模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換課件

1、第23章 模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換,23.1 D/A轉(zhuǎn)換器,23.2 A/D轉(zhuǎn)換器,第23章 模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換,本章要求,1. 了解D/A、A/D轉(zhuǎn)換的基本概念和轉(zhuǎn)換原理;,2. 了解D/A、A/D轉(zhuǎn)換常用芯片的使用方法。,模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器是計算機與外部設(shè)備的重要接口,也是數(shù)字測量和數(shù)字控制系統(tǒng)的重要部件。,將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的裝置稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器(簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC)；,傳感器,模擬控制,模擬信號,數(shù)字計算機,數(shù)字控制,數(shù)字信號,ADC,DAC,將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的裝置稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器(簡稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC),23.1 D/A轉(zhuǎn)換器,數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A轉(zhuǎn)換器）的基本思想： 由于構(gòu)成數(shù)

2、字代碼的每一位都有一定的“權(quán)”，因此為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，就必須將每一位代碼按其“權(quán)”轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后再將代表各位的模擬量相加即可得到與該數(shù)字量成正比的模擬量，這就是構(gòu)成D/A轉(zhuǎn)換器的基本思想。,1. 電路,23.1.1 T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器,由數(shù)個相同的電路環(huán)節(jié)構(gòu)成，每個電路環(huán)節(jié)有兩個電阻和一個模擬開關(guān)。,參考電壓,存放四位 二進制數(shù),最低位 (LSB),最高位 (MSB),模擬 開關(guān),1. 電路,23.1.1 T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器,參考電壓,最低位 (LSB),最高位 (MSB),各位的數(shù)碼控制相應(yīng)位的模擬開關(guān)，數(shù)碼為“1”時，開關(guān)接電源UR；為0時接“地”。,模擬 開

3、關(guān),存放四位 二進制數(shù),2. 轉(zhuǎn)換原理,分析輸入數(shù)字量和輸出模擬電壓Uo之間的關(guān)系,T型網(wǎng)絡(luò)開路時的輸出電壓UA即是反相比例運算電路的輸入電壓。,反相比例 運算電路,T型電 子網(wǎng)絡(luò),2.轉(zhuǎn)換原理,用戴維寧定理和疊加定理計算UA,最低位 (LSB),最高位 (MSB),1 0 0 0,對應(yīng)二進制數(shù)為0001,2. 轉(zhuǎn)換原理,對應(yīng)二進制數(shù)為0001時，,等效電路如右下圖,2. 轉(zhuǎn)換原理,對應(yīng)二進制數(shù)為0001時， 等效電路如下,同理：對應(yīng)二進制數(shù) 為0010時，有,同理：對應(yīng)二進制數(shù) 為1000時，有,同理：對應(yīng)二進制數(shù) 為0100時，有,2.轉(zhuǎn)換原理,T型網(wǎng)絡(luò)開路時的輸出電壓UA，即等效電源電壓

4、UE 。,等效電阻為 R,等效電路如右圖,2.轉(zhuǎn)換原理,若輸入的是 n位二進制數(shù)，則,2.轉(zhuǎn)換原理,若取 RF = 3R，則,若輸入的是 n位二進制數(shù)，則,倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D A轉(zhuǎn)換器,分析輸入數(shù)字量和輸出模擬電壓uo之間的關(guān)系,轉(zhuǎn)換原理,倒T型解碼網(wǎng)絡(luò),.,UC = UR / 2,UB = UR /4,UA = UR /8,由于解碼網(wǎng)絡(luò)的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)匹配，則圖中各點(D、C、B、A) 電位逐位減半。,因此，每個2R支路中的電流也逐位減半。,即：,23.1.2 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標,指最小輸出電壓和最大輸出電壓之比。,1.分辨率,2.線性度,通常用非線性誤差的大小表示D/A轉(zhuǎn)換器的線性度

5、。把偏離理想的輸入輸出特性的偏差與滿刻度輸出之比的百分數(shù)定義為非線性誤差。,3.輸出電壓( 電流 )的建立時間,例:十位D/A轉(zhuǎn)換器 的分辨率為,從輸入數(shù)字信號起，到輸出電壓或電流到達穩(wěn)定值所需時間,有時也用輸入數(shù)字量的有效位數(shù)來表示分辨率。,通常D/A轉(zhuǎn)換器的建立時間不大于1S,集成 ADC 芯片舉例,AD7520各管腳功能：,d0 d9：十位數(shù)字量的輸入端；,IO1、IO2：電流輸出端；,RF：反饋信號輸入端；,UDD：電源接線端；,GND：接地端。,UR：參考電源，可正可負；,AD7520的外引線排列及連接電路,DAC0832是八位的D/A轉(zhuǎn)換器,即在對其輸入八位數(shù)字量后，通過外接的運算

