数模和模数转换课件

,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,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,*,*,第十一章 数模和模数转换,11/18/2024,1,第十一章 数模和模数转换8/6/20231,11.1,概述,在计算机控制系统中，被控量一般为非电量，如温度、压力、位移等，首先由传感器将它们转化成连续变化的模拟量，再由模,/,数转换器转换成数字量，送到计算机中进行处理和计算。处理后要经过数,/,模转换器将计算机输出的数字量转换成模拟量，加到执行机构，以调节被控对象的大小。,一个计算机控制系统的框图如图,11.1.1,所示。,1.,用途：,11/18/2024,2,11.1 概述 在计算机控制系统中，被控量一般,图,11.1.2,为一个温度控制系统：,传感器,放大器,A/D,转换,微型计算机,控制,对象,D/A,转换,电加热炉,执行机构,图,11.1.2,温度,时间,11/18/2024,3,图11.1.2为一个温度控制系统：传感器放大器A/D微型计算,2,、主要性能指标,为了保证数据处理结果的准确性，,A/D,转换器和,D/A,转换器必须有足够的转换精度，另外对于过程控制和检测需求，,A/D,转换器和,D/A,转换器必须有足够的转换速度。故,转换精度和转换速度,是,A/D,转换器和,D/A,转换器的主要性能指标。,A/D,转换器：,将模拟信号转换成数字信号的过程称为模,/,数转换（,Analog to Digital,），实现的电路称为,A/D,转换器，简写为,ADC,（,Analog,Digital Converter,）。,11/18/2024,4,2、主要性能指标 为了保证数据处理结果的准确性，,由于输入的模拟信号在时间上是连续的，输出的数字信号在时间和幅值都是是离散的，因此转换时一般要经过,取样、保持、量化和编码,四个过程。实际中有时取样和保持、量化和编码会同时实现。,A/D,转换器,D,111101,A/D,A,(,电压,或电流,),A/D,转换器是将模拟量转换成数字量,所以,A/D,转换过程是首先对输入模拟电压信号进行取样，然后保持并将取样电压量化为数字量，并按一定的编码形式给出转换结果。,11/18/2024,5,由于输入的模拟信号在时间上是连续的，输出的数字信号在时间和幅,一、取样定理,取样是将随时间连续变化的模拟量转换为时间离散的模拟量。,为了使得取样信号能逼近输入模拟信号，则取样信号应该有,足够高的频率,。为了保证取样信号将被取样信号恢复，其频率关系必须满足取样定理。,图,11.3.1,为对某个输入信号进行采样的波形。其中,v,s,为取样信号，,v,I,表示输入的模拟信号。,图,11.3.1,11/18/2024,6,一、取样定理 取样是将随时间连续变化的模拟量,取样定理为：,一般取,注：每次取得的模拟信号必须通过保持电路保持一段时间。一般取样和保持过程往往是通过取样保持电路同时完成的。,若,f,s,为取样信号的频率，,f,i,（,max,）,为输入模拟信号的最高频率分量的频率，则它们必须满足,11/18/2024,7,取样定理为：一般取注：每次取得的模拟信号必须通过保持电路保持,二、量化和编码,1.,量化,数字量不仅时间上是离散的，而且数值上也是离散的，所以任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。,将采样电压表示为最小数量单位（,）的整数倍，称为量化。,11/18/2024,8,二、量化和编码1.量化 数字量不仅时间上是离,将量化的结果用代码（可以是二进制，也可以是其他进制）表示出来，这个过程称为编码，这些代码也是,A/D,转换器的输出数字量。,3.,量化误差：,由于模拟电压是连续的，那么,不可能所有的电压都能被量化单位整除,，所以量化过程不可避免地会引入误差，这种误差就叫做量化误差。量化误差属于原理性误差，无法消除。,A/D,转换器的位数越多，各离散电平之间的差值就越小，量化误差也越小。,2.,编码：,11/18/2024,9,将量化的结果用代码（可以是二进制，也可以是,3.,单片集成取样保持电路,LF398,图,11.3.5,（,a,）是,LF398,的电路结构图，图,11.3.5,（,b,）是其典型接法。,图,11.3.5,V,OS,是失调电压输入端，此段可以通过外接电阻调整输出电压的零点，使得,v,I,=0,时,v,o,=0,。,11/18/2024,10,3.单片集成取样保持电路LF398 图11,11.3.3,并联比较型,A/D,转换器,并联比较型属于直接,A/D,转换器，它把输入的模拟电压直接转换为输出的数字量。,1.,组成：,并联比较型,A/D,转换器是由电压比较器、寄存器和代码转换电路三部分组成。,图,11.3.6,11/18/2024,11,11.3.3 并联比较型A/D转换器 并联比较,输入为,0,V,REF,间的模拟电压，输出为,3,位二进制代码,d,2,d,1,d,0,。此,A/D,转换器不包括取样保持电路，即假定输入的模拟电压,v,I,为取样保持电路的输出电压。,图,11.3.6,11/18/2024,12,输入为0VREF间的模拟电压，输出为3位二进制代码d2d1,2.,量化方式：,取量化单位为,其比较器中量化电平的划分如图,11.3.7,所示。,11/18/2024,13,2.量化方式：取量化单位为其比较器中量化电,11/18/2024,14,8/6/202314,11/18/2024,15,8/6/202315,则比较器输出均为低电平，当,CLK,上升沿到来后，所有的触发器状态置成,0,，即,d,2,d,1,d,0,000,图,11.3.6,11/18/2024,16,则比较器输出均为低电平，当CLK上升沿到来后，所有的触发器状,图,11.3.6,则比较器,C,1,输出为高电平，其他为低电平。