数模转换和模数转换.ppt

《数模转换和模数转换.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数模转换和模数转换.ppt（32页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、 第第8 8章章数数/模转换和模模转换和模/数转换数转换授课计划教学内容教学小结一、授课计划1、教学目标1、了解DAC、ADC的分类及主要参数；2、掌握集成D/A转换器芯片DAC0832的应用。3、掌握集成A/D转换器芯片ADC0809的应用2、重点与难点1、重点：掌握A/D、D/A转换的典型应用电路2、难点：D/A、A/D转换器集成芯片的选用3、学时分配：共4学时第1、2学时：A/D转换集成芯片及其应用第3、4学时：D/A转换集成芯片及其应用8.1D/A转换器转换器（第1、2学时）随着数字电子技术的迅猛发展，特别是计算机在自动控制、自动检测、电子信息处理及许多其他领域的广泛应用，用数字电路来

2、处理模拟信号的方式更加普遍。称重传感器小信号放大器A/D微处理器CPUD/A放大驱动料门开关驱动显示mgU模拟量数字量数字量模拟量图8.1电脑包装秤的框图一一D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 对于有权码，先将每位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，对于有权码，先将每位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现了数字从而实现了数字/模拟转换。模拟转换。8.1.1权电阻网络D/A转换器一个多位二进制数中每一位上的1所代表的数值的大小称为这一位的权。n位二进制数dn=dn-1dn-

3、2d1d0，从高位到最低位的权依次为2n-1、2n-221、20。电阻网络D/A转换的原理图中S3S2S1S0是四个电子开关，它们是接通地还是接通参考电压UREF，分别接收输入代码d3d2d1d0的控制。di=0时，Si接通地；di=1时，S2接通参考电压，支路上有电流Ii流向求和放大器A。求和放大器A的反向输入端U-和输出端U之间接有负反馈电阻RF（R/2），则A工作在线性区有U-=U+=0（虚接地），在认为A输入电流Ib近似为零的条件下可以得到。取代入上式得（8.2.2）对于n位数权电阻D/A转换器，运算放大器的反馈电阻取为R/2，时有U0=-(dn-12n-1+dn-22n-2+d121

4、+d020)当Dn=dn-1dn-2d1d0=00.0时,有U0=0当Dn=dn-1dn-2d1d0=11111时,有V0=-（8.2.3）从式（8.2.3）中可以看到：UREF为正电压时，输出电压u0始终为负值。要想得到正的输出电压u0，可以将UREF取为负值。权电阻网络的D/A转换器的优点是结构比较简单，所用的电阻元件数很少。它的缺点是各个电阻的阻值相差很大。按等比数列取值，尤其在输入信号的位数较多时，这个问题就更加突出。如当输入信号达到8位时，取权电阻网络最小的电阻R=5K，则最大电阻为27R=0.64M，两者相差128倍。要想在极为宽的范围内，每个阻值都有很高的精度是十分困难的，尤其制

5、作集成电路十分不利。因此在集成DAC中很少单独使用此电路。8.1.2倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器（转换器（4位）位）所以，无论所以，无论Si处于何种位置，与处于何种位置，与Si相连的相连的2R电阻均接电阻均接“地地”（地或虚地）。（地或虚地）。图中图中S0S3为模拟开关，由输入数码为模拟开关，由输入数码Di控制，控制，当当Di=1时，时，Si接运算放大器反相输入端（虚地），电流接运算放大器反相输入端（虚地），电流Ii流入求和电路；流入求和电路；当当Di=0时，时，Si将电阻将电阻2R接地。接地。可算出，基准电流可算出，基准电流I=UREF/R，输出电压：输出电压：则流过各开关支路（从

6、右到左）的电流分别为则流过各开关支路（从右到左）的电流分别为I/2、I/4、I/8、I/16。于是得总电流：于是得总电流：将输入数字量扩展到将输入数字量扩展到n位，则有：位，则有：可简写为：可简写为：UO=KNB,其中NB=，权电流型权电流型D/A转换器转换器为进一步提高为进一步提高D/A转换器的转换精度，可采用权电流型转换器的转换精度，可采用权电流型D/A转换器。转换器。基准电流：基准电流：由倒T形电阻网络分析可知，IE3=I/2，IE2=I/4，IE1=I/8，IE0=I/16，于是可得输出电压为可推得可推得n位倒位倒T形权电流形权电流D/A转换器的输出电压：转换器的输出电压：8.1.38

