第八章数模与模数变换器

第八章数模与模数变换器第一页，共四十二页，2022年，8月28日数/模与模/数变换器是计算机与外部设备的重要接口,也是数字测量和数字控制系统的重要部件。数/模变换器：能将数字量转换为模拟量的装置，简称D/A变换器。下面，对这两种器件的工作原理及其简单应用做一些介绍。§８.1概述模/数变换器：能将模拟量转换为数字量的装置，简称A/D变换器。第二页，共四十二页，2022年，8月28日§８.2D/A变换器D/A变换器的基本思想：由于构成数字代码的每一位都有一定的“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“权”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量成正比的模拟量。D/A变换器的电路形式很多，下面只介绍三种。第三页，共四十二页，2022年，8月28日８.2.1权电阻D/A变换器变换器组成：“电子模拟开关”、“权电阻求和网络”、“运算放大器”和“基准电源”等部分。++-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RF=5kD3D2D1D00011UREFR=80

k第四页，共四十二页，2022年，8月28日电子模拟开关(S0~S3)：是受二进制数D0~D3控制并由电子器件构成的开关。当DK

＝1时，则开关SK接到位置1上，将基准电源UREF经电阻Rk引起的电流接到运算放大器的虚地点；当Dk＝0时，开关Sk

接到位置0，将相应电流直接接地而不进运放。++-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RF=5kD3D2D1D00011UREFR=80

k第五页，共四十二页，2022年，8月28日模拟电子开关的简化原理电路当D=1时，T2管饱和导通，T1管截止，则S与a点通；当D=0时，T1管饱和导通，T2管截止，则S被接地。前者相当于开关S接到“1”端，后者则相当于开关S接到“0”端。T1T2SDa第六页，共四十二页，2022年，8月28日根据反相比例运算公式可得：++-AuoS1S0RR/2R1R0RF=5kD3D2D1D011UREFR=80

k第七页，共四十二页，2022年，8月28日第八页，共四十二页，2022年，8月28日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二进制数的大小成正比，从而实现了数字量到模拟量的转换。++-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RF=5kD3D2D1D00011UREFR=80

k第九页，共四十二页，2022年，8月28日８.2.2倒T形解码网络D/A变换器由于解码网络的电路结构和参数匹配，使得上图中D、C、B、A四点的电位逐位减半，输入数字量和输出模拟电压uo

之间的关系:uo++-AS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0RFD3D2D1D00011

UREF2RRRRI3I2I1I0IABCD第十页，共四十二页，2022年，8月28日UD

=UREFUC=UREF/2UB=UREF/4UA=UREF/8即：因此，每个2R支路中的电流也逐位减半。uo++-AS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0RFD3D2D1D00011

UREF2RRRRI3I2I1I0IABCD第十一页，共四十二页，2022年，8月28日uo++-AS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0RFD3D2D1D00011

UREF2RRRRI3I2I1I0IABCD第十二页，共四十二页，2022年，8月28日++-ARF

UREF2RD3D2D1D0S3RS2S1S02R2R2R2R11I0I2RRRI1I2I3秦曾煌书上画的倒T形电阻网络数模转换器，工作原理与前图同。第十三页，共四十二页，2022年，8月28日８.2.3T形解码网络D/A变换器(以4位为例)S2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0++-ARFD3D2D1D00011

UREF2RRRR2R因电流建立时间较长，这种结构已少采用。第十四页，共四十二页，2022年，8月28日D/A变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。有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。一、分辨率二、线性度通常用非线性误差的大小表示D/A变换器的线性度。把偏离理想的输入－输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数定义为非线性误差。三、输出电压(电流)的建立时间第十五页，共四十二页，2022年，8月28日８.2.4集成电路D/A变换器DAC0832及其应用D/A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D/A变换器。DAC0832：是八位的D/A变换器，即在对其输入八位数字量后，通过外接的运算放大器，可以获得相应的模拟电压值。第十六页，共四十二页，2022年，8月28日DAC0832简化电路框图八位寄存器(1)输入八位寄存器(2)输入八位变换器－＋＋URRfbIout1Iout2AGNDUCCuoDGND&ILECSWR1WR2XFERD/AD7D0......11第十七页，共四十二页，2022年，8月28日DAC0832管脚分布图CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCURRfbDGNDLCEXFERIout1Iout21234567891019181716151413121120第十八页，共四十二页，2022年，8月28日例1：单步输入操作-----适用于单个DAC工作ILEWR2WR1CSXFERRfbD0D7Iout2Iout1-++...1(a)D7~D0CSWR1数据存入数据锁定(b)第十九页，共四十二页，2022年，8月28日§８.3A/D变换器A/D变换器的功能：将模拟量转换成数字量。它是模拟信号和数字仪器的接口。下面介绍两种A/D变换电路的原理和一种常用的集成电路组件。最后举例说明其应用。根据其性能不同，A/D变换器的类型也比较多。第二十页，共四十二页，2022年，8月28日８.3.1并联比较型-++-++-++-++-++-++-++uxERRRRRRRRD2D1D0数字输出AGFECDB编码器7E/86E/85E/84E/83E/82E/8E/8电路如左图所示。这种A/D变换器的优点是转换速度快；缺点是所需比较器数目多，位数越多矛盾越突出。它由三部分组成:

