《电工学》第六版下册电子技术第23章课件

第二十三章第二十三章 模拟量和数字量的转换模拟量和数字量的转换(1-0)第二十三章 模拟量和数字量的转换(1-0)第二十三章第二十三章 模拟量和数字量的转换模拟量和数字量的转换 23.1 D/A转换器转换器 23.2 A/D转换器转换器1第二十三章 模拟量和数字量的转换 23.1 D/A转换器 数模与模数转换器是计算机与外数模与模数转换器是计算机与外部设备的重要接口，也是数字测量和数字部设备的重要接口，也是数字测量和数字控制系统的重要部件。控制系统的重要部件。能将数字量转换为模拟量的装置称为能将数字量转换为模拟量的装置称为数模转换器（简称：数模转换器（简称：D/A转换器转换器）；能）；能将模拟量转换为数字量的装置称为模数将模拟量转换为数字量的装置称为模数转换器（简称：转换器（简称：A/D转换器转换器）。）。概概 述述2 数模与模数转换器是计算机与外部设备的重传感器传感器模拟控制模拟控制模模拟拟信信号号数字计算机数字计算机 数字控制数字控制 数数字字信信号号ADCDACD/A、A/D转换器的原理框图转换器的原理框图3传感器模拟控制模拟信号数字计算机 数字控制 数字信号ADC 由于构成由于构成数字代码的每一位都有一数字代码的每一位都有一定的定的“权重权重”，因此为了把数字量转换，因此为了把数字量转换成模拟量，就必须将每一位代码成模拟量，就必须将每一位代码按其按其“权重权重”转换成相应的模拟量转换成相应的模拟量，然后再把，然后再把代表各位的模拟量相加，即可得到与该代表各位的模拟量相加，即可得到与该数字量成正比的模拟量，这就是构成数字量成正比的模拟量，这就是构成D/A转换器的基本思想。转换器的基本思想。23.1 D/A转换器转换器4 由于构成数字代码的每一位都有一定的“权重”，倒倒T T 形电阻网络形电阻网络 D/A D/A 转换器转换器基准电压基准电压电子模拟开关电子模拟开关T T形电阻网络形电阻网络最低位最低位最高位最高位5倒T 形电阻网络 D/A 转换器基准电压电子模拟开关T形电阻R6R6R7R7例：例：一个八位倒一个八位倒 T 型电阻网络数型电阻网络数/模转换器，模转换器，当输入数字量为当输入数字量为 00000001 时，输出电压值时，输出电压值 为为-0.02V，若输入二进制数为若输入二进制数为 11010101时，时，输出电压为多少？输出电压为多少？解：解：输入数字量为：输入数字量为：00000001 时，时，输出电压值为：输出电压值为：uo=-0.02V （11010101）2=27+26+24+22+20=（213）10 输出电压值为：输出电压值为：uo=213(-0.02)=-4.26V8例：一个八位倒 T 型电阻网络数/模转换器，解：输入D/A 转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 指最小输出电压和最大输出电压之比。指最小输出电压和最大输出电压之比。有时也用输入数字量的有效位数来表示。有时也用输入数字量的有效位数来表示。一、分辨率一、分辨率 例：十位例：十位D/A转换器的分辨率为转换器的分辨率为 1/(2101)=1/10230.001二、输出电压二、输出电压(电流电流)的建立时间的建立时间 指从输入数字信号起，到输出电压（电指从输入数字信号起，到输出电压（电流）达稳定值时所需的时间。流）达稳定值时所需的时间。9D/A 转换器的主要技术指标 指最小输出电压和最大输出 指输出模拟电压的实际值与理想值之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。差。即最大静态转换误差。三、精度三、精度四、线性度四、线性度 通常用非线性误差的大小表示。通常用非线性误差的大小表示。五、电源抑制比五、电源抑制比 指输出电压的变化与相对应的电源电指输出电压的变化与相对应的电源电压（模拟开关、运放电源）的变化之比。压（模拟开关、运放电源）的变化之比。10 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 目前，目前，D/AD/A转换器集成电路芯片种转换器集成电路芯片种类很多。按输入二进制数的位数分类有类很多。按输入二进制数的位数分类有八位、十位、十二位、十六位等，使用八位、十位、十二位、十六位等，使用者可根据任务要求进行选择。者可根据任务要求进行选择。11 目前，D/A转换器集成电路芯片种类很多。按输入二集成芯片集成芯片AD7520d0 d9：十位数字量输入端；：十位数字量输入端；IO1、IO2：电流输出端；电流输出端；RF：内部电阻引出端；：内部电阻引出端；UDD：模拟开关：模拟开关电源接线端；电源接线端；GND：接地端。