第24章 模拟量和数字量的转换

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,(7-,*,),（下）,第24章,模拟量和数字量的转换,电工技术与电子技术,返回,第24章 模拟量和数字量的转换,24.1 数,模转换器,24.2,模数转换器,后一页,返回,24.3 典型,D/A,和,A/D,芯片简介,模,数与数,模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控制系统的重要部件。,将模拟量转换为数字量的装置称为模,数转换器,(,简称,A/D,转换器或,ADC,）；,返回,前一页,后一页,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,DAC,将数字量转换为模拟量的装置称为数,模转换器(简称,D/A,转换器或,DAC,),24.1 数模转换器,数模,转换（,D/A,转换器,）的基本思想：,由于构成数字代码的每一位都有一定的“权”，因此为了将数字量转换成模拟量，就必须将每一位代码按其“权”转换成相应的模拟量，然后再将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,D/A,转换器的基本思想。,返回,前一页,后一页,1.电路,24.1.1,T,型电阻网络数-模,转换器,2R,A,+,U,R,S,2,S,0,S,1,S,3,2R,2R,2R,2R,d,0,d,1,d,2,d,3,0,R,R,R,1,1,0,U,o,+,+,-,A,R,F,2R,0,0,1,1,数码寄存器,+,由数个相同的电路环节构成，每个电路环节有两个电阻和一个模拟开关。,参考电压,存放四位,二进制数,最低位,(,LSB),最高位,(,MSB),模拟,开关,返回,前一页,后一页,1.电路,24.1,T,型电阻网络数-模,转换器,2R,A,+,U,R,S,2,S,0,S,1,S,3,2R,2R,2R,2R,d,0,d,1,d,2,d,3,0,R,R,R,1,1,0,U,o,+,+,-,A,R,F,2R,0,0,1,1,数码寄存器,+,参考电压,存放四位,二进制数,最低位,(,LSB),最高位,(,MSB),各位的数码控制相应位的模拟开关，数码为,“,1,”,时，开关接电源,U,R,；,为0时接,“,地,”,。,电子模,拟开关,返回,前一页,后一页,2.转换原理,分析输入数字量和输出模拟电压,U,o,之间的关系,2R,A,+,U,R,S,2,S,0,S,1,S,3,2R,2R,2R,2R,d,0,d,1,d,2,d,3,0,R,R,R,1,1,0,U,o,+,+,-,A,R,F,2R,0,0,1,1,+,T,型网络开路时的输出电压,U,A,即是反相比例运算电路的输入电压。,反相比例,运算电路,T,型电,子网络,返回,前一页,后一页,2.转换原理,用戴维宁定理和叠加原理计算,U,A,。,A,+,U,R,S,2,S,0,S,1,S,3,2R,2R,2R,2R,d,0,d,1,d,2,d,3,0,R,R,R,1,1,0,2R,0,0,1,1,最低位,(,LSB),最高位,(,MSB),1 0 0 0,对应二进制数为0001。,返回,前一页,后一页,2.转换原理,对应二进制数为0001时，,A,2R,2R,2R,2R,R,R,R,2R,U,R,A,2R,2R,2R,R,R,R,R,R,A,等效电路如右下：,返回,前一页,后一页,2.转换原理,对应二进制数为0001时，,等效电路如下：,R,A,同理：对应二进制数,为0010时，有,同理：对应二进制数,为1000时，有,同理：对应二进制数,为0100时，有,R,A,返回,前一页,后一页,2.转换原理,T,型网络开路时的输出电压,U,A,，,即等效电源电压,U,E,。,等效电阻为,R,等效电路如右图,R,A,U,E,返回,前一页,后一页,2.转换原理,2R,U,o,+,+,-,A,R,F,+,R,U,E,+,A,若输入的是,n,位二进制数，则,返回,前一页,后一页,2.