数-模和模-数转换课件

第第九九章章 数数-模和模模和模-数转换数转换本章本章要求要求1.1.掌握数掌握数掌握数掌握数-模、模模、模模、模模、模-数转换的基本概念和转换原理。数转换的基本概念和转换原理。数转换的基本概念和转换原理。数转换的基本概念和转换原理。2.2.了解数了解数了解数了解数-模、模模、模模、模模、模-数转换常用芯片的使用方法。数转换常用芯片的使用方法。数转换常用芯片的使用方法。数转换常用芯片的使用方法。9.1 数数-模模转换器转换器9.1.1 T型电阻网络数型电阻网络数-模模转换器转换器2 2R RA A+U UR RS S2 2S S0 0S S1 1S S3 32 2R R2 2R R2 2R R2 2R Rd d0 0d d1 1d d2 2d d3 30 0R RR RR R1 11 10 0U Uo o+-A AR RF F2 2R R0 00 01 11 1+一、电路一、电路一、电路一、电路分析输入数字量和输出模拟电压分析输入数字量和输出模拟电压分析输入数字量和输出模拟电压分析输入数字量和输出模拟电压U Uo o o o之间的关系之间的关系之间的关系之间的关系 T T型网络开路时的输出电压型网络开路时的输出电压型网络开路时的输出电压型网络开路时的输出电压U UA A即是反相比例运算电即是反相比例运算电即是反相比例运算电即是反相比例运算电路的输入电压。路的输入电压。路的输入电压。路的输入电压。反相比例反相比例反相比例反相比例运算电路运算电路运算电路运算电路T T型电型电型电型电子网络子网络子网络子网络2 2R RA A+U UR RS S2 2S S0 0S S1 1S S3 32 2R R2 2R R2 2R R2 2R Rd d0 0d d1 1d d2 2d d3 30 0R RR RR R1 11 10 0U Uo o+-A AR RF F2 2R R0 00 01 11 1+二、转换原理二、转换原理二、转换原理二、转换原理用戴维宁定理和叠加定理计算用戴维宁定理和叠加定理计算用戴维宁定理和叠加定理计算用戴维宁定理和叠加定理计算U UA AA A+U UR RS S2 2S S0 0S S1 1S S3 32 2R R2 2R R2 2R R2 2R Rd d0 0d d1 1d d2 2d d3 30 0R RR RR R1 11 10 02 2R R0 00 01 11 1最低位最低位最低位最低位(LSB)(LSB)最高位最高位最高位最高位(MSB)(MSB)1 0 0 0对应二进制数为对应二进制数为对应二进制数为对应二进制数为0001000100010001对应二进制数为对应二进制数为对应二进制数为对应二进制数为0001000100010001时，时，时，时，A A2 2R R2 2R R2 2R RR RR RR RR R等效电路如右下图等效电路如右下图等效电路如右下图等效电路如右下图1 11 1 2 22 2 3 33 3 2 2R R2 2R R2 2R R2 2R RR RR RR R2 2R RU UR RA AR RA A0 00 0 对应二进制数为对应二进制数为对应二进制数为对应二进制数为0001000100010001时，时，时，时，等效电路如下等效电路如下等效电路如下等效电路如下R RA A同理：对应二进制数同理：对应二进制数同理：对应二进制数同理：对应二进制数为为为为0010001000100010时，有时，有时，有时，有同理：对应二进制数同理：对应二进制数同理：对应二进制数同理：对应二进制数为为为为1000100010001000时，有时，有时，有时，有同理：对应二进制数同理：对应二进制数同理：对应二进制数同理：对应二进制数为为为为0100010001000100时，有时，有时，有时，有A AR R T T型网络开路时的输出电压型网络开路时的输出电压型网络开路时的输出电压型网络开路时的输出电压U UA A，即等效电源电压即等效电源电压即等效电源电压即等效电源电压U UE E。等效电阻为等效电阻为等效电阻为等效电阻为 R R 等效电路如右图等效电路如右图等效电路如右图等效电路如右图R RA AU UE E 若输入的是若输入的是若输入的是若输入的是 n n位二进制数，则位二进制数，则位二进制数，则位二进制数，则2 2R RU Uo o+-A AR RF F+R RU UE E+A A 若取若取若取若取 R RF F=3R=3R，则，则，则，则 若输入的是若输入的是若输入的是若输入的是 n n位二进制数，则位二进制数，则位二进制数，则位二进制数，则2 2R RU Uo o+-A AR RF F+R RU UE E+A A9.1.2 倒倒T型电阻网络型电阻网络D A转换转换器器分析输入数字量和输出模拟电压分析输入数字量和输出模拟电压分析输入数字量和输出模拟电压分析输入数字量和输出模拟电压u u u uo