7、位位DAC集成芯片及其作用集成芯片及其作用DAC0832是是8位位权权电电流流型型D/A转转换换器器，其其中中D0D7是是数数字字量量输入端。输入端。用用这这类类器器件件构构成成的的D/A转转换换器器时时，需需要要外外接接运运算算放放大大器器和和产生基准电流用的电阻产生基准电流用的电阻R1。当当UREF=10V、R1=5k、Rf=5k时，时，输出电压为：输出电压为：数字输出模拟输出0000000000000001011111111000000010000001111111110V0.039V4.96V5V5.039V9.96VDAC0832D/A转换器输出与输入的关系（转换器输出与输入的关系（

8、设设VREF=10V）1.转换精度转换精度D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标此此外外，也也可可用用D/A转转换换器器的的最最小小输输出出电电压压与与最最大大输输出出电电压压之之比比来来表表示示分辨率，分辨率，N位位D/A转换器的分辨率可表示为转换器的分辨率可表示为1/2.转换速度转换速度3.温温度度系系数数在在输输入入不不变变的的情情况况下下，输输出出模模拟拟电电压压随随温温度度变变化化产产生生的的变变化化量量。一一般般用用满满刻刻度度输输出出条条件件下下温温度度每每升升高高1，输输出出电电压压变化的百分数作为温度系数。变化的百分数作为温度系数。（2）转换速率（转换速率（SR）在大

9、信号工作状态下模拟电压的变化率。在大信号工作状态下模拟电压的变化率。（1）分辨率）分辨率D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。输输入入数数字字量量位位数数越越多多，分分辨辨率率越越高高。所所以以，在在实实际际应应用用中中，常常用用字字量量的位数表示的位数表示D/A转换器的分辨率。转换器的分辨率。（1）建建立立时时间间（tset）当当输输入入的的数数字字量量发发生生变变化化时时，输输出出电电压压变变化到相应稳定电压值所需时间。最短可达化到相应稳定电压值所需时间。最短可达0.1S。8.2 8.2 A/DA/D转换器转换器（第（第3 3、4 4学时）学时）

10、8.2.1 8.2.1 ADCADC的基本原理的基本原理由由于于输输入入的的模模拟拟信信号号在在时时间间上上是是连连续续量量，所所以以一一般般的的A/D转转换过程为：换过程为：取样、保持、量化和编码。取样、保持、量化和编码。取样定理：取样定理：因因为为每每次次把把取取样样电电压压转转换换为为相相应应的的数数字字量量都都需需要要一一定定的的时时间间，所所以以在在每每次次取取样样以以后后，必必须须把把取取样样电电压压保保持持一一段段时时间间。可可见见，进进行行A/D转转换换时时所所用用的的输输入入电电压压，实实际际上上是是每每次次取取样样结结束时的束时的vI值。值。式式中中fS为为取取样样频频率率

11、，fimax为为输输入入信信号号vI的的最最高高频率。频率。取样取样保持电路保持电路电路组成及工作原理（取电路组成及工作原理（取Ri=Rf）:当当控控制制信信号号vL为为高高电电平平时时，T导导通通，vI经经电电阻阻Ri和和T向向电电容容Ch充电。充电。则充电结束后则充电结束后vO=vI=vC。N沟道沟道MOS管管T作为开关用。作为开关用。当当控控制制信信号号返返回回低低电电平平后后，T截截止止。Ch无无放放电电回回路路，所所以以vO的数值的数值.可被保存下来。可被保存下来。8.2.2直接直接A/D转换器转换器1.并行比较型并行比较型A/D转换器（转换器（3位）位）并行比较型并行比较型A/D转

12、换器真值表转换器真值表转换原理：转换原理：2逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器输出数字信号逻辑电路逻辑电路8.2.38.2.3间接间接A/DA/D转换器转换器1双积分型双积分型A/D转换器转换器它它由由积积分分器器、过过零零比比较较器器（C）、时时钟钟脉脉冲冲控控制制门门（G）和和定定时器、计数器（时器、计数器（FF0FFn）等几部分组成。等几部分组成。（2）第一次积分阶段第一次积分阶段工作原理：工作原理：（1）准备阶段）准备阶段计数器清零，计数器清零，积分电容放电，积分电容放电，vO=0V。t=0时，开关时，开关S1与与A端端接通，输入电压接通，输入电压vI加到加到积分器的输入端。积分积

