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第 9 章 数模和模数转换

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第 9 章 数模和模数转换

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  1. 第9章 数模和模数转换 9.1 概述 9.2 D/A转换器 9.3 A/D转换器 退出

  2. 9.1 概述 能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器,简称A/D转换器或ADC;能将数字量转换为模拟量的电路称为数模转换器,简称D/A转换器或DAC。ADC和DAC是沟通模拟电路和数字电路的桥梁,也可称之为两者之间的接口。

  3. 9.2 D/A转换器 9.2.1 D/A转换器的基本原理 9.2.2 D/A转换器的构成 9.2.3 集成D/A转换器及其应用 退出

  4. D/A转换器的基本原理 将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量,然后将代表各位的模拟量相加,所得的总模拟量就与数字量成正比,这样便实现了从数字量到模拟量的转换。 基本原理

  5. 转换特性 D/A转换器的转换特性,是指其输出模拟量和输入数字量之间的转换关系。图示是输入为3位二进制数时的D/A转换器的转换特性。理想的D/A转换器的转换特性,应是输出模拟量与输入数字量成正比。即:输出模拟电压uo=Ku×D或输出模拟电流io=Ki×D。其中Ku或Ki为电压或电流转换比例系数,D为输入二进制数所代表的十进制数。如果输入为n位二进制数dn-1dn-2…d1d0,则输出模拟电压为:

  6. (1)分辨率  分辨率用输入二进制数的有效位数表示。在分辨率为n位的D/A转换器中,输出电压能区分2n个不同的输入二进制代码状态,能给出2n个不同等级的输出模拟电压。  分辨率也可以用D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压的比值来表示。10位D/A转换器的分辨率为: (2)转换精度 D/A转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想值之差,即最大静态转换误差。 (3)输出建立时间  从输入数字信号起,到输出电压或电流到达稳定值时所需要的时间,称为输出建立时间。

  7. D/A转换器的构成 不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端(虚地)还是接到地,也就是不论输入数字信号是1还是0,各支路的电流不变的。

  8. 设RF=R/2

  9. S0 S2 S1 S3 D2 D1 D0 D3 D/A 转换电路 权电阻D/A转换器 RF ★电路构成:(以4位D/A为例) - + 20R 23R 21R 22R ☆权电阻网络:是一个加权求和电路,通过它可以把输入数字量D中的各位1按位权变化为相应的电流,再经过运放求和,最终得到与D成正比的模拟电压VO。 + VREF 位权电阻分别为:20R、21R、22R、23R ☆基准电压:VREF通过模拟开关,按权关系加到电阻解码网络。 ☆模拟电子开关S: 模拟开关受二进制数码 D i 的控制。D3D2D1D0控制相应的模拟电子开关S3S2S1S0。 D i =1, S i= VREF D i= 0, S i= GND ☆求和放大器:由运放构成的反向放大器组成。作为求和权电阻网络的缓冲器,使输出模拟电压VO不受负载变化的影响。并且可以通过改变反馈电阻Rf的大小来调节转换比例系数。

  10. 定量分析 (输出模拟电压和输入数字信号之间的关系) D3D2D1D0=1000时: RF i S3接VREF,其余接地 - + 20R 23R 21R 22R + I3 I2 I1 I0 D3D2D1D0=0100时: S0 S2 S1 S3 S2接VREF,其余接地 VREF D3D2D1D0=0010时: 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 D2 D1 D0 D3 S1接VREF,其余接地 D3D2D1D0=0001时: S0接VREF,其余接地 D3D2D1D0=1111时: D3D2D1D0全部接VREF 根据叠加原理求和放大器总输入电流为:

  11. 对于n位权电阻网络D/A转换器总电流为: 求和放大器输出电压为: 输出模拟电压VO的大小与输入的二进制数码的数值大小成正比, 同时还与量化级有关。 ★输入二进制数码位数越多,量化级越小,D/A输出电压越接近模拟电压。 例1:设4位D/A转换器输入二进制数码D3D2D1D0=1101,基准电压VREF=-8V,Rf= R/2,求输出电压VO。

  12. 权电阻D/A转换器优点: 电路结构简单,使用电阻数目少,n位有n个电阻。 权电阻D/A转换器缺点: 电阻取值范围大。 如果n=8,取R=10KΩ,那么27R=1.28MΩ 在10KΩ~1.28MΩ宽范围内要保证电阻的精度是十分困难的。 例2:设4位D/A转换器输入二进制数码为0000~1111,基准电压VREF=-8V,Rf= R/2,求输出电压VO。并画出输出VO波形。