o o o之间的关系之间的关系之间的关系之间的关系转换原理转换原理转换原理转换原理倒倒倒倒T T型解码网络型解码网络型解码网络型解码网络uo2RABD+URS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0+-ARFd3d2d1d00RRRI3I1I0I01C110I2IRUc =UR/2UB =UR/4UA =UR/8UD =UR 即：即：由于解码网络的电路结构由于解码网络的电路结构由于解码网络的电路结构由于解码网络的电路结构和参数匹配，则图中各点和参数匹配，则图中各点和参数匹配，则图中各点和参数匹配，则图中各点(D D、C C、B B、A)A)电位逐位电位逐位电位逐位电位逐位减半。减半。减半。减半。uo2RABD+URS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0+-ARFd3d2d1d00RRRI3I1I0I01C110I2IR 因此，每个因此，每个因此，每个因此，每个2 2R R支路支路支路支路中的电流也逐位减半。中的电流也逐位减半。中的电流也逐位减半。中的电流也逐位减半。即：即：即：即：uo2RABD+URS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0+-ARFd3d2d1d00RRRI3I1I0I01C110I2IRuo2RABD+URS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0+-ARFd3d2d1d00RRRI3I1I0I01C110I2IR9.1.3 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。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。1.1.分辨率分辨率 2.2.2.2.线性度线性度线性度线性度 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D/AD/A转换器的线性转换器的线性转换器的线性转换器的线性度。把偏离理想的输入输出特性的偏差与满刻度度。把偏离理想的输入输出特性的偏差与满刻度度。把偏离理想的输入输出特性的偏差与满刻度度。把偏离理想的输入输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数定义为非线性误差。输出之比的百分数定义为非线性误差。输出之比的百分数定义为非线性误差。输出之比的百分数定义为非线性误差。3.3.3.3.输出电压输出电压输出电压输出电压(电流电流电流电流 )的建立时间的建立时间的建立时间的建立时间例例例例:十位十位十位十位D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器 的分辨率为的分辨率为的分辨率为的分辨率为从输入数字信号起，到输出电压或电流到达稳定值所需时间从输入数字信号起，到输出电压或电流到达稳定值所需时间从输入数字信号起，到输出电压或电流到达稳定值所需时间从输入数字信号起，到输出电压或电流到达稳定值所需时间有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。通常通常通常通常D/AD/A转换器的建立时间不大于转换器的建立时间不大于转换器的建立时间不大于转换器的建立时间不大于1 1 S S DAC0832是八位的是八位的D/A转换器转换器,即在对其输入即在对其输入八位数字量后，通过外接的运算放大器，可以获八位数字量后，通过外接的运算放大器，可以获得相应的模拟电压值。得相应的模拟电压值。9.1.4 DAC0832 D/A转转换器。换器。一、内部简化电路框图一、内部简化电路框图一、内部简化电路框图一、内部简化电路框图DAC 0832 简化电路框图简化电路框图八位八位寄存器寄存器输入输入八位八位寄存器寄存器DACDAC八位八位转换器转换器UREFRFIout1Iout2AGNDUCCDGND&ILECSWR1WR2XFERD/AD/AD7D0.11二、芯片管脚二、芯片管脚二、芯片管脚二、芯片管脚DAC DAC 0832 0832 管脚分布图管脚分布图管脚分布图管脚分布图CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUREFRFDGNDILEXFERIout1Iout21234567891019181716151413121120片选信号，片选信号，低电平有效低电平有效写入控制，写入控制，低电平有效低电平有效模拟地端模拟地端D0 D7数字量输入数字量输入参考电压参考电压输入端输入端DACDAC 0832 0832 管脚分布图管脚分布图管脚分布图管脚分布图CSCSWRWR1 