13、分器的输入端。积分器从器从0开始积分：开始积分：由由于于vO0V，比较器输出比较器输出vC=0，控制门控制门G被被闭，计数停止。闭，计数停止。在此阶段结束时在此阶段结束时vO的表达式的表达式可写为：可写为：设设T2=t2t1，于是有：于是有：设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为，则：则：可见，可见，T2与与VI成正比，成正比，T2就是双积分就是双积分A/D转换过程的中间变量。转换过程的中间变量。上式表明，计数器中所计得的数上式表明，计数器中所计得的数（=Qn-1Q1Q0），），与在取与在取样时间样时间T1内输入电压的平均值内输入电压的平均值VI成正比。只

14、要成正比。只要VIVREF，转换器就转换器就能将输入电压转换为数字量。能将输入电压转换为数字量。T2=TC2、V-F变换型的A/D转换器V-F变换型A/D转换器的电路结构框图，它由压控振荡器（VCO），寄存器、计数器及其时钟信号CP的控制闸门G组成。VC0输出脉冲的频率fOVT随输入模拟电压Vi的变化而改变，且在一定的变化范围内fOUT与Vi之间保持较好的线性关系。VC0的输出信号是一种调频信号，而这种调频信号不仅易于传输和检出，还有很强的抗干扰能力，所以V-F变换型A/D转换器非常适合应用在遥测、遥控系统中。闸门G由信号VG控制。当UG为高电平时，VC0 的输出脉冲通过闸门G给计数器计数。由

15、于VG是固定宽度的脉冲信号，所以在TG时间里通过闸门的脉冲N与fOVT成正比，因此也就与Vi成正比。因此，每个UG周期结束时计数器里数字就是所需要的转换结果。输出端的寄存器是为了避免输出端的数字跳动。每当转换结束时用UG的下降沿将计数器的状态置于寄存器中。V-F变换精度取决于线性度和稳定度。8.2.48.2.4集成芯片集成芯片ADC0809ADC0809及其应用及其应用在单片集成A/D转换器中，逐次比较型使用较多，下面以ADC0808/0809为例介绍A/D集成芯片及其应用。1、ADC0808/0809引脚及使用说明ADC0808/0809是CMOS集成工艺制成的逐次比较型A/D转换芯片。分辨

16、率10位，转换时间100S，输入模拟电压范围0至6.5V，片内含8通道多路开关，锁存逻辑控制调制器，具有三态输出锁存缓冲器，能与微机兼容，输出电平与TTL、CMOS兼容。单电源+5V6.5V工作。引脚排列见图8.20所示，各引脚功能为：1）IN0 IN7（第15 脚，第26 28脚）：8路模拟量输入脚，可以从8个脚输入OV至+5V待转换模拟电。2）CLOCK（第10脚）：时钟CP输入端，ADC0808/0809只有在CP信号同步下,才能进行A/D转换。时钟频率的上限是640KHZ。3）ALE（第22脚）：地址锁存允许端。ALE=1时地址锁存和译码部分把上面所述的CBA的值输入和译码并接通IN0

17、 IN7之一。当 ALE=0时，把CBA的值锁存起来。4）START（第6脚）：启动脉冲输入端，启动脉冲的上升沿清除逐次逼近寄存器SAR，下跳沿启动ADC开始转换。5）VDD(第11脚)：电源输入端：+5V +6.5V。6）GND（第13脚）：地7）VREF（+）（第12脚）VREF-（第16脚）：分别为基准电压的高电平和低电平端。8）EOC（第7脚）：转换结束信号端。EOC=0，表示转换正在进行，输出数据不可信。EOC=1表示转换已完成，输出数据可信。9）BOB7（第8、14、15、1721脚）：转换所得八位输出数据，B7是最高位，BO是最低位。10）OE（第9脚）：允许输出端。OE端控制输

18、出锁存器的三态门。当OE=1时，转换所得的数据送到B0B7端，当OE=0时，B0B7脚对外呈高阻状态。11）ADDA、ADDB、ADDC（第2523脚）：通道地址输入端。例如当CBA=001时，模拟量IN1输至ADC0808/0809，CBA=010时,IN2输入ADC0809依次类推。图8.20ADC0808/0809引脚端排列图图8.21ADC0808/0809的功能框图表8.4 ADC0808/0809真值表2、ADC0808/0809真值表和功能框图（表8.4和图8.21）ALECBA接通信号1000IN01001IN11010IN21011IN31100IN41101IN51110I

