合肥工业大学数电课件九数模和模数转换

合肥工业大学数电课件九数模和模数转换16、自己选择的路、跪着也要把它走完。17、一般情况下)不想三年以后的事，只想现在的事。现在有成就，以后才能更辉煌。18、敢于向黑暗宣战的人，心里必须充满光明。19、学习的关键--重复。20、懦弱的人只会裹足不前，莽撞的人只能引为烧身，只有真正勇敢的人才能所向披靡。合肥工业大学数电课件九数模和模数转换合肥工业大学数电课件九数模和模数转换16、自己选择的路、跪着也要把它走完。17、一般情况下)不想三年以后的事，只想现在的事。现在有成就，以后才能更辉煌。18、敢于向黑暗宣战的人，心里必须充满光明。19、学习的关键--重复。20、懦弱的人只会裹足不前，莽撞的人只能引为烧身，只有真正勇敢的人才能所向披靡。九数模和模数转换9.1D/A转换器9.2A/D转换器第九章数模和模数转换模数与数模转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。将模拟量转换为数字量的装置称为模数转换器(简称A/D转换器或ADC)；传感器模拟控制模拟信号数字计算机数字控制数字信号ADCDAC将数字量转换为模拟量的装置称为数模转换器(简称D/A转换器或DAC)理想运算放大器1.理想运算放大器Auo

，rid，ro02.电压传输特性uo=f(ui)线性区：uo

=Auo(u+–u–)非线性区：u+>u–

时，uo=+Uo(sat)

u+<u–

时，uo=–Uo(sat)

uo++u+u––

Auo越大，运放的线性范围越小，必须加负反馈才能使其工作于线性区。3.理想运放工作在线性区的特点因为uo

=Auo(u+–

u–

)所以(1)差模输入电压约等于0即u+=u–

,称“虚短”(2)输入电流约等于0

即i+=i–0,称“虚断”

电压传输特性++∞uou–u+i+i––

u+–u–

uo线性区–Uo(sat)+Uo(sat)O9.1D/A转换器9.1.1权电阻型D/A转换器反相比例运算电路T型电阻网络+VRS1S3S2S0R0d3d2d1d00110Vo++-ARF0011+–R1R2R3I0I1I2I3IIFR，输入数字量D模拟量输出输出的模拟量应正比于输入的数字量Vo=VR·D基准电压S1S3S2S0R0d3d2d1d00110Vo++-ARF0011+–R1R2R3I0I1I2I3IIFR，9.1D/A转换器9.1.1权电阻型D/A转换器+VRS1S3S2S0R0D3D2D1D00110Vo++-ARF0011+–R1R2R3I0I1I2I3IIFR，电子模拟开关电子模拟开关受数字量控制，Dn若为1，开关接基准电平(“1”)，Dn若为0，接地(“0”)。+VRS1S3S2S0R0D3D2D1D00110Vo++-ARF0011+–R1R2R3I0I1I2I3IIFR，根据叠加原理:I=I3+I2+I1+I0,若现在开关都接“1”,则：若各权电阻按以下规律取值：9.1.1权电阻型D/A转换器+VRS1S3S2S0R0D3D2D1D00110Vo++-ARF0011+–R1R2R3I0I1I2I3IIFR，9.1.1权电阻型D/A转换器+VRS1S3S2S0R0D3D2D1D00110Vo++-ARF0011+–R1R2R3I0I1I2I3IIFR，9.1.1权电阻型D/A转换器1100+VRS1S3S2S0R0D3D2D1D00110Vo++-ARF0011+–R1R2R3I0I1I2I3IIFR，＝0＝0I＝I3+I19.1.2倒T型电阻网络DA转换器Vo++-ARFD3D2D1D0I01S2S3S1S0I3I1I0I22R+VR2R2R2R2RRRRII02IiIF倒T型电阻网络求和运算电路电子模拟开关为了克服权电阻电路难以保证精度问题，常采用倒T型电阻网络D/A转换器。9.1.2倒T型电阻网络DA转换器Vo++-ARFD3D2D1D0I01S2S3S1S02R+VR2R2R2R2RRRRII02IIF由于运放的反相输入端虚地，所以，无论模拟电子开关合向哪一边，T型电阻网络与地之间的等效电路都如下图所示。I/2I/2I/4I/4I/8I/8I/16I/16电路等效电阻为R,所以端口电流I