6、放大器，可以獲得相應(yīng)的模擬電壓值。,23.1.3 DAC0832 D/A轉(zhuǎn)換器,1) 內(nèi)部簡化電路框圖,DAC 0832 簡化電路框圖,2) 芯片管腳,DAC 0832 管腳分布圖,CS,WR1,WR2,AGND,D4,D5,D6,D7,D0,D1,D2,D3,UCC,UREF,RF,DGND,ILE,XFER,Iout1,Iout2,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,19,18,17,16,15,14,13,12,11,20,片選信號， 低電平有效,寫入控制， 低電平有效,模擬地端,D0 D7 數(shù)字量輸入,參考電壓 輸入端,DAC 0832 管腳分布圖,數(shù)字地端,DAC 0832 管

7、腳分布圖,輸入鎖存允許信 號，高電平有效,芯片工作電壓 輸入端,電流輸出端 單極性輸出時。 Iout2接模擬地,23.2 A/D轉(zhuǎn)換器,模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器的任務(wù)是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,它是模擬信號和數(shù)字儀器的接口。根據(jù)其性能不同，類型也比較多。,下面介紹逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換電路的原理和一種常用的集成電路組件。最后舉例說明其應(yīng)用。,逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器原理框圖,23.2.1 逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器,其工作原理可用天平秤重過程作比喻來說明。若有四個砝碼共重15克,每個重量分別為8、4、2、1克。設(shè)待秤重量Wx = 13克，可以用下表步驟來秤量：,2,8 g + 4 g,3,8 g + 4 g +

8、 2 g,4,8 g + 4 g + 1 g,1,8 g,8g 13g ，,12g 13g ，,14g 13g，,13g 13g，,8 g,12 g,12 g,13g,保留,保留,撤去,保留,1. 轉(zhuǎn)換原理,放哪一 個砝碼,砝碼是 否保存,2. 轉(zhuǎn)換過程,2,3,4,1,1 0 0 0,UA UI,6V,UA UI,5. 5V,留,去,留,留,4V,UA UI,5V,UA UI,1 1 0 0,1 0 1 0,1 0 1 1,例：UR= 8V，UI = 5.52V,D/A轉(zhuǎn)換器輸出UA為正值,轉(zhuǎn)換數(shù)字量1011 4+1+0.5 = 5.5V 轉(zhuǎn)換誤差為 0.02V,例：UR= 8V，UI =

9、5.52V,若輸出為 8位數(shù)字量,轉(zhuǎn)換數(shù)字量10110001 4+1+0.5+0.03125 = 5.53125V 轉(zhuǎn)換誤差為 +0.01125V 位數(shù)越多誤差越小,逐次逼近轉(zhuǎn)換過程示意圖,UA UI,UA UI,(轉(zhuǎn)換誤差: 0.02V),23.2.2 A/D 變換器的主要技術(shù)指標,1. 分辨率 以輸出二進制數(shù)的位數(shù)表示分辨率。 位數(shù)越多，誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高。,2. 轉(zhuǎn)換速度 完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時間，即從它接到轉(zhuǎn) 換控制信號起，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字量輸出 所需要的時間。,3. 相對精度 實際轉(zhuǎn)換值和理想特性之間的最大偏差。,4.其它 功率、電源電壓、電壓范圍等。,ADC0809

10、八位A/D轉(zhuǎn)換器,ADC 0809管腳分布圖,UR(-),B,D4,D0,D2,D7,D6,D5,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,19,18,17,16,15,14,13,12,11,20,25,24,23,22,21,26,27,28,IN2,IN1,IN0,GND,D1,ALE,EOC,START,CLOCK,D3,IN3,IN4,IN5,IN6,IN7,EOUT,A,C,UR (+),UDD,23.2.2 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器,雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器屬于電壓時間變換的間接A/D轉(zhuǎn)換器。,基本原理是將一段時間內(nèi)的輸入模擬電壓 Ui 和參考電壓UR 通過兩次積分，變換成與輸入電壓平均值成正比的時間間隔,再變換成正比于輸入模擬信號的數(shù)字量。,雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的電路圖,1. 電路圖,A/D轉(zhuǎn)換器的工作波形圖,2. 轉(zhuǎn)換原理,(1) 轉(zhuǎn)換開始前,轉(zhuǎn)換信號uC=0，各觸發(fā)器清零,并使S2閉合,讓積分電路的電容C完全放電。,使uL=1，由控制電路將，S2斷開，并將S1接到輸入電壓端，積分電路開始對uI積分。積分輸出uA為負值，比較器輸出uC為1，開通CP控制門G，計數(shù)器開始計數(shù)。,(