接地端。URIO1IO2RFGNDd4AD752012345678161514131211109UDD+URd3d2d1d0d5d6d7d8d9 U UOO+UR：参考电源，可正可负；参考电源，可正可负；RF12集成芯片d0 d9：十位数字量输入端；IO1、IO2：电 A/D转换器的任务是把模拟量转转换器的任务是把模拟量转换成数字量，它是模拟信号和数字仪换成数字量，它是模拟信号和数字仪器的接口。器的接口。A/D转换器的类型很多，有并联比转换器的类型很多，有并联比较型、逐次逼近型、双积分型等。在较型、逐次逼近型、双积分型等。在此仅介绍逐次逼近型。此仅介绍逐次逼近型。23.2 A/D转换器转换器13 A/D转换器的任务是把模拟量转换成数字量，其工作原理可用天平秤重作比喻。若有其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四个砝码共重四个砝码共重15克，每个重量分别为克，每个重量分别为8、4、2、1克。设待秤重量克。设待秤重量Wx=13克，可以用下表克，可以用下表步骤来秤量：步骤来秤量：砝码重砝码重第一次第一次第二次第二次第三次第三次第四次第四次加加4克克加加2克克加加1克克8 克克砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx，故保留，故保留砝码总重仍砝码总重仍 待测重量待测重量Wx，故撤除，故撤除砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx，故保留，故保留暂时结果暂时结果8 克克12 克克12 克克13 克克 结结 论论逐次逼近型逐次逼近型 A/D转换器转换器14 其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四个砝码共 逐次逼逐次逼近寄存器近寄存器 电压电压比较器比较器 控制控制逻辑门逻辑门输入输入输出输出准备工作准备工作Q Q4 4QQ0 0=10000=10000第五个第五个CPCP时数据输出时数据输出QF3SRRF2SQRF1SQRF0SQ&d d3 3&d d2 2&d d1 1&d d0 0&111111d d3 3d d0 0E E读出控制端读出控制端U UI IU UO O 时钟脉冲时钟脉冲五位顺序脉冲发生器五位顺序脉冲发生器四位四位D/AD/A转换器转换器CPCPQ Q4 4Q Q3 3Q Q2 2Q Q1 1Q Q0 0d d2 2d d1 1 脉冲脉冲发生器发生器 数数-模转换器模转换器15 逐次逼近寄存器 电压比较器 控制逻辑门输入输出准备工作第五1 0 0 0 01：1 0 0 0 101 01 01 01102：0113：4：5：UI=5.52VD/A参考电压参考电压UR=-8Vd3=1:4Vd2=1:2Vd1=1:1Vd0=1:0.5V100011001010101110110 1 0 01 0 0 1 0 1 0 10 0 1 0 0 0 0 00 0 0 1 1 0 0 00 0 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 0 0 0161 0 0 转换过程转换过程转换过程转换过程2 23 34 4 1 11 0 0 0U UA A U UI I6V U UA A U UI I5VU UA A U UI I1 1 0 01 0 1 01 0 1 1 U UR R=-8V=-8V，U UI I =5.52V=5.52VD/A转换器输出转换器输出UA为正值为正值“1”“1”留否留否留否留否d d3 3 d d2 2 d d1 1 d d0 0U UA A(V)(V)顺顺顺顺 序序序序比比比比 较较较较 判判判判 断断断断17转换过程234 11 0 0 转换数字量转换数字量转换数字量转换数字量1011 4+1+0.5=5.5V1011 4+1+0.5=5.5V转换误差为转换误差为转换误差为转换误差为 0.02V 0.02V U UR R=-8V=-8V，U UI I=5.52V=5.52V若输出为若输出为若输出为若输出为 8 8位数字量位数字量位数字量位数字量转换数字量转换数字量转换数字量转换数字量1011000110110001 4+1+0.5+0.03125=5.53125V4+1+0.5+0.03125=5.53125V转换误差为转换误差为转换误差为转换误差为+0.01125V+0.01125V位数越多误差越小位数越多误差越小位数越多误差越小位数越多误差越小18转换数字量1011 4+1+0.5=5.5VUt11000t21100t3UO UI1010t41011t51011UO UI逐逐次次逼逼近近转转换换过过程程示示意意图图19t11000t21100t3UO UI1010t4101A/D 转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 一、分辨率一、分辨率二、转换速度二、转换速度 以输出二进制代码位数表示分辨率。