转换原理,+,2R,U,o,+,+,-,A,R,F,+,R,U,E,A,若输入的是,n,位二进制数，则,若取,R,F,=3R，,则,返回,前一页,后一页,倒,T,型电阻网络,D,A,转换器,分析输入数字量和输出模拟电压,u,o,之间的关系,倒,T,型解码网络,转换原理,u,o,2R,A,B,D,+U,R,S,2,S,3,S,1,S,0,2R,2R,2R,2R,R,3,R,2,R,1,R,0,+,+,-,A,R,F,d,3,d,2,d,1,d,0,0,1,R,R,R,I,3,I,1,I,0,I,C,1,1,0,I,2,返回,前一页,后一页,.,Uc,=,U,R,/2,U,B,=U,R,/4,U,A,=U,R,/8,U,D,=U,R,即：,由于解码网络的电路结构和参数匹配，则图中各点（,D、C、B、A）,电位逐位减半。,2R,A,B,D,+U,R,S,2,S,3,S,1,S,0,2R,2R,2R,2R,R,3,R,2,R,1,R,0,+,+,-,A,R,F,d,3,d,2,d,1,d,0,0,1,R,R,R,I,3,I,1,I,0,I,C,1,1,0,I,2,返回,前一页,后一页,因此，每个2,R,支路中的电流也逐位减半。,即：,2R,A,B,D,+U,R,S,2,S,3,S,1,S,0,2R,2R,2R,2R,R,3,R,2,R,1,R,0,+,+,-,A,R,F,d,3,d,2,d,1,d,0,0,1,R,R,R,I,3,I,1,I,0,I,C,1,1,0,I,2,返回,前一页,后一页,u,o,2R,A,B,D,+U,R,S,2,S,3,S,1,S,0,2R,2R,2R,2R,R,3,R,2,R,1,R,+,+,-,A,R,F,d,3,d,2,d,1,d,0,0,1,R,R,R,I,3,I,1,I,0,I,C,1,1,0,I,2,0,返回,前一页,后一页,24.1.2,D/A,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。,1.分辨率,2.线性度,通常用非线性误差的大小表示,D/A,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输出之比的百分数定义为非线性误差。,3.输出电压(电流)的建立时间,例:十位,D/A,转换器,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,通常,D/A,转换器的建立时间不大于1,S,有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。,返回,前一页,后一页,24.2 模数转换器,模数,(,A/D),转换器的任务是将模拟量转换成数字量,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。,下面介绍逐次逼近式,AD,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。,返回,前一页,后一页,24.2.1 逐次逼近式,AD,转换器,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15克，每个重量分别为8、4、2、1克。设待秤重量,Wx,=13,克，可以用下表步骤来秤量：,2,8,g,+4 g,3,8,g+4 g,+2 g,4,8,g+4 g,+1 g,1,8,g,8g,13g,，,12,g,13g，,13,g 13g，,8,g,12,g,12,g,13,g,暂时结果,砝 码 重,比 较 判 断,顺 序,保留,保留,撤去,保留,返回,前一页,后一页,1.