  13. ①从虚线A、B、C、D处向右看的二端网络等效电阻都是R。①从虚线A、B、C、D处向右看的二端网络等效电阻都是R。 ②不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端(虚地)还是接到地,也就是不论输入数字信号是1还是0,各支路的电流不变。

  14. 9.3 A/D转换器 9.3.1 A/D转换器的基本原理 9.3.2 A/D转换器的构成 9.3.3 集成A/D转换器及其应用 退出

  15. A/D转换器的基本原理 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。

  16. 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uo=ui 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。

  17. (1)分辨率 A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示,位数越多,误差越小,转换精度越高。 例如,输入模拟电压的变化范围为0~5V,输出8位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V×2-8=20mV;而输出12位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V×2-12≈1.22mV。 (2)相对精度 在理想情况下,所有的转换点应当在一条直线上。相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。 (3)转换速度 转换速度是指完成一次转换所需的时间。转换时间是指从接到转换控制信号开始,到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间。

  18. 原理框图 转换开始前先将所有寄存器清零。开始转换以后,时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1,使输出数字为100…0。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ui>uo,说明数字过大了,故将最高位的1清除;若ui<uo,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。 基本原理

  19. CP D7D6D5D4D3D2D1D0 u0 (V) uI>uO 0 10000000 5 1 1 11000000 7.5 0 2 10100000 6.25 1 3 10110000 6.875 0 4 10101000 6. 5625 1 5 10101100 6.71875 1 6 10101110 6.796875 1 7 10101111 6.8359375 1 uI>uO为1否则为0 实例 8位A/D转换器,输入模拟量uI=6.84V, D/A转换器基准电压UREF=10V。 相对误差仅为0.06%。转换精度取决于位数。

  20. 8位逐次比较型A/D转换器波形图

  21. 集成A/D转换器及其应用举例 集成A/D转换器规格品种繁多,常见的有ADC0804、ADC0809、MC14433等。 ADC0804 A/D转换器 ADC0804是一种逐次比较型A/D转换器。

  22. (1)ADC0804的主要功能及参数如下: ① 分辨率为8位。 ② 线性误差为±1/2LSB。 ③ 三态锁存输出,输出电平与TTL兼容。 ④ +5V单电源供电,模拟电压输入范围0~5V。 ⑤ 功耗小于20mW。 ⑥ 不必进行零点和满度调整。 ⑦ 转换速度较高,可达100μS。

  23. (2)ADC0804各引脚功能说明如下: UIN+、UIN-:模拟信号输入端,可接收单极性、双极性和差模输入信号。 UREF:基准电压输入端。 CLK:时钟信号输入端。 CLKR:内部时钟发生器外接电阻端,与CLK端配合可由芯片产生时钟脉冲。 ADC0804引脚图 D0~D7:数据输出端,有三态功能,能与微机总线相接。。 AGND:模拟信号地。 DGND:数字信号地。

  24. CS:片选信号输入端,低电平有效。   RD:读信号输入端,低电平有效。当CS和RD均有效时,可读取转换后的输出数据。   WR:写信号输入端,低电平有效。当CS和WR同时有效时,启动A/D转换。   INTR:转换结束信号输出端,低电平有效。转换开始后,INTR为高电平,转换结束时,该信号变为低电平。因此该信号可作为转换器的状态查询信号,也可作为中断请求信号,以通知CPU取走转换后的数据。

  25. 本章小结 D/A转换器和A/D转换器作为模拟量和数字量之间的转换电路,在信号检测、控制、信息处理等方面发挥着越来越重要的作用。 D/A转换的基本思想是权电流相加。电路通过输入的数字量控制各位电子开关,决定是否在电流求和点加入该位的权电流。倒T形电阻网络是应用较广的电路结构。

  26. A/D转换须经过采样、保持、量化、编码四个步骤才能完成。采样、保持由采样-保持电路完成;量化和编码须在转换过程中实现。逐次比较型ADC是将输入模拟信号和DAC依次产生的比较电压逐次比较。 可供我们选择使用的集成ADC和DAC芯片种类很多,应通过查阅手册,在理解其工作原理的基础上,重点把握这些芯片的外部特性以及与其它电路的接口方法。