第九章 模数与数模转换器lxy.ppt

1、(7-1),第九章 数模与模数转换器,9.1 D/A 转换器,9.2 A/D 转换器,(7-2),数/模与模/数转换器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。,能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 ); 能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 )。,下面，对这两个器件的工作原理及 其简单应用做介绍。,概述,(7-3),由于构成数字代码的每一位都有一定的“权重”，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“权重”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，这就是

2、构成D/A转换器的基本思想。,D/A转换器的电路形式很多，这里只介绍三种。,9.1 D/A 转换器,(7-4),9.1.1 权电阻D/A转换器,这种转换器由“电子模拟开关”、“权电阻求和网络”、“运算放大器”和“基准电源”等部分组成。,RF,R,R/2,R/4,R/8,(7-5),9.1.2 T形电阻网络D/A转换器( 以4位为例 ),和权电阻网络相比，T形电阻网络中电阻的类型少， 只有R、2R两种，电路构成比较方便。,16V,10K,(7-6),图中D、C、B、A四点的电位逐位减半.,D,因此，每个 2R支路中的电流也逐位减半。,C,B,A,分别从D 、 C 、 B 、 A处向右看的二端网络

3、等效电阻都是R/2R,(7-7),I = I3 + I2 + I1 + I0,(7-8),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 。,(7-9),9.1.3 权电流D/A转换器,(7-10),9.1.4 D/A转换器的主要技术指标,用输入数字量的有效位数来表示分辨率。,一、分辨率,二、转换精度,通常用非线性误差的大小表示D/A 转换器的线性度。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

4、非线性误差。,三、转换速度,(7-11),1.集成D/A转换器AD7533:,10位D/A T形电阻网络 电流输出型,9.1.5 集成D/A转换器,D/A转换器集成电路有多种型号。下面仅以AD7533为例来介绍集成电路D/A转换器。,(7-12),DAC 0832 管脚图,BIT10BIT1：数据输入端,VREF：参考电压端,可正可负,RFB：内部反馈电阻 输出端,UDD/GND ：电源,(7-13),2.单极性输出:,D9D0,(7-14),3.双极性输出:,D9D0,20K,(7-15),4.Multisim中的DAC:IDAC8/16&VDAC8/16,(7-16),IDAC&VDAC的

5、使用：,(7-17),应用一:可编程放大器 (P442),9.1.6 D/A转换器应用,微控制器,(7-18),AD7533可编程放大器 (P442),(7-19),应用二:任意波发生器(P443),三角/锯齿波发生器,(7-20),任意波发生器,(7-21),应用三:数控电压源,VO,(7-22),应用四:数控电流源,IO,(7-23),A/D转换器的任务是将模拟量转换成数字量,它是模拟信号和数字仪器的接口。 根据其性能不同，类型也比较多。下面先介绍三种A/D转换电路,然后介绍一种常用的ADC集成电路,最后举例说明其应用。,9.2 A/D 转换器,(7-24),1。取样与保持,9.2.1 A

6、/D 转换器的工作过程,模拟电子开关S在采样脉冲CPS的控制下重复接通、断开的过程。 S接通时，ui(t)对C充电，为采样过程；S断开时，C上的电压保持不变，为保持过程。 在保持过程中，采样的模拟电压经数字化编码电路转换成一组n位的二进制数输出。,(7-25),t0时刻S闭合，CH被迅速充电，电路处于采样阶段。由于两个放大器的增益都为1，因此这一阶段uo跟随ui变化，即uoui。t1时刻采样阶段结束，S断开，电路处于保持阶段。若A2的输入阻抗为无穷大，S为理想开关，则CH没有放电回路，两端保持充电时的最终电压值不变，从而保证电路输出端的电压uo维持不变。,(7-26),2。量化与编码,舍尾取整

7、法,(7-27),0uiVREF/14时，7个比较器输出全为0，CP到来后，7个触发器都置0。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0000。 VREF/14ui3VREF/14时，7个比较器中只有C1输出为1，CP到来后，只有触发器FF1置1，其余触发器仍为0。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0=001。,9.2.2 并行比较型ADC,电路由三部分组成: 分压器、比较器、寄存器和编码器。,(7-28),3VREF/14 ui5VREF/14时，比较器C1、C2输出为1，CP到来后，触发器FF1、FF2置1。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0010。 5VREF/14u

