电子技术-数模和模数转换课件

1、第18讲第15章 数模变换器（DAC）、模数变换 器（ADC） 15.1 D/A变换器 15.2 A/D变换器 15.3 计算机数据采集简介引言模拟信号数字信号： A/D转换器 (ADCAnalog Digital Converter)数字信号模拟信号： D/A转换器 (DAC Digital Analog Converter)引言(续): A/D转换器、D/A转换器的应用放大器传感器(温度、压力、流量、应力等）采样/保持器A/D计算机显示器D/A示波器打印机计算机进行各种数字处理（如滤波、计算）、数据保存、打印等显示器显示字符、曲线、图形、图象等15.1 D/A 转换器 (1) D/A功能:

2、 将数字量成正比地转换成模拟量 D/An =4位8位10位12位16位n位数字量模拟量05V或010V15.1.1 D/A转换器原理 D/A 功能(续)4位数据: 0000 0V 1111 5V 分辨率:5V/15=0.333V/每1个最低有效位8位数据: 00000000 0V 11111111 5V 分辨率:5V/255=0.0196V/每1个最低有效位 (2) D/A的组成 由三部分电路组成 电阻网络 模拟电子开关 求和运算放大器 D/A的组成(续)输入4位二进制数输出模拟电压S0S3:模拟电子开关D=0, S倒向地D=1, S倒向VREF电阻网络求和运算放大器VREF2R2R2R2R2

3、RRRR2RS0S1S2S3精密参考电压D0D1D2D3+-3R3R/2UOVREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R+-3R3R/2UO当D3D2D1D0=0000时,S3S2S1S0都倒向地UO=0V (3) D/A转换原理当D3D2D1D0=0000时UO3R2R+-3R/2R等效电路3R0000AV= -1VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R+-3R3R/2UO D/A转换原理(续)当D3D2D1D0=1000时,S2S1S0都倒向地，S3倒向VREFUO3R+-3R/2等效电路2R2RVREF2RRVREF/2UO=-VR

4、EF/2当D3D2D1D0=1000时0001AV= -13RVREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R+-3R3R/2UO D/A转换原理(续)当D3D2D1D0=0100时,S3S1S0都倒向地S2倒向VREF当D3D2D1D0=0100时UO=-VREF/4UO3R+-3R/2等效电路2RRVREF2R2R2R3RVREF/40010AV= -1D/A转换原理(续)VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R+-3R3R/2UO同理可推导，当D3D2D1D0=0010时， UO= VREF/8 当D3D2D1D0=0001时， UO=

5、 VREF/16 D/A转换原理(续)D3D2D1D0=1000时，UO= VREF/2= D3VREF/21D3D2D1D0=0100时，UO= VREF/4= D2VREF/22D3D2D1D0=0010时，UO= VREF/8= D1VREF/23D3D2D1D0=0001时，UO= VREF/16= D0VREF/24根据叠加原理: UO= (D3VREF/21+ D2VREF/22 + D1VREF/23 + D0VREF/24 ) = (D3/21+ D2/22 + D1/23 + D0/24 ) VREF = (VREF /24) (23 D3 + 22 D2+ 21 D1 +

6、20 D0)UO = (VREF /24) (23 D3 + 22 D2+ 21 D1 + 20 D0)D/A转换原理(续)此式表明: D/A电路输出模拟电压UO与输入的 数字量D3D2D1D0成正比15.1.2 8位D/A转换器电路框图8 D 锁存器求和电路电阻网络电子开关UOD7-D0CPVREF15.2 A/D转换器(1)A/D功能: 将模拟电压成正比地转换成数字量A/DUI输入模拟电压D7D0输出数字量0 5V0000000011111111分辨率:5V/255=0.0196V/每1个最低有效位15.2.1 A/D功能及分类(2)A/D转换器分类 并联比较型 特点: 转换速度快,转换时

7、间 10ns 1s 逐次逼近型 特点: 转换速度中,转换时间 几s 100 s 双积分型 特点: 转换速度慢,转换时间 几百s 几ms根据内部电路不同,分为以下三类:15.2.2并联比较型A/D转换器（三位）原理DQDQDQDQDQDQDQ7VR/86VR/85VR/84VR/83VR/82VR/8VR/8VRRRRRRRRRUIUI 6VR/8时，输出=1UI 7VR/8时，输出=1UI 7VR/8时，输出=0UI 6VR/8时，输出=0电压比较器D锁存器编 码 器QBQAQGQFQEQCQDD2D1D0输入模拟电压精密 参考电压精密电阻网络（23个电阻）输出数字量CPUI VR/8时，输出

8、=1UI VR/8时，输出=0并联比较型A/D转换器中的编码器真值表 UI QA QB QC QD QE QF QG D2 D1 D0 6VR/8 UI 5VR/8 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 5VR/8 UI 4VR/8 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 7VR/8 UI 6VR/8 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 VR UI 7VR/8 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4VR/8 UI 3VR/8 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 3VR/8 UI 2VR/8 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 2VR/8 UI VR/8 0 0 0 0 0 0

9、 1 0 0 1 VR/8 UI 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 特点：输入电压UI每增加VR/8 ，输出数字量增加1根据以上真值表设计编码器的组合逻辑电路（设计略）15.3计算机数据采集原理简介A/D转换器内部组成A/D电路模拟输入三态门数字输出寄存器精密稳压电源电源计算机读取命令时序控制电路A/D转换命令（来自计算机）转换完成信号（由计算机检测或申请计算机中断）A/D转换器计算机数据采集原理简介(续)A/D转换器与计算机的连接A/D转换器转换完成信号采样/保持器模拟输入读取数据命令计算机接口A/D板A/D转换命令 模拟输入电压在A/D转换期间应保持不变，否则A/D的输出数据总随

10、输入电压而变，所以需要采样/保持器。计算机数据采集原理简介(续)采样/保持器采样/保持器A/D转换器u1u2模拟输入数字输出A/D转换命令采样/保持器的功能： 在A/D转换期间，使A/D的输入电压u2保持不变。t计算机数据采集原理简介(续)采样/保持器输入输出波形图A/D转换命令高电平期间u2跟随u1低电平期间u2保持不变，同时A/D进行转换u1 输入模拟信号u2采样/保持器输出信号计算机数据采集原理简介(续)采样/保持器电路原理C模拟电子开关电压跟随器电压跟随器采样保持电容输入输出KA/D转换命令高电平期间，K合上，C采样低电平期间，K打开，C保持计算机数据采集原理简介(续)采样周期 采样频率A/D转换命令TT：采样周期，相邻两次采样之间的时间间隔 单位 s，ms，sf=1/T：采样频率，每秒采样的数据个数 单位 Hz A/D转换器将脉冲下降沿时的模拟电压转换为数字量计算机数据采集原理简介(续)在计算机屏幕上波形的恢复显示tt1t2t3t4t5t6t7模拟信号信号幅度时间数字信