1WRWR2 2AGNDAGNDD D4 4D D5 5D D6 6D D7 7D D0 0D D1 1D D2 2D D3 3U UCCCCU UREFREFR RF FDGNDDGNDILEILEXFERXFERI Iout1out1I Iout2out21 12 23 34 45 56 67 78 89 910101919181817171616151514141313121211112020数字地端数字地端反馈电阻反馈电阻外接端外接端CSCSWRWR1 1WRWR2 2AGNDAGNDD D4 4D D5 5D D6 6D D7 7D D0 0D D1 1D D2 2D D3 3U UCCCCU UREFREFR RF FDGNDDGNDILEILEXFERXFERI Iout1out1I Iout2out21 12 23 34 45 56 67 78 89 910101919181817171616151514141313121211112020DACDAC 0832 0832 管脚分布图管脚分布图管脚分布图管脚分布图输入锁存允许信输入锁存允许信号，高电平有效号，高电平有效芯片工作电压芯片工作电压 输入端输入端 写入控制端写入控制端低电平有效，与低电平有效，与 配合使用配合使用XFERCSCSWRWR1 1WRWR2 2AGNDAGNDD D4 4D D5 5D D6 6D D7 7D D0 0D D1 1D D2 2D D3 3U UCCCCU UREFREFR RF FDGNDDGNDILEILEXFERXFERI Iout1out1I Iout2out21 12 23 34 45 56 67 78 89 910101919181817171616151514141313121211112020DACDAC 0832 0832 管脚分布图管脚分布图管脚分布图管脚分布图电流输出端电流输出端单极性输出时。单极性输出时。Iout2接模拟地接模拟地 传送控制端传送控制端低电平有效，与低电平有效，与WR2配合使用配合使用CSCSWRWR1 1WRWR2 2AGNDAGNDD D4 4D D5 5D D6 6D D7 7D D0 0D D1 1D D2 2D D3 3U UCCCCU UREFREFR RF FDGNDDGNDILEILEXFERXFERI Iout1out1I Iout2out21 12 23 34 45 56 67 78 89 910101919181817171616151514141313121211112020DAC 0832 DAC 0832 管脚分布图管脚分布图管脚分布图管脚分布图9.2模模-数数转换器转换器 模模模模数数数数(A/D)(A/D)转换器的任务是将模拟量转换成转换器的任务是将模拟量转换成转换器的任务是将模拟量转换成转换器的任务是将模拟量转换成数字量数字量数字量数字量,它是模拟信号和数字仪器的接口。根据其它是模拟信号和数字仪器的接口。根据其它是模拟信号和数字仪器的接口。根据其它是模拟信号和数字仪器的接口。根据其性能不同，类型也比较多。性能不同，类型也比较多。性能不同，类型也比较多。性能不同，类型也比较多。下面介绍逐次逼近式下面介绍逐次逼近式下面介绍逐次逼近式下面介绍逐次逼近式A/DA/D转换电路的原理和一转换电路的原理和一转换电路的原理和一转换电路的原理和一种常用的集成电路组件。最后举例说明其应用。种常用的集成电路组件。最后举例说明其应用。种常用的集成电路组件。最后举例说明其应用。种常用的集成电路组件。最后举例说明其应用。9.2.1 A/D 变换器的主要技术指标变换器的主要技术指标1.分辨率分辨率 以输出二进制数的位数表示分辨率。以输出二进制数的位数表示分辨率。位数越多，误差越小，转换精度越高。位数越多，误差越小，转换精度越高。2.转换速度转换速度 完成一次完成一次A/DA/D转换所需要的时间，即从它转换所需要的时间，即从它 接到转换控制信号起，到输出端得到稳定接到转换控制信号起，到输出端得到稳定 的数字量输出所需要的时间。的数字量输出所需要的时间。3.相对精度相对精度 实际转换值和理想特性之间的最大偏差。实际转换值和理想特性之间的最大偏差。4.4.其它其它 功率、电源电压、电压范围等。功率、电源电压、电压范围等。9.2.2 逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器转换器 其工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明。其工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明。其工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明。