8、i7VREF/14时，比较器C1、 C2、 C3输出为1，CP到来后，触发器FF1、 FF2、 FF3置1。经编码器编码后输出的二进制代码为d2d1d0=011。 依此类推，可以列出ui为不同等级时寄存器的状态及相应的输出二进制数。,(7-29),这种A/D 转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。,(7-30),9.2.3 逐次逼近型ADC,其工作原理可用天平秤重作比喻。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：,(7-31),(7-32),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

9、将寄存器最高位置成1，使输出数字为1000。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uiuo，说明数字过大了，故将最高位的1清除；若uiuo，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,(7-33),3位逐次逼近型A/D转换器,(7-34),转换开始前，先使Q1=Q2=Q3=Q4=0，Q5=1，第一个CP到来后，Q1=1，Q2=Q3=Q4=Q5=0，于是FFA被置1，FFB和FFC被置

10、0。这时加到D/A转换器输入端的代码为100，并在D/A转换器的输出端得到相应的模拟电压输出uo。uo和ui在比较器中比较，当若uiuo时，比较器输出uc=1；当uiuo时，uc=0。 第二个CP到来后，环形计数器右移一位，变成Q2=1，Q1=Q3=Q4=Q5=0，这时门G1打开，若原来uc=1，则FFA被置0，若原来uc=0，则FFA的1状态保留。与此同时，Q2的高电平将FFB置1。 第三个CP到来后，环形计数器又右移一位，一方面将FFC置1，同时将门G2打开，并根据比较器的输出决定FFB的1状态是否应该保留。 第四个CP到来后，环形计数器Q4=1，Q1=Q2=Q3=Q5=0，门G3打开，根

11、据比较器的输出决定FFC的1状态是否应该保留。 第五个CP到来后，环形计数器Q5=1，Q1=Q2=Q3=Q4=0，FFA、FFB、FFC的状态作为转换结果，通过门G6、G7、G8送出。,工作原理,(7-35),基本原理：对输入模拟电压和基准电压进行两次积分，先对输入模拟电压进行积分，将其变换成与输入模拟电压成正比的时间间隔T1，再利用计数器测出此时间间隔，则计数器所计的数字量就正比于输入的模拟电压；接着对基准电压进行同样的处理。,原理电路：,9.2.4 双积分型ADC,(7-36),(7-37),9.2.5.Multisim中的ADC8/16,(7-38),ADC的用法：,(7-39),9.2

12、.6 A/D 转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、转换精度：实际转换值和理想特性之间的最大偏差。,例如，输入模拟电压的变化范围为05V，输出8位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V2820mV；而输出12位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V2121.22mV。,(7-40),9.2.7 集成电路A/D转换器及其应用,ADC0809、ADC0804和ADC0801的 分辨率均为八位,工作原理为逐次逼近型ADC

13、。,A/D变换组件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。,ICL7106、 ICL7107 和MC14433为双积分型ADC 。,下面以 ADC0804为例 ，介绍集成电路A/D转换器。,(7-41),(7-42),AGND,D4,D5,D6,D7,D0,D1,D2,D3,UCC,UR/2,DGND,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,19,18,17,16,15,14,13,12,11,20,RD,CLKR,CLKin,INTR,U in(+),U in(-),ADC 0804 管脚分布图,D7-D0：数据输出端,CLKin：外接

14、时钟端,UR/2：参考电压端,CLKR：内部产生 时钟端,(7-43),控 制 端,CS,WR,RD,INTR,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。,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。,读出输出数字信号,中断请求,功,能,说,明,0,0,(7-44),ADC0804 工作时序图,(7-45),A/D转换器电路,(7-46),请自学,A/D应用举例,(7-47),A/D转换器的功能是将输入的模拟信号转换成一组多位的二进制数字输出。不同的A/D转换方式具有各自的特点。并