=VR/R,其余各支路电流分别是I/2、I/4、I/8、I/16。当模拟开关控制端Di为高电平时相应的电子开关Si将该支路的电流引入运放；当控制端为低电平时，对应支路电流直接接地。9.1.2倒T型电阻网络DA转换器Vo++-ARFD3D2D1D0I01S2S3S1S02R+VR2R2R2R2RRRRII02IiIFI/2I/2I/4I/4I/8I/8I/16I/16设输入的二进制数为1010，如图：9.1.2倒T型电阻网络DA转换器Vo++-ARFD3D2D1D0I01S2S3S1S02R+VR2R2R2R2RRRRII02IiIFI/2I/2I/4I/4I/8I/8I/16I/169.1.2倒T型电阻网络DA转换器将倒T型电阻网络扩大到N位9.1.2倒T型电阻网络DA转换器D/A转换器转换器中的模拟电子开关S0～S4的实际电路如图所示图中N沟道管T1、T4、T6、T8、T9的栅极为高电平时导通，P沟道管T2、T3、T5、T7的栅极为低电平时导通。当Di=0时，T2通T1截止，输出高电平T4通，输出低电平T7通，输出高电平T8通，将倒T型电阻网络的电流引向Io2当Di=1时，T1通输出低电平T5通，输出高电平，T9通将倒T型电阻网络的电流引向Io1。A9.1.4集成DA转换器集成D/A转换器AD7520的管脚及内部电路如图所示，它是10位倒T型电阻网络D/A转换器。在下式中N=10，RF=R=10K输入的数字量与输出的模拟量之间的关系如表9.1.1所示。9.1.4集成DA转换器若把倒T型电阻网络作为运放的反馈电阻，如图所示9.1.4集成DA转换器由虚地的概念得：反相比例放大电路A/D转换器的作用是将输入的模拟量转换成相应的数字量A/D转换器组成采样－保持量化编码电路D/A转换器分类并行式逐次逼进式双积分式9.2A/D转换器计数式输入的模拟量通常要先经过采样－保持电路，再送入A/D转换器。9.2.1采样－保持电路所谓采样－保持电路就是在控制信号的作用下，对输入信号进行间歇性采样，并在两次采样之间的时间内保持前一次采样瞬时值的电路。开关驱动电路采样－保持控制信号CPsuiuoS采样采样采样保持保持保持采样采样保持保持uouitt为减小采样信号的失真，采样开关S的控制信号CPs的频率fs必须满足fs≥2fimax。(fimax为输入电压频谱中的最高频率)9.2.2并行A/D转换器分压器比较器寄存器编码器1.分压器分压器由7个电阻串联而成，将基准电压VR分成1/15VR～13/15VR和VR8个参考电压，其中前7个电压分别接的7个比较器的反相输入端，输入ui同时接到比较器的同相输入端，与参考电压比较。VR是转换器能够测量的最大值，1/15VR是转换器可以分辨的模拟量的最小值。9.2.2并行A/D转换器2.比较器比较器C1～C7反相输入端分别接7个参考电压，同相输入端接输入信号ui。若输入信号大于参考电压，比较器输出高电平“1”，分之输出低电平“0”。9.2.2并行A/D转换器3.寄存器和编码器C1～C7的输出在寄存器F1～F7寄存并送到3位二进制编码器G1～G6。编码器输出D0～D2与其输入Q0～Q7的逻辑表达式为：9.2.2并行A/D转换器转换开始前先将所有寄存器清零。开始转换以后，时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为100…0。这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压uo，送到比较器中与ui进行比较。若ui＞uo，说明数字过大了，故将最高位的1清除；若ui＜uo，说明数字还不够大，应将这一位保留。然后，再按同样的方式将次高位置成1，并且经过比较以后确定这个1是否应该保留。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。原理框图基本原理9.2.3逐次逼进A/D转换器9.2.3逐次逼进A/D转换器Q3R1DC1SQ2R1DC1SQ1R1DC1SQ0R1DC1SQ4R

C1SRQ51DC1SD/A转换器QE

QD

QC

QB

QACP’

移位寄存器

SFEDCBA1–

+C&+5VCP+5VV’RVRD3D2D1D0启动脉冲ui11110D/A转换器的作用是根据不同的输入代码D3D2D1D0,产生不同的参考电压值V’R,并送到比较器与ui比较。参考电压与输入数码之间的关系如下表所示。(8/16)VR(9/16)VR(10/16)VR(11/16)VR(12/16)VR(13/16)VR(14/16)VR(15/16)VR100010011010101111001101111011110(1/16)VR(2/16)VR(3/16)VR(4/16)VR(5/16)VR(6/16)VR(7/16)VR00000001001000110100010101100111V’RD3D2D1D0V’R

D3D2D1D0

9.2.3逐次逼进A/D转换器Q3R1DC1SQ2R1DC1SQ1R1DC1SQ0R1DC1SQ4R

C1SRQ51DC1SD/A转换器QE

QD

QC

QB

QACP’