位以输出二进制代码位数表示分辨率。位数越多，量化误差越小，转换精度越高。数越多，量化误差越小，转换精度越高。指从它接到转换命令起，直到输出端得指从它接到转换命令起，直到输出端得到稳定的数字量输出时所需要的时间。到稳定的数字量输出时所需要的时间。20A/D 转换器的主要技术指标 一、分辨率二、转换速度 实际转换值和理想特性间的最大偏差。实际转换值和理想特性间的最大偏差。三、相对精度三、相对精度四、电源抑制四、电源抑制 在输入模拟电压不变的情况下，转换电在输入模拟电压不变的情况下，转换电路电源电压的变化对输出电压的影响，可路电源电压的变化对输出电压的影响，可用输出数字量的绝对变化量表示。用输出数字量的绝对变化量表示。21 实际转换值和理想特性间的最大偏差。三、相对精度四、电 A/D转换器有多种型号的集成芯片可转换器有多种型号的集成芯片可供选择。如：高速的，高分辨率的，高供选择。如：高速的，高分辨率的，高速且高精度的等等，使用者可根据任务速且高精度的等等，使用者可根据任务要求进行选择。要求进行选择。22 A/D转换器有多种型号的集成芯片可供选择。如：高ADC0809结构框图结构框图GNDAB C8通通 道道 模模 拟拟 开开 关关 比较器比较器逻辑控制逻辑控制逐次逼近逐次逼近寄存器寄存器 D/A转换器转换器地址锁存地址锁存 译码器译码器三态输出锁存器三态输出锁存器UDDUR(+)UR(-)D7D0D6D5D4D3D2D1IN7IN6IN5IN4IN3IN2IN1IN0 ALEEOCSTARTCLOCKEOUT地址锁存地址锁存=640kHz转换结束转换结束输出允许输出允许清零清零转换开始转换开始23ADC0809结构框图GNDAB C8通 道 模 拟 ADC 0809管脚分布图管脚分布图UR(-)BD4D0D2D7D6D51 12 23 34 45 56 67 78 89 91010191918181717161615151414131312121111202025252424232322222121262627272828IN2IN1IN0 GNDD1ALEEOC STARTCLOCKD3 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7EOUTACUR(+)UDDADC 080924ADC 0809UR(-)BD4D0D2D7D6D51234UR(-)BD4D0D2D7D6D51 12 23 34 45 56 67 78 89 91010191918181717161615151414131312121111202025252424232322222121262627272828IN2IN1IN0 GNDD1ALEEOC STARTCLOCKD3 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7EOUTACUR(+)UDDADC 0809D0 D7数字量输入数字量输入IN0 IN7数字量输入数字量输入八选一八选一地址输入端地址输入端八选一八选一地址输入端地址输入端25UR(-)BD4D0D2D7D6D5123456789101UR(-)BD4D0D2D7D6D51 12 23 34 45 56 67 78 89 91010191918181717161615151414131312121111202025252424232322222121262627272828IN2IN1IN0 GNDD1ALEEOC STARTCLOCKD3 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7EOUTACUR(+)UDDADC 0809输出允许端输出允许端启动信号输入启动信号输入外部时钟输入外部时钟输入转换结束信号端转换结束信号端参考电压输入端参考电压输入端26UR(-)BD4D0D2D7D6D5123456789101结结 束束 (1-27)结 束 (1-27)