數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)電子教案7課件

1、第七章 數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器概述D/A轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器D/A和A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例本章教學(xué)基本要求了解： (1)倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理。(2)典型集成D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用。 (3)逐次逼近型或雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)、 工作原理和典型 集成A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用。7.1概述 將模擬電量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，使輸出的數(shù)字量與輸入的模擬電量成正比。 Digital - Analog Converter，簡稱 D/A 轉(zhuǎn)換器或DAC。 Analog - Digital Converter，簡稱 A/D 轉(zhuǎn)換器或ADC。 將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬電量(電壓或電流)，使輸出的模擬

2、電量與輸入的數(shù)字量成正比。 數(shù)模轉(zhuǎn)換： 實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路稱數(shù)模轉(zhuǎn)換器。模數(shù)轉(zhuǎn)換： 實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路稱模數(shù)轉(zhuǎn)換器。壓力, 溫度,流量,液位等通過傳感器轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電壓或電流的模擬信號由DAC轉(zhuǎn)換成模擬量信號的電壓和或電流數(shù)字計算機(jī)工業(yè)控制系統(tǒng)示意圖由計算機(jī)依次選通，進(jìn)入ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號經(jīng)過計算機(jī)數(shù)據(jù)處理，輸出為數(shù)字量計算機(jī)選擇某一執(zhí)行機(jī)構(gòu)，去調(diào)節(jié)控制對象。7.2 D/A轉(zhuǎn)換器7.2.1 R-2R倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC基本原理 7.2.2 集成D/A轉(zhuǎn)換器AD7520電路結(jié)構(gòu)和應(yīng)用7.2.3 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)一、R-2R倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC基本原理圖模擬開關(guān)S3-S0表示 四位二

3、進(jìn)制數(shù)四位的二進(jìn)制數(shù)當(dāng)Di=1表示Si接1,電阻 上通過電流流向I01當(dāng)Di=0即表示開頭接0,流過相應(yīng)電阻的電流流向I02到地端各節(jié)點向右看的二端網(wǎng)絡(luò)的等阻值為R 等效電路為由基準(zhǔn)電源VREF供出電流為:IR=VREF/R因此由節(jié)點D分出去的兩路支路電流必相等,則有同理可以得出：當(dāng)DI=1時，表示相應(yīng)的Ii流向IO1, R-2R倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器運算放大器和T形網(wǎng)絡(luò)中各支路電阻、反饋電阻組成反相求和運算電路?？傻幂敵鲭妷簽椋喝羧f=R,則D/A轉(zhuǎn)換后的輸出電壓表示為:同理,當(dāng)Di為n位的二進(jìn)制數(shù),則相應(yīng) R-2R 倒T 形電阻網(wǎng)絡(luò)也有n個節(jié)點,則D/A轉(zhuǎn)換后的輸出電壓為: AD75

4、20電路的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)二、 集成D/A轉(zhuǎn)換器AD7520電路結(jié)構(gòu)和應(yīng)用符號圖當(dāng) R=10k,2R=20k,故RF=10k, 根據(jù)公式則轉(zhuǎn)換后的輸出電壓為:其中T1-T7構(gòu)成兩個互為倒相的CMOS反相器。當(dāng)Di = 1 時,T1導(dǎo)通,T4,T5為高電平,T6,T7為低電平,T8截止,T9導(dǎo)通,Ii 流向I01當(dāng)D0=0時,T9截止,T8導(dǎo)通,Ii流向I02起到電流模擬開關(guān)作用。CMOS電流開關(guān)應(yīng)用電路AD7520D/A轉(zhuǎn)換器可用作單極性電壓或雙極性電壓輸出1.單極性輸出應(yīng)用電路當(dāng)D9-D0數(shù)碼為全1時,其時應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)為:210-1=1023數(shù) 碼 輸 入模擬電壓輸出AD7520單極性輸入與輸出

5、關(guān)系 (1023/1024VREF)D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 U0.(513/1024VREF)(512/1024VREF)(511/1024VREF).(1/1024VREF)0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 例:AD7520 D/A 轉(zhuǎn)換器組成的DAC電路中,已知VREF=10V,求當(dāng)輸入數(shù)碼為37C(H)時，轉(zhuǎn)換成單極輸出電壓為多大?解:求出37C