移位寄存器

SFEDCBA1–

+C&+5VCP+5VV’RVRD3D2D1D0启动脉冲ui右循环移位寄存器的作用是将产生的节拍脉冲送入数据寄存器，使其产生不同的数字代码给D/A转换器。cpQAQBQCQDQE1234启动脉冲FQEQDQCQBQA=01111串行输入端S与QA接，然后在下一个CP到来时把QA的状态移至QE,形成右循环移位。当QA＝0时，将Q5置0，与非门关闭，完成一个转换周期。9.2.3逐次逼进A/D转换器Q3R1DC1SQ2R1DC1SQ1R1DC1SQ0R1DC1SQ4R

C1SRQ51DC1SD/A转换器QE

QD

QC

QB

QACP’

移位寄存器

SFEDCBA1–

+C&+5VCP+5VV’RVRD3D2D1D0启动脉冲ui数据寄存器的作用是输出相应的数码给D/A转换器，使之产生参考电压与输入模拟量比较；保存比较结果并决定下一次参考电压，再次进行比较，逐次提高精度，直至比较结束。9.2.3逐次逼进A/D转换器启动脉冲Q3R1DC1SQ2R1DC1SQ1R1DC1SQ0R1DC1SQ4R

C1SRQ51DC1SD/A转换器QE

QD

QC

QB

QACP’

移位寄存器

SFEDCBA1–

+C&+5VCP+5VV’RVRD3D2D1D0ui01111000001000设ui=11.5V设VR=16V01000＝8Vuc=19.2.3逐次逼进A/D转换器启动脉冲Q3R1DC1SQ2R1DC1SQ1R1DC1SQ0R1DC1SQ4R

C1SRQ51DC1SD/A转换器QE

QD

QC

QB

QACP’

移位寄存器

SFEDCBA1–

+C&+5VCP+5VV’RVRD3D2D1D0ui01111设ui=11.5V110111设VR=16Vuc=11100＝12Vuc=09.2.3逐次逼进A/D转换器启动脉冲Q3R1DC1SQ2R1DC1SQ1R1DC1SQ0R1DC1SQ4R

C1SRQ51DC1SD/A转换器QE

QD

QC

QB

QACP’

移位寄存器

SFEDCBA1–

+C&+5VCP+5VV’RVRD3D2D1D0ui设ui=11.5V110111设VR=16Vuc=01100＝10Vuc=121101110109.2.3逐次逼进A/D转换器启动脉冲Q3R1DC1SQ2R1DC1SQ1R1DC1SQ0R1DC1SQ4R

C1SRQ51DC1SD/A转换器QE

QD

QC

QB

QACP’

移位寄存器

SFEDCBA1–

+C&+5VCP+5VV’RVRD3D2D1D0ui设ui=11.5V1设VR=16V＝11Vuc=1211011101031110110119.2.3逐次逼进A/D转换器启动脉冲Q3R1DC1SQ2R1DC1SQ1R1DC1SQ0R1DC1SQ4R

C1SRQ51DC1SD/A转换器QE

QD

QC

QB

QACP’

移位寄存器

SFEDCBA1–

+C&+5VCP+5VV’RVRD3D2D1D0ui设ui=11.5V1设VR=16V＝11Vuc=12311101101141111011011＝11V000CP’=0,移位脉冲CP不能进入移位寄存器，转换结束。D3D2D1D0=1011是最后转换结果。9.2.4双积分式A/D转换器双积分式A/D转换器的工作原理是：先将模拟电压ui转变成与它大小成正比的时间T,再在时间间隔T内利用计数器对时钟脉冲计数，所计数值N也正比于模拟电压ui。Qn-1R1KC11JQnR1KC11JQ1R1KC11JQ0R1KC11J–A+–C+&S1S2RCF–VRuiDn-1D1D0uouCCP+5V启动脉冲9.2.4双积分式A/D转换器(1)积分器A的输入接电子开关S1,S1受触发器输出端Qn控制，Qn=0时，S1与ui接，A对ui积分，Qn=1时，S1与(VR)接，积分器对(VR)积分。所以称为双积分。Qn-1R1KC11JQnR1KC11JQ1R1KC11JQ0R1KC11J–A+–C+&S1S2RCF–VRuiDn-1D1D0uouCCP+5V启动脉冲G(2)过零比较器C的输入端接积分器输出uo,uo<0时,uc=1,与非门G开启，计数器对CP脉冲计数。显然，计数器所计数值和与非门开启时间T成正比。(3)计数器和定时器：它由n+1个触发器构成二进制计数器。G开启时，它对CP计数，将与ui成正比的时间间隔T变成数字信号输出。9.2.4双积分式A/D转换器启动脉冲Qn-1R1KC11JQnR1KC11JQ1R1KC11JQ0R1KC11J–A+–C+&S1S2RCF–VRuiDn-1D1D0uouCCP+5VG设ui为正直流电压CF的初始电压为00000启动脉冲0000S1ui<0uc=1Qn-1R1KC11JQnR1KC11JQ1R1KC11JQ0R1KC11J–A+–C+&S1S2RCF–VRuiDn-1D1D