19、N61111IN70XXX均不通3、典型应用线路图（见图8.22）图8.22ADC0808/0809典型应用接线图A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标（1）分辨率）分辨率说明说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。转换器对输入信号的分辨能力。一一般般以以输输出出二二进进制制（或或十十进进制制）数数的的位位数数表表示示。因因为为，在在最最大大输输入入电电压压一一定定时时，输出位数愈多，量化单位愈小，分辨率愈高。输出位数愈多，量化单位愈小，分辨率愈高。1.转换精度转换精度例例如如，相相对对误误差差LSB/2，就就表表明明实实际际输输出出的的数数字字量量和和理理论论上上应应得得到到的的输输出

20、出数字量之间的误差小于最低位的半个字。数字量之间的误差小于最低位的半个字。（2）转转换换误误差差它它表表示示A/D转转换换器器实实际际输输出出的的数数字字量量和和理理论论上上的的输输出出数数字字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。2.转转换换时时间间指指从从转转换换控控制制信信号号到到来来开开始始，到到输输出出端端得得到到稳稳定定的的数数字字信信号号所经过的时间。所经过的时间。并并行行比比较较A/D转转换换器器转转换换速速度度最最高高；逐逐次次比比较较型型A/D转转换换器器次次之之；间间接接A/D转转换器的速度最慢。换器的速度最慢。本章小结本章小结

21、1 1、DACDAC和和ADCADC模模拟拟信信号号与与数数字字设设备备、数数字字系系统统之之间间不不可可缺缺少少的的接接口口部部件件DACDAC的的原原理理是是利利用用线线性性电电阻阻网网络络来来分分配配数数字字量量各各位位的的权权，使使输输出出电电流流与与数数字字量量成成正正比比，然然后后利利用用运运算算放放大大器器转转换换成成模模拟拟的的电电压压输输出出。在在DACDAC中，本章介绍了运用很广泛的倒中，本章介绍了运用很广泛的倒T T型电阻网络的型电阻网络的DACDAC的工作原理。的工作原理。2 2、A/DA/D转转换换的的过过程程是是采采样样/保保持持/量量化化/编编码码的的过过程程；构

22、构成成ADCADC的的基基本本思思想想是是将将输输入入的的模模拟拟电电压压与与基基准准电电压压相相比比较较（直直接接或或间间接接比比较较），转转换换成数字量输出。在成数字量输出。在ADCADC中，介绍了逐次逼近型、双积分两种中，介绍了逐次逼近型、双积分两种ADCADC。3 3、使使用用DACDAC和和ADCADC时时最最关关心心的的是是转转换换精精度度和和转转换换时时间间。转转换换精精度度受受芯芯片片外外部部影影响响的的因因素素主主要要有有：电电源源电电压压和和参参考考电电压压的的稳稳定定度度、运运算算放放大大器器的的稳稳定定性性、环环境境温温度度等等，受受芯芯片片本本身身影影响响因因素素有有

23、：分分辨辨率率、量量化化误误差差、相对误差、线性误差等。相对误差、线性误差等。4 4、为为了了能能对对单单片片集集成成芯芯片片ADCADC和和DACDAC有有感感性性认认识识，分分别别解解剖剖了了DAC0832DAC0832型型、ADC0808/0809ADC0808/0809型型集集成成芯芯片片。对对于于单单片片集集成成芯芯片片，只只要要求求掌掌握握其其外外部特性，引脚功能，使用方法等即可。部特性，引脚功能，使用方法等即可。课后作业T T8.2 8.2、常用的常用的DAC有哪几种，其特点分别是什么？T T8.38.3、什么是什么是A/D转换？常见的ADC有哪几种？其特点分别是什么？T T8.5 8.5、有一个八位倒有一个八位倒T T型电阻网络型电阻网络DACDAC中，已知中，已知U UREF=10V，试求如下输入数 字时的输出电压值。（1）各位全为1；（2）仅最高位为1；（3）10011000；（4）0111101T T8.78.7、某某8位ADC电路满值输入电压变12V，当输入电压值分别为63.9mv，6.93V、11.7V时，输出数字量是多少？T T8.88.8、一个位逐次逼近型一个位逐次逼近型ADC，满值输入电压为10V，时钟频率约2.5MHZ，试求 （1）转换时间是多少？（2）Vi=8.5v，输出数字量是多少？（3）Vi=2.4v输出数字量是多少？