即；即d3 d2 d1 d0=1010 ；10）UO UX ，置数控制逻辑电路，置数控制逻辑电路(lu j din l)使使d1=1保留；保留； UO=8/16（ 123+ 0 22 + 1 21 + 0 20 ）=5Vd3 d2 d1 d0=10109）DAC将逐次逼近寄存器输出的数字量将逐次逼近寄存器输出的数字量1010转换为模拟量转换为模拟量UO

16、；第16页/共23页第十七页，共23页。1811）将）将d0置置“1”；即；即d3 d2 d1 d0=1011；10）UO UX ，置数控制逻辑电路，置数控制逻辑电路(lu j din l)使使d0=1保留；保留； UO=8/16（ 123+ 0 22 + 1 21 + 1 20 ）=5.5Vd3 d2 d1 d0=101112）DAC将逐次逼近寄存器输出将逐次逼近寄存器输出(shch)的数字量的数字量1011转换为模拟量转换为模拟量UO；ADCUX=5.52Vd3 d2 d1 d0=1011转换误差转换误差(wch)=0.02V，输出位数越多，误差，输出位数越多，误差(wch)越小越小第17

17、页/共23页第十八页，共23页。19 2、相对、相对(xingdu)精度精度： 以输出以输出(shch)二进制代码的位数表示分二进制代码的位数表示分辨率。位数越多，量化误差越小，转换精度辨率。位数越多，量化误差越小，转换精度越高越高完成一次完成一次A/D转换所需要的时间。即从它接到转换转换所需要的时间。即从它接到转换命令起直到输出端得到稳定命令起直到输出端得到稳定(wndng)的数字量输的数字量输出所需要的时间出所需要的时间实际转换值和理想特性之间的最大偏差实际转换值和理想特性之间的最大偏差1、分辨率：、分辨率：3、转换速度：、转换速度：4、其它：电源抑制、功率、电压范围等。、其它：电源抑制、

18、功率、电压范围等。 12.2.2 A/D转换器转换器 的主要技术指标的主要技术指标第18页/共23页第十九页，共23页。20ADC0809 是八通道是八通道(tngdo)八位逐次八位逐次逼近型模数逼近型模数 转换器。转换器。 A/D变换组件也有多种型号可供选择，使用变换组件也有多种型号可供选择，使用者可根据任务要求进行者可根据任务要求进行(jnxng)选择。下面以选择。下面以 ADC0809 为例为例 ，介绍集成电路，介绍集成电路A/D变换器。变换器。集成集成(j chn)ADCADC0809 是是28脚双列直插式模数转换器脚双列直插式模数转换器第19页/共23页第二十页，共23页。21八通道八通道(tngdo)模拟量输入模拟量输入结构结构(jigu)框图框图8选选1 模拟量选择器模拟量选择器8位逐次逼近位逐次逼近ADC三态输出锁