模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計與實現(xiàn)

1、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計與實現(xiàn)2022/9/211第1頁，共19頁，2022年，5月20日，6點47分，星期四常用模擬量：溫度、濕度、壓力、流量、速度等。從模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換稱為模/數(shù)轉(zhuǎn)換（簡稱A/D轉(zhuǎn)換），實現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換的電路叫做A/D轉(zhuǎn)換器（簡稱ADC）；從數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)換稱為數(shù)/模轉(zhuǎn)換（簡稱D/A轉(zhuǎn)換），實現(xiàn)數(shù)/模轉(zhuǎn)換的電路稱為D/A轉(zhuǎn)換器（簡稱DAC）。 5.1.1 A/D轉(zhuǎn)換中的基本概念2022/9/212第2頁，共19頁，2022年，5月20日，6點47分，星期四典型數(shù)字控制系統(tǒng)框圖5.1.2 A/D轉(zhuǎn)換電路在系統(tǒng)中的作用2022/9/213第3頁，共19頁，2022年，5

2、月20日，6點47分，星期四5.2 A/D轉(zhuǎn)換基本原理 A/D轉(zhuǎn)換目標(biāo)：將時間連續(xù)、幅值也連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為時間離散、幅值也離散的數(shù)字信號。四個步驟：采樣、保持、量化、編碼。 1. 采樣與保持 （1）將一個時間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成時間上離散的模擬量稱為采樣。 2022/9/214第4頁，共19頁，2022年，5月20日，6點47分，星期四圖7-7 采樣過程示意圖 取樣定理：設(shè)取樣脈沖s(t)的頻率為fS，輸入模擬信號x(t)的最高頻率分量的頻率為fmax，必須滿足 fs 2fmaxy(t)才可以正確的反映輸入信號(從而能不失真地恢復(fù)原模擬信號)。通常取fs （2.53）fmax 。 20

3、22/9/215第5頁，共19頁，2022年，5月20日，6點47分，星期四 （2）由于A/D轉(zhuǎn)換需要一定的時間，在每次采樣以后，需要把采樣電壓保持一段時間。 s(t)有效期間，開關(guān)管VT導(dǎo)通，uI向C充電，uO (=uc)跟隨uI的變化而變化；s(t)無效期間，開關(guān)管VT截止，uO (=uc)保持不變，直到下次采樣。（由于集成運放A具有很高的輸入阻抗，在保持階段，電容C上所存電荷不易泄放。） 圖7-8 采樣保持電路2022/9/216第6頁，共19頁，2022年，5月20日，6點47分，星期四2. 量化和編碼 數(shù)字量最小單位所對應(yīng)的最小量值叫做量化單位。將采樣保持電路的輸出電壓歸化為量化單位

4、的整數(shù)倍的過程叫做量化。用二進制代碼來表示各個量化電平的過程，叫做編碼。一個n位二進制數(shù)只能表示2n個量化電平，量化過程中不可避免會產(chǎn)生誤差，這種誤差稱為量化誤差。量化級分得越多（n越大），量化誤差越小。 2022/9/217第7頁，共19頁，2022年，5月20日，6點47分，星期四5.3 A/D轉(zhuǎn)換器工作原理 直接A/D轉(zhuǎn)換器：并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器 逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器 間接A/D轉(zhuǎn)換器：雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器 電壓轉(zhuǎn)換型A/D轉(zhuǎn)換器 1. 逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器2022/9/218第8頁，共19頁，2022年，5月20日，6點47分，星期四實例8位A/D轉(zhuǎn)換器，輸入模擬量uI=6.84

5、V， 基準(zhǔn)電壓 UREF=10V。 當(dāng)D7D6D5D4D3D2D1D0=11111111時，uo=UREFCPD7D6D5D4D3D2D1D0u0 (V)uIuO010000000511110000007.502101000006.2513101100006.87504101010006. 562515101011006.7187516101011106.79687517101011116.83593751uIuO為1否則為0 2022/9/219第9頁，共19頁，2022年，5月20日，6點47分，星期四圖7-10 8位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器波形圖 2022/9/2110第10頁，共19頁，

6、2022年，5月20日，6點47分，星期四5.4 ADC的主要技術(shù)參數(shù)1.分辨率 分辨率是指A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的最低位變化一個數(shù)碼時，對應(yīng)輸入模擬量的變化量。 通常以ADC輸出數(shù)字量的位數(shù)表示分辨率的高低，因為位數(shù)越多，量化單位就越小，對輸入信號的分辨能力也就越高。 例如，輸入模擬電壓滿量程為10V，若用8位ADC轉(zhuǎn)換時，其分辨率為10V/2839mV，10位的ADC是9.76mV，而12位的ADC為2.44mV。 2022/9/2111第11頁，共19頁，2022年，5月20日，6點47分，星期四2. 轉(zhuǎn)換速度 完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時間叫做轉(zhuǎn)換時間，轉(zhuǎn)換時間越短，則轉(zhuǎn)換速度越快。

7、雙積分ADC的轉(zhuǎn)換時間在幾十毫秒至幾百毫秒之間； 逐次比較型ADC的轉(zhuǎn)換時間大都在1050s之間； 并行比較型ADC的轉(zhuǎn)換時間可達10ns。 2022/9/2112第12頁，共19頁，2022年，5月20日，6點47分，星期四5.5 集成A/D轉(zhuǎn)換器及接口設(shè)計 集成A/D轉(zhuǎn)換器規(guī)格品種繁多，常見的有ADC0804、ADC0809、MC14433等。 1. ADC0804 A/D轉(zhuǎn)換器 ADC0804是一種逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器。 2022/9/2113第13頁，共19頁，2022年，5月20日，6點47分，星期四（1）ADC0804的主要功能及參數(shù)如下： 分辨率為8位。 線性誤差為1/2LSB

8、。 三態(tài)鎖存輸出，輸出電平與TTL兼容。 +5V單電源供電，模擬電壓輸入范圍05V。 功耗小于20mW。 不必進行零點和滿度調(diào)整。 轉(zhuǎn)換速度較高，可達100S。 2022/9/2114第14頁，共19頁，2022年，5月20日，6點47分，星期四圖7-13 ADC0804引腳圖UIN+、UIN-：模擬信號輸入。 UREF：基準(zhǔn)電壓輸入端。 CLK：時鐘信號輸入端。 （2）ADC0804各引腳功能說明如下：D0D7：數(shù)據(jù)輸出端，有三態(tài)功能，能與微機總線相接。 AGND：模擬信號地。 DGND：數(shù)字信號地。 2022/9/2115第15頁，共19頁，2022年，5月20日，6點47分，星期四 接口

9、設(shè)計DATAD0D1D2D3D4D5D6D72022/9/2116第16頁，共19頁，2022年，5月20日，6點47分，星期四 小結(jié)：A/D轉(zhuǎn)換須經(jīng)過采樣、保持、量化、編碼四個步驟才能完成。采樣、保持由采樣保持電路完成；量化和編碼須在轉(zhuǎn)換過程中實現(xiàn)。 可供我們選擇使用的集成ADC和DAC芯片種類很多，應(yīng)通過查閱手冊，在理解其工作原理的基礎(chǔ)上，重點把握這些芯片的外部特性以及與其它電路的接口方法。2022/9/2117第17頁，共19頁，2022年，5月20日，6點47分，星期四5.6 本情境任務(wù)（一） 用仿真軟件proteus做一個簡單的電壓采集-顯示電路。使用ADC0804芯片。（二）采用總線方式，設(shè)計一個電壓采集-顯示系統(tǒng)，要求硬件接口與前幾個情境匹配。焊接電路板，