6、(H)對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)37C(H) = (0011 0111 1100)2 = (892)10 = N10 故 UO = - VREF/210 。 N10 = - 10/1024 892 = - 8.71V單極性輸出電路7.2.3 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指示一、分辨率 分辨率是指對輸出最小電壓的分辨能力。它是輸入數(shù)碼只有最低有效位為1時的輸出電壓與輸入數(shù)碼為全1時輸出滿量程電壓之比?？杀硎緸? 對于10位 D/A 轉(zhuǎn)換器的分辨率為二、絕對誤差 絕對誤差又稱絕對精度,是指當(dāng)輸入數(shù)碼為全1時所對應(yīng)實際輸出電壓 與電路理論值之差。三、轉(zhuǎn)換精度 一般是指最大的靜態(tài)誤差。它是一個綜合性誤差，包括基準(zhǔn)電的漂

7、移誤差、 運放漂移誤差、比例系數(shù)誤差以及非線性誤差等。 7.3 A/D轉(zhuǎn)換器模擬電壓信號二進(jìn)制數(shù)碼A/D轉(zhuǎn)換器直接A/D并聯(lián)比較型 反饋比較型計數(shù)型 逐次比較型間接A/D電壓-時間變換型(V-F型)雙積分型為主電壓-頻率變換型(V-F型)壓控振蕩器轉(zhuǎn)換器類型ADCA /D 轉(zhuǎn)換的基本原理 ADCD0D1Dn-2Dn-1uI模擬輸入信號n 位二進(jìn)制數(shù)輸出D = Dn-1 Dn-2 D1 D0 輸出數(shù)字量 D 正比于輸入模擬量 uI 。采樣：把時間連續(xù)變化的信號變換為時間離散的信號。保持：保持采樣信號，使有充分時間轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。量化：把采樣保持電路的輸出信號用單位量化電壓的 整數(shù)倍表示。編碼：把

8、量化的結(jié)果用二進(jìn)制代碼表示。A /D 轉(zhuǎn)換的一般步驟 uI(t)量化編碼電路Dn-1D1D0uI(t)采樣保持電路輸入模擬量輸出數(shù)字量2.集成采樣/保持電路LF398(SHM-LM-2)簡介模擬電子開關(guān)A1為運算放大器,具有工作速度高和失調(diào)電壓低的特點.LF398電路結(jié)構(gòu)及外部元件連接圖運算放大器A2，具有噪聲低和輸入阻抗高的特點。為開關(guān)驅(qū)動器2.集成采樣/保持電路LF398(SHM-LM-2)簡介LF398電路結(jié)構(gòu)及外部元件連接圖當(dāng)ULUREF+UT 時，S閉合。當(dāng)UL0,所以uO0。S1接通a點積分器對 uI 積分1G開放，CP進(jìn)入計數(shù)器開始計數(shù)。積分器輸出為：第二次積分Qn=1,S1接通

9、b電容有初始電壓進(jìn)行反積分,計數(shù)器在Qn=1的基礎(chǔ)上,在最低位Q0=0開始計數(shù).當(dāng)電壓上電容為0,UC=0,封鎖了G，計數(shù)器停止計數(shù)。將T2 = t2 t1 = NTC 及 代入屬于 V-T 型 ADC若取 VREF = 2 n 則 N = u I即計數(shù)值表示為被轉(zhuǎn)換的輸入電壓 u I 數(shù)值 7.3.3 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器 它是一種常用A/D轉(zhuǎn)換方式,轉(zhuǎn)換速率比雙積分型快,每秒鐘采樣高達(dá)幾十萬次,逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換的過程與用天平稱物體質(zhì)量的過程相似。 (1)先在砝碼盤上加上128g砝碼，經(jīng)天平比較結(jié)果，重物149g128g，則此砝碼保留，即相當(dāng)于最高位數(shù)碼D7記為1。 （2）再加64g砝

