第九章模拟信号和数字信号的转换课件

第,九,章 模拟量和数字量的转换,第一节 数,模转换器,第二节,模数转换器,第九章 模拟量和数字量的转换第一节 数模转换器第二节,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,),；,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,),第,九,章 模拟量和数字量的转换,模数与数模转换器是计算机与外部设备的重要接口,第一节,数模转换器,一、R-2R梯形电阻网络D/A转换器,由,AA、,BB、CC、DD,各点,向右看的等效电阻,都,为,R,1、R-2R梯形电阻网络,电流:,第一节 数模转换器一、R-2R梯形电阻网络D/A转换器 由A,u,o,2,R,A,B,D,+,U,R,S,2,S,3,S,1,S,0,2,R,2,R,2,R,2,R,R,3,R,2,R,1,R,0,+,+,-,A,R,F,d,3,d,2,d,1,d,0,0,R,R,R,I,3,I,1,I,0,I,01,C,1,1,0,I,2,I,R,当二进制代码为1时，开关合到运算放大器输入一侧，该支路电流成为运放输入电流 的一部分；当二进制代码为0时，开关合到接地的一侧。,2、R-2R梯形电阻网络D/A转换电路,uo2RABD+URS2S3S1S02R2R2R2RR3R2,u,o,2,R,A,B,D,+,U,R,S,2,S,3,S,1,S,0,2,R,2,R,2,R,2,R,R,3,R,2,R,1,R,0,+,+,-,A,R,F,d,3,d,2,d,1,d,0,0,R,R,R,I,3,I,1,I,0,I,01,C,1,1,0,I,2,I,R,uo2RABD+URS2S3S1S02R2R2R2RR3R2,例1:已知,R,-2,R,梯形网络DA转换器中,R=R,F,=20k,U,R,=10V，试分别求出4位和8位DA转换器的输出最小电压、最大电压。,解：4位DA转换器d3d00001时输出最小电压,U,0min,；d3d01111时输出最大电压,U,0max,。,同理8位DA转换器,在,U,R,和,R,F,相同条件下，DA转换器位数越多，输出最小电压越小，输出最大电压越大,。,例1:已知R-2R梯形网络DA转换器中R=RF=20kU,二、D/A,转换器的主要参数,指最小输出电压和最大输出电压之比。,1.分辨率,2.,转换误差（转换精度）,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,有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。,转换误差是指输出模拟电压的实际值与理论值之差，即最大静态转换误差。转换误差常用输出满刻度FSR的百分数表示，也有用最低有效位的倍数来表示。,输入由全0变为全1或由全1变为全0起，到输出稳定电压(电流)所需的时间。,二、D/A转换器的主要参数 指最小输出电压和最大输出电,1.无锁存无放大器,三、集成D/A转换器,按其组成结构(即功能模块)，集成DA转换器可分为以下三种类型：,完整的集成DA转换器包括4个功能模块：,输入数据寄存器、DA转换网络、模拟输出放大器 及参考电压源。,早期的产品只包含D/A转换网络，如AD7520，其电路和图9-2相似，但运算放大器是外接的。,2.有锁存无放大器,具有数字输入寄存器，使用时需外接运算放大器。,如：DAC0832,1.无锁存无放大器 三、集成D/A转换器按其组成结构(,DAC 0832 简化电路框图,八位,寄存器,输入,八位,寄存器,DAC,八位,转换器,U,REF,R,F,I,out1,I,out2,AGND,U,CC,DGND,&,ILE,CS,WR,1,WR,2,XFER,D/A,D,7,D,0,.,.,.,.,.,.,1,1,DAC0832结构图,DAC 0832 简化电路框图八位寄存器输入八位寄存器DAC,片选信号，,低电平有效,写入控制，,低电平有效,模拟地端,D,0,D,7,数字量输入,参考电压,输入端,DAC,0832 管脚分布图,CS,WR,1,WR,2,AGND,D,4,D,5,D,6,D,7,D,0,D,1,D,2,D,3,U,CC,U,REF,R,F,DGND,ILE,XFER,I,out1,I,out2,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,19,18,17,16,15,14,13,12,11,20,片选信号，写入控制，模拟地端D0 D7参考电压DAC 0,数字地端,反馈电阻,外接端,CS,WR,1,WR,2,AGND,D,4,D,5,D,6,D,7,D,0,D,1,D,2,D,3,U,CC,U,REF,R,F,DGND,ILE,XFER,I,out1,I,out2,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,19,18,17,16,15,14,13,12,11,20,DAC,0832 管脚分布图,数字地端反馈电阻CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0,输入锁存允许信,号，高电平有效,芯片工作电压,输入端,写入控制端,低电平有效，与,配合使用,XFER,CS,WR,1,WR,2,AGND,D,4,D,5,D,6,D,7,D,0,D,1,D,2,D,3,U,CC,U,REF,R,F,DGND,ILE,XFER,I,out1,I,out2,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,19,18,17,16,15,14,13,12,11,20,DAC,0832 管脚分布图,输入锁存允许信芯片工作电压 XFERCSWR1WR2AG,电流输出端,单极性输出时。