转换原理,(,待转换的模拟电压),U,I,数码寄存器,顺序脉冲发生器,D/A,转换器,u,c,控,制,逻,辑,时钟,清 0,、置数,清 0、置数,C、(,移位命令),“1”状态是否保留,控制端,U,A,试探电压,放哪一,个砝码,砝码是,否保存,返回,前一页,后一页,2.,转换过程,2,3,4,1,1 0 0 0,U,A,U,I,6V,U,A,U,I,5V,U,A,U,I,“,1,”,留否,d,3,d,2,d,2,d,0,U,A,（V）,顺 序,比 较 判 断,1 1 0 0,1 0 1 0,1 0 1 1,例：,U,R,=8V，,U,I,=5.52V,D/A,转换器输出,U,A,为正值,返回,前一页,后一页,转换数字量1011 4+1+0.5=,5.5,V,转换误差为 0.02,V,例：,U,R,=8V，,U,I,=5.52V,若输出为 8位数字量,转换数字量10110001,4+1+0.5+0.03125=,5.53125,V,转换误差为+0.01125,V,(,位数越多误差越小),返回,前一页,后一页,1.,逐次逼近式,A/D,转换器,转换原理,(,待转换的模拟电压),u,x,数码寄存器,移位寄存器,D /A,u,c,控,制,逻,辑,时钟,清 0,、置数,清 0、置数,CP、(,移位命令),“1”状态是否保留,控制端,u,o,试探电压,0,0,0,0,0,0,0,0,顺序脉冲发生器,返回,前一页,后一页,0,0,0,0,(,待转换的模拟电压),u,x,数码寄存器,移位寄存器,D /A,u,c,控,制,逻,辑,时钟,清 0、置数,清 0、置数,CP、(,移位命令),“1”状态是否保留,控制端,u,o,试探电压,0,0,0,0,1,0,0,0,返回,前一页,后一页,(,待转换的模拟电压),u,x,数码寄存器,移位寄存器,D /A,u,c,控,制,逻,辑,时钟,清 0、置数,清 0、置数,CP、(,移位命令),“1”状态是否保留,控制端,u,o,试探电压,1,0,0,0,0,0,0,0,1,0,0,0,返回,前一页,后一页,1,0,0,0,(,待转换的模拟电压),u,x,数码寄存器,移位寄存器,u,c,控,制,逻,辑,时钟,清 0、置数,清 0、置数,CP、(,移位命令),“1”状态是否保留,控制端,D /A,u,o,试探电压,1,0,0,0,u,o1,u,x,u,c,=1,“1”状态保留,返回,前一页,后一页,(,待转换的模拟电压),u,x,数码寄存器,移位寄存器,控,制,逻,辑,时钟,清 0、置数,清 0、置数,控制端,D /A,u,o,试探电压,u,c,=1,返回,前一页,后一页,CP、(,移位命令),1,0,0,0,0,1,0,0,1,0,0,0,1,0,0,(,待转换的模拟电压),u,x,数码寄存器,移位寄存器,控,制,逻,辑,时钟,清 0、置数,清 0、置数,控制端,D /A,u,o,试探电压,前一页,后一页,1,0,0,0,0,1,0,0,1,0,0,0,1,0,0,u,o2,u,x,u,c,=0,“1”状态去掉,0,返回,前一页,后一页,时钟,移位寄存器,控,制,逻,辑,1,0,0,0,0,1,0,0,(,待转换的模拟电压),u,x,数码寄存器,清 0、置数,清 0、置数,控制端,D /A,u,o,试探电压,1,0,0,0,1,0,0,u,c,0,CP、(,移位命令),返回,2.,转换过程列表,2,3,4,1,1 0 0 0,U,A,U,I,6V,U,A,U,I,5V,U,A,U,I,“,1,”,留否,d,3,d,2,d,2,d,0,U,A,（V）,顺 序,比 较 判 断,1 1 0 0,1 0 1 0,1 0 1 1,例：,U,R,=8V，,U,I,=5.52V，,4+1+0.5=,5.5,V,（,转换误差:0.02,V）。,若输出为 8位数字量,转换数字量10110001,4+1+0.5+0.03125=,5.53125,V,(,转换误差+0.01125,V),，,位数越多越精确。,转换数字量,1011,返回,前一页,后一页,逐次逼近转换过程示意图,t,0,t,1,t,3,1,0,0,0,1,1,0,0,1,0,1,0,1,0,0,0,1,0,1,1,t,2,返回,前一页,后一页,U,A,U,I,U,A,U,I,(转换误差:0.02,V),24.2.2,A/D,变换器的主要技术指标,1。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。,2。转换速度,完成一次,A/D,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,的数字量输出所需要的时间。,3。相对精度,实际转换值和理想特性之间的最大偏差。,4。其它：,功率、电源电压、