分压器、比较器和编码器。E---参考电压，ux---要转换的模拟电压第二十一页，共四十二页，2022年，8月28日比较器输入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

>0ABCDEFGD2D0D1编码器输出输入电压ux11111111111111110000111110000000000000000000000000000000001111111111111111111000逻辑状态关系表第二十二页，共四十二页，2022年，8月28日８.3.2逐次逼近型A/D1.工作原理：可用天平秤重过程作比喻来说明。若有四个砝码共重15克，每个重量分别为8、4、2、1克。设待秤重量Wx=13克，可以用下表步骤来秤量：砝码重第一次第二次第三次第四次加4克加2克加1克8克砝码总重<待测重量Wx，故保留砝码总重仍<待测重量Wx，故保留砝码总重>待测重量Wx，故撤除砝码总重＝待测重量Wx，故保留暂时结果8克12克12克13克

结论第二十三页，共四十二页，2022年，8月28日++-++-11控制逻辑时钟CP电阻网络及电子开关数据寄存器移位寄存器八位三态输出锁存器Uin(+)Uin(-)UccUR/2AGND......D7D0WRCSINTRRDCSADC0804内部电路框图2.逐次逼近型电路框图第二十四页，共四十二页，2022年，8月28日８.3.3积分型A/D逻辑控制电路标准脉冲发生器主控门计数器2134第二十五页，共四十二页，2022年，8月28日Tt1t2utUi1Ui2t=标准脉冲周期×脉冲个数T固定不变斜率固定不变积分型A/D的工作原理第二十六页，共四十二页，2022年，8月28日８.3.4压频变换型A/D-UREFSCUOUCUO=“0”,S打开UO=“1”,S闭合第二十七页，共四十二页，2022年，8月28日-UREF0ttuCucT原理图上开关合上是没有电阻的,而实际电路放电总是要时间的.想象一下时间轴的单位是ns就可理解了。第二十八页，共四十二页，2022年，8月28日８.3.5A/D变换器的主要技术指标

一、分辨率：以输出二进制代码的位数表示分辨率。位数越多，量化误差越小，转换精度越高。二、转换速度：完成一次A/D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的数字量输出所需要的时间。三、相对精度：实际转换值和理想特性之间的最大偏差。四、其它：功率、电源电压、电压范围等。第二十九页，共四十二页，2022年，8月28日８.3.6ADC0804及其应用ADC0804：

是分辨率为八位的模数转换组件,采用逐次逼近型工作原理。A/D变换组件也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。使用者可根据任务要求进行选择。下面以ADC0804为例，介绍集成电路A/D变换器。第三十页，共四十二页，2022年，8月28日CSWRAGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUR/2DGND1234567891019181716151413121120RDCLKRCLKinINTRUin(+)Uin(-)ADC0804管脚分布图第三十一页，共四十二页，2022年，8月28日~~转换时间约100微秒~~~~~~~~~~CSWRINTRRD数据读出ADC0804工作时序图第三十二页，共四十二页，2022年，8月28日控制端CSWRRDINTR对输入模拟信号进行A/D变换在WR

上升沿后约100微秒变换完成。RD=0

时三态门接通外部总线,RD=1

时三态门处于高阻态。读出输出数字信号中断请求功能说明00当A/D变换结束时，INTR自动变低以便通知其它设备(如计算机)取结果，在RD

前沿后INTR自动变高。第三十三页，共四十二页，2022年，8月28日A/D变换类型的比较:1.并联型:快转换速度与位数无关,但所用元器件多,功耗大2.逐次比较型:中速

位数越多速度越慢3.双积分型:慢

但精度高,抗干扰能力强同一电路做正反两次积分,消除了电路的线性误差,并且输入信号中的瞬时干扰和高频噪声因积分而被抑制第三十四页，共四十二页，2022年，8月28日4.压频转换型:这种方式的取样电压值是取样时间内的平均值,这样就可以消除掉输入信号所带周期为T/n(n=1,2,3..)对称干扰。所以抗干扰能力比较强。第三十五页，共四十二页，2022年，8月28日有关A/D变换的一些基本概念1.香农定理(采样定理)又称为奈奎斯特准则fs--采样频率(sample)fmax--模拟信号的频谱中最高次谐波的频率-第三十六页，共四十二页，2022年，8月28日2.保持(Hold)由于将一个采样值转换成数字量输出需要时间,所以要将采到的值保持一定的时间,以便能完成转换一般保持到下一个采样