其工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明。若有四个砝码共重若有四个砝码共重若有四个砝码共重若有四个砝码共重1515克，每个重量分别为克，每个重量分别为克，每个重量分别为克，每个重量分别为8 8、4 4、2 2、1 1克。设待秤重量克。设待秤重量克。设待秤重量克。设待秤重量WxWx=13=13克，可以用下表步骤来秤克，可以用下表步骤来秤克，可以用下表步骤来秤克，可以用下表步骤来秤量：量：量：量：2 28 g+4 g3 38 g+4 g+2 g4 48 g+4 g+1 g 1 18 g8g 13g，12g 13g，13g 13g，8 g8 g12 g12 g12 g12 g13g暂时结果暂时结果砝砝 码码 重重比比 较较 判判 断断顺顺 序序保留保留保留保留保留保留保留保留撤去撤去撤去撤去保留保留保留保留QF3SRRF2SQRF1SQRF0SQ&d3&d2&d1&d0读出读出“与门与门”&111d3d0E读出控制端读出控制端U1UA电压电压比较器比较器逐次逼近逐次逼近寄存器寄存器控制逻辑门控制逻辑门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逐次逼近型模四位逐次逼近型模-数转换器的原理电路数转换器的原理电路四位四位D/A转换器转换器CQ4Q3Q2Q1Q0d2d1一、一、一、一、转换原理转换原理转换原理转换原理(待转换的模拟电压待转换的模拟电压待转换的模拟电压待转换的模拟电压)U UI I 数码寄存器数码寄存器数码寄存器数码寄存器 顺序脉冲发生器顺序脉冲发生器顺序脉冲发生器顺序脉冲发生器D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器u0控控控控制制制制逻逻逻逻辑辑辑辑时钟时钟清清清清0 0 0 0、置数、置数、置数、置数清清清清0 0 0 0、置数、置数、置数、置数CP(CP(CP(CP(移位命令移位命令移位命令移位命令)“1”1”1”1”状态是否保状态是否保状态是否保状态是否保留留留留控制端控制端控制端控制端U UA A试探电压试探电压试探电压试探电压放哪一放哪一放哪一放哪一个砝码个砝码个砝码个砝码砝码是砝码是砝码是砝码是否保存否保存否保存否保存二、二、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 I“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1 1 0 01 0 1 01 0 1 1 例：例：例：例：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 0.02V0.02V例：例：例：例：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逐次逼近转换过程示意图逐次逼近转换过程示意图逐次逼近转换过程示意图逐次逼近转换过程示意图t0t1t310001100101010001011t2U UA A U UI IU UA A U UI I(转换误差转换误差转换误差转换误差:0.02V):0.02V)9.2.3 9.2.3 ADC0809ADC0809八位八位八位八位A/DA/D转转转转换器换器换器换器GNDGNDC CB B A A8 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 译译 码码 器器三三态态输输出出锁锁存存器器U UDDDDU UR R(+)(+)U UR R(-)(-)D D7 7D D0 0D D6 6D D5 5D D4 4D D3 3D D2 2D D1 1ININ7 7ININ6 6ININ5 5ININ4 4ININ3 3ININ2 2ININ1 1ININ0 0 ALEALEEOCEOCSTARTSTARTCLOCKCLOCKEOUTEOUTADCADC 0809 0809管脚分布图管脚分布图管脚分布图管脚分布图U UR R(-)(-)B BD D4 4D D0 0D D2 2D D7 7D D6 6D D5 51 12 23 34 45 56 67 78 89 91010191918181717161615151414131312121111202025252424232322222121262627272828ININ2 2ININ1 1ININ0 0 GNDGNDD D1 1 ALE ALEEOCEOC START STARTCLOCKCLOCKD D3 3 IN IN3 3 IN IN4 4 IN IN5 5 IN IN6 6 IN IN7 7EOUTEOUTA AC CU UR R(+)(+)U UDDDD9.2.3 9.2.3 双积分型双积分型A/DA/D转换器转换器双积分型双积分型A/DA/D转换器转换器的的逻辑图逻辑图如下所示。