10、碼，經(jīng)天平比較，重物149g(128+64)g，則舍下64g砝碼，即相當(dāng)于數(shù)碼記為0。 逐一添加比較，凡砝碼總質(zhì)量小于物體質(zhì)量的砝碼留下，否則舍去。保留的砝碼為 128g + 16g + 4g + 1g = 149g相當(dāng)于轉(zhuǎn)換的數(shù)碼為D7D0 = 10010101逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器被保留的電壓相當(dāng)于天平所稱的物體質(zhì)量，而所轉(zhuǎn)換的數(shù)字量相當(dāng)于在天平上逐次添加砝碼所保留下來的砝碼質(zhì)量。一、逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的基本電路比較器C3位D/A轉(zhuǎn)換器數(shù)碼寄存器環(huán)形右移寄存器 為了提高ADC轉(zhuǎn)換精度,在輸出端加負(fù)的偏移電壓 = 0.5V, 作為量化誤差修正,送入比較器的電壓為uO = uO - , 使

11、精度提高一倍。 3位D/A轉(zhuǎn)換器輸出的相當(dāng)于砝碼值的電壓,根據(jù)D/A轉(zhuǎn)換器原理可知,若 VREF = 8V, 則3位DAC能分辨的最小電壓為S = = 8V = 1V 在CP時鐘脈沖作用下，QAQE逐個循環(huán)產(chǎn)生脈寬與CP周期相同的節(jié)拍脈沖二、 工作原理設(shè)定：5.9V時時轉(zhuǎn)換開始前，先將FF2 FF1、FF0清零。設(shè) QAQBQCQDQE = 10000G變?yōu)楦唠娖揭院?，轉(zhuǎn)換開始。Q2 = 1 應(yīng)保留5.9V10000第一個節(jié)拍1003.5V001000Q1 = 1 應(yīng)保留Q2 = Q1 =1 應(yīng)保留5.9V第二個節(jié)拍1100010005.5V00100Q2 = Q1 =1 應(yīng)保留5.9V第三個

12、節(jié)拍11116.5V00100Q0 =1 不應(yīng)保留000105.9V第四個節(jié)拍11005.5VQ0 =1 不應(yīng)保留00010Q2 = Q1 =1 應(yīng)保留00001打開1105.9V第五個節(jié)拍10000被封鎖01000 由于ADC的電路類型不同，編碼方法不同，其指標(biāo)類型也有所區(qū)別。如輸出數(shù)據(jù)為8421編碼的BCD碼ADC和自然二進(jìn)制數(shù)編碼的ADC，它們的轉(zhuǎn)換精度含義和表示方法也不同?，F(xiàn)以輸出二進(jìn)制數(shù)編碼的ADC為例介紹主要技術(shù)指標(biāo).7.3.4 A/D 轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)1.分辨率ADC的分辨率又稱分解度。輸出二進(jìn)制數(shù)位越多，轉(zhuǎn)換精度越高，即分辨率越高。故可用分辨率表示轉(zhuǎn)換精度。2.轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換

13、速度是指轉(zhuǎn)換一次所需的時間，即從轉(zhuǎn)換控制信號發(fā)出到有穩(wěn)定數(shù)字輸出為止的一段時間。相對誤差可以表示ADC轉(zhuǎn)換的誤差。它是指在對應(yīng)于某一輸出數(shù)字量情況下，理論輸入值與實際輸入值之差再與滿量程輸入值VREF之比,常以 1/2 LSB 所對應(yīng)的輸入值與 VREF之比表示。3.相對誤差 7.4 D/A和A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例一、 數(shù)控電流源 在自動控制儀表中，常要求根據(jù)輸入數(shù)碼相應(yīng)輸出精密電流，這稱為數(shù)控電流源。二、工作原理u0受N控制A2組成電壓跟隨電路，故ud=ub根據(jù)戴維南定理：A1組成同相比例放大電路流過RS上電流iL即RL上電流為即I L由 D/A 轉(zhuǎn)換電路的輸入數(shù)碼 N 決定，而與RL無關(guān)，故稱為數(shù)控電流源。 3 位數(shù)字電壓表指顯示的量程為