,I,out2,接模拟地,传送控制端,低电平有效，与,WR,2,配合使用,CS,WR,1,WR,2,AGND,D,4,D,5,D,6,D,7,D,0,D,1,D,2,D,3,U,CC,U,REF,R,F,DGND,ILE,XFER,I,out1,I,out2,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,19,18,17,16,15,14,13,12,11,20,DAC 0832 管脚分布图,WR2配合使用CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D,DAC0832工作方式,(1)直通方式,(2)单缓冲方式,(3)双缓冲器型方式,DAC0832工作方式(1)直通方式(2)单缓冲方式(,例如DAC82：,是CMOS型有锁存有放大的8位D/A转换器。,3.有锁存有放大型,近期生产的D/A转换器，包含了输入数据寄存器、DA转换网络、模拟输出放大器 及参考电压源4部分功能电路，可实现模拟电压的单极性或双极性输出。,例如DAC82：3.有锁存有放大型近期生产的D/A转换器，包,第二节 模数转换器,模数,(A/D),转换器是将模拟量转换成数字量,间接A/D转换器：,工作速度较低，但转换精度较高，抗干扰能力强，在测量仪表中得到广泛应用。,分为直接A/D转换器和间接A/D转换器两大类,直接A/D转换器,:,工作速度高、转换精度容易保证。,如逐次逼近型、并行比较型、计数型A/D转换器等,如单积分型A/D转换器、双积分型A/D转换器等,第二节 模数转换器 模数(A/D)转换器是将模拟量转换,一、逐次逼近型A/D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，,12g 13g，,13g 13g，,8 g,12 g,12 g,13g,暂时结果,砝 码 重,比 较 判 断,顺 序,保留,保留,撤去,保留,一、逐次逼近型A/D转换器 其工作原理可用天平,2.转换原理,转换开始先将寄存器最高位预置1,，,输出数字量为1000,，经D/A转换成相应的模拟电压,U,并与输入模拟电压,U,X,比较,若,U,U,X,，最高位定为0,；再将寄存器的次高位预置1，按上述方法逐位比较下去，直到最低位为止。,1结构图,2.转换原理转换开始先将寄存器最高位预置1，输出数字量为1,3.,转换过程,2,3,4,1,1 0 0 0,U,U,X,6V,U,U,X,5V,U,U,X,“1”留否,d,3,d,2,d,1,d,0,U,(V),顺 序,比 较 判 断,1 1 0 0,1 0 1 0,1 0 1 1,例：,U,R,=8V，,U,X,=5.52V,D/A转换器输出,U,为正值,3.转换过程234 11 0,转换数字量1011 4+1+0.5=5.5V,转换误差为 0.02V,例：,U,R,=8V，,U,X,=5.52V,若输出为 8位数字量,转换数字量10110001,4+1+0.5+0.03125=5.53125V,转换误差为+0.01125V,位数越多误差越小,转换数字量1011 4+1+0.5=5.5V例,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,U,U,X,U,0,开关S1导通其他开关断开，积分电路对输入电压,U,I,积分:,T,1,阶段结束时积分器的输出电压,(2)对参考电压回积（,T,2）阶段,开关S,2,导通，其余断开。积分电路对参考电压（-,U,R,）积分，使积分器的输出回积到0,。,回积过程，,T,2阶段的时间可由下式决定,2.转换过程(1)对输入电压UI积分阶段(T1)UI0,在,T,1,和,U,R,均为常数时，T2与,成正比，实现了,U,/T的转换。,在,T,2,阶段结束时计数器所累计的计数,N,2,正比于被测电压在,T,1阶段中的平均值,(3)清零与准备（,T,3,）阶段,此阶段要为本次转换作收尾工作，并为下次转,换作好准备。,暂时关闭控制门G，计数器值,N,2,送到锁存器寄存；,N,2,被锁存后计数器清零,积分电容,C,完全放电。,在T1和UR均为常数时，T2与成正比，实现了U/T的转换。在,三、,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。,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.,转换误差：,以实际输出的数字量和理想数字量之间的差别，转换误差通常用相对误差表示。,4.,输入模拟电压范围：,输入电压范围有单极性,和双极性之分。,分辨率和转换误差一起反映了A/D转换器的精度。A/D转换器的位数多，其相对误差小，转换精度高,三、A/D 变换器的主要技术指标1.分辨率：以输出二,