如下所示。A AD D转换器实现转换的全过程，是在控转换器实现转换的全过程，是在控制电路控制下，按下图所示的三个阶段制电路控制下，按下图所示的三个阶段进行的。进行的。双积分型双积分型A/DA/D转换器逻辑图转换器逻辑图 双积分式双积分式A AD D转换器工作波形转换器工作波形(1)准备阶段准备阶段(t0t1)逻辑控制电路控制逻辑控制电路控制电子开关，首先使电子开关，首先使A输入端接地，积分输入端接地，积分器输入电压为零，输出也为零。同时器输入电压为零，输出也为零。同时计数器复零，整个电路处于初始状态。计数器复零，整个电路处于初始状态。当Ux为直流时：(2)采采样样阶阶段段(t1t2)在在t1时时刻刻，A端端与与地地断断开开，接接入入被被测测电电压压，于于是是积积分分器器对对被被测测电电压压Ux进进行行正正向向积积分分。当当被被测测电电压压为为负负值值时时，积积分分器器输输出出电电压压线线性性上上升升，向向时时逻逻辑辑控控制制电电路路使使闸闸门门打打开开，时时钟钟脉脉冲冲通通过过闸闸门门计计数数。到到t2时时刻刻计计数数器器记记满满，获获 得得 固固 定定 时时 间间T 1=t2-t1。在在t2时时 刻刻，积积 分分器输出电压为：器输出电压为：(3)比较阶段比较阶段(t2t3)当采样阶段结束时，A端与Ux断开，而接入与被测电压极性相反的比较电压VREF，积分器开始反向积分，同时在t2时刻计数器清零后，重新开始计数。到t3时刻，积分器输出电压已从Uom线性下降到零，比较器输出一个控制信号经控制电路使A端与VREF断开，又与地端接通，完成一次转换。又因为、，则有：当Ux为直流时：比较阶段所用时间为T2=t3-t2，所以在t3时刻：因为VREF和T2都为常数，所以T2与被测电压成正比，在T2时间计的脉冲个数N2也与被测电压成正比，从而完成了模拟电压数字的转换。如果参数选择合适，可以实现显示的脉冲个数N2就代表被测电压值。双积分式DVM的准确度主要取决于比较基准电压的准确度和稳定度，而与积分参数RC无关，即不必精选元件，就能保证仪表的准确度，这是双积分式DVM的一个重要特点。双积分式DVM对串入的对称性交变干扰有很强的抑制能力；缺点是转换速度慢。一、一、一、一、模拟量转换为数字量的过程称为模拟量转换为数字量的过程称为模拟模拟数字转数字转换换；完成这种转换的装置称为；完成这种转换的装置称为模拟模拟数字转换器数字转换器(Analog to Digital Converter)，简称为简称为模数转换模数转换器器或或ADC。二、二、二、二、常用的模常用的模/数转换有：数转换有：逐次逼近比较型逐次逼近比较型A/D转换转换器、双积分型器、双积分型A/D转换器转换器 1逐次逼近比较式逐次逼近比较式DVM的准确度由基准电压、的准确度由基准电压、D/A转换器及比较器的准确度和稳定度所决定。转转换器及比较器的准确度和稳定度所决定。转换时间是由时钟脉冲频率和输出数码的位数决定。换时间是由时钟脉冲频率和输出数码的位数决定。特点特点是测量速度较快，每秒可达数千次；但对混是测量速度较快，每秒可达数千次；但对混入被测电压中的干扰抑制能力较差。入被测电压中的干扰抑制能力较差。本章小结本章小结2 2双双积积分分式式DVMDVM的的准准确确度度主主要要取取决决于于比比较较基基准准电电压压的的准准确确度度和和稳稳定定度度，而而与与积积分分参参数数RCRC无无关关；双双积积分分式式DVMDVM对对串串入入的的对称性交变干扰有很强的抑制能力，但转换速度慢。对称性交变干扰有很强的抑制能力，但转换速度慢。三三三三、数数字字量量转转换换为为模模拟拟量量的的过过程程称称为为数数字字模模拟拟转转换换；把把完完成成这这种种转转换换的的装装置置称称为为数数字字模模拟拟转转换换器器(Digital(Digital to to Analog Converter)Analog Converter)，简称简称为数模转换器为数模转换器或或DACDAC。DACDAC的的精精度度主主要要与与变变换换器器中中所所用用元元件件精精度度及及稳稳定定性性、电电路中的噪声及漏电等因素有关。路中的噪声及漏电等因素有关。四四四四、常常用用的的数数/模模转转换换有有：权权电电阻阻D DA A转转换换器器、R-2RR-2R梯梯形形网网络的络的D/AD/A转换器、倒置转换器、倒置R-2RR-2R梯形转换器等。梯形转换器等。2 2R-2RR-2R梯形网络梯形网络D/AD/A转换器的输出模拟电压与输转换器的输出模拟电压与输入数字量的关系为：入数字量的关系为：3 3倒置倒置R-2RR-2R梯形转换器的输出模拟电压与输梯形转换器的输出模拟电压与输入数字量的关系为：入数字量的关系为：1权电阻权电阻DA转换器的输出模拟电压与输转换器的输出模拟电压与输入数字量的关系为：入数字量的关系为：