当,CLK,上升沿到来后，触发器的状态置成,0000001,，则,d,2,d,1,d,0,001,，依此类推。,若,11/18/2024,17,图11.3.6则比较器C1输出为高电平，其他为低电平。当CL,1.,并联比较型,A/D,转换器的优点是转换速度快，转换时间可达,50ns,以下。另外此电路可不用取样保持电路，因为比较器和寄存器有这样的功能。,特点：,2.,并联比较型,A/D,转换器的缺点是需要较多的电压比较器和触发器,n,位需要,2,n,-1,比较器。,3.,并联比较型,A/D,转换器的转换精度主要取决于量化电平的划分，划分越细，精度越高，但所用的比较器和触发器的数目越多。另外转换精度与参考电压、电阻及运放也有关。,11/18/2024,18,1.并联比较型A/D转换器的优点是转换速度快，转换时间可达,1.,分辨率：,A/D,转换器的分辨率是输出二进制数或十进制数的位数表示,。它表示,A/D,转换器对输入信号的分辨能力。,*,从理论上讲，,n,位二进制数字输出的,A/D,转换器能区分,2,n,不同等级的输入模拟电压，能区分输入电压的最小值为满量程输入的,1/2,n,如,10,位二进制,A/D,转换器，若最大输入信号为,5V,，则应能区分输入信号的最小电压为,5V/2,10,=4.88mV.,11.3.5 A/D,转换器的转换精度与转换速度,11/18/2024,19,1.分辨率：A/D转换器的分辨率是输出二进,2.A/D,转换器的转换速度,A/D,转换器转换速度是用转换时间来描述，转换时间定义为,A/D,转换器从转换控制信号到来时起，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。,A/D,转换器类型不同，转换速度差别很大。,*,在实际应用中，应从系统数据总的位数、精度要求、输入模拟信号的范围及输出信号极性等方面综合考虑,A/D,转换器的选用。,11/18/2024,20,2.A/D转换器的转换速度 A/D转换器转换,11.2 D/A,转换器,对于有权码，每位代码都有一定的权。为了将数字量转换成模拟量，必须将每一位的代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后相加，即可得与数字量成正比的总模拟量，从而实现数字模拟的转换。,D,111101,D/A,A(,电压 或 电流,),？,D/A,转换器的目的为：,11/18/2024,21,11.2 D/A转换器对于有权码，每位代码都有一定的权。为了,一个多位二进制数可表示为,其中：,2,n,-1,、,2,n,2,2,1,、,2,0,称为最高位（,Most Significant Bit,，简称,MSB,）到最低位（,Least Significant Bit,，简称,LSB,）的权。,11/18/2024,22,一个多位二进制数可表示为其中：2n-1、2n221、,图,11.2.2,图,11.2.2,是,4,位权电阻网络,D/A,转换器的原理图，它是由权电阻网络、,4,个电子模拟开关和,1,个求和放大器组成。,11.2.1,权电阻网络,D/A,转换器,1.,组成：,11/18/2024,23,图11.2.2 图11.2.2是4位权电阻网络,（,1,）,S,3,S,0,:,为电子开关，其状态受输入数码,d,3,d,0,的取值控制。当,d,i,1,时开关接到参考电压,V,REF,上，有支路电流,I,i,流向求和放大器；当,d,i,0,时开关接地，支路电流,I,i,为零。,11/18/2024,24,（1）S3S0:为电子开关，其状态受输入数码d3d0的取,（,2,）求和放大器,A,：为一个接成负反馈的理想运算放大器。即：,A,V,，,i,I,0,，,R,o,0,。由于负反馈，存在虚短和虚断，即,V,V,0,，,i,I,0,。,（,3,）,V,REF,：基准电压,11/18/2024,25,（2）求和放大器A：为一个接成负反馈的理想运算放大器。即：A,2.,输出电压的计算：,由于,V,V,0,，故各电流为,输出电压为,11/18/2024,26,2.输出电压的计算：由于V V0，故各电流为输出电压,取,R,F,R,/2,，则输出电压为,11/18/2024,27,取RFR/2，则输出电压为8/6/202327,上式标明，输出的模拟电压与输入的数字量,D,n,成正比。,注：,1.,若,V,REF,取正值，则输出电压为负值。若想输出电压为正值，可以将,V,REF,取负值。,2.,此电路的优点是电路结构简单，所用的电阻元件少。缺点是各个电阻的阻值相差较大，输入数字量的位数越多，差别就越大，故很难保证电阻的精确度。,11/18/2024,28,上式标明，输出的模拟电压与输入的数字量Dn成正比。注：1.若,为了克服这个缺点，在输入数字量较多时可采用图,11.2.3,所示的电路。,其输出电压为,11/18/2024,29,为了克服这个缺点，在输入数字量较多时可采用图11.2.3所示,为了克服权电阻网络,D/A,转换器电阻阻值相差太大的缺点，改进电路为倒,T,型电阻网络,D/A,转换器，如图,11.2.4,所示。,图,11.2.4,11/18/2024,30,为了克服权电阻网络D/A转换器电阻阻值相差太,根据“虚短”“虚地”，有,V,V,，无论开关打在哪一面，流过每个支路的电流始终不变。故可等效成图,11.2.5,所示电路。,R,R,R,R,图,11.2.5,11/18/2024,31,根据“虚短”“虚地”，有VV，无论开关打在哪一面，流过,R,R,R,R,图,11.2.5,11/18/2024,32,RRRR图11.2.58/6/202332,故输出电压为,11/18/2024,33,故输出电压为8/6/202333,对于,n,位输入的倒,T,形电阻网络,D/A,转换器，在求和放大器的反馈电阻为,R,时，其输出的模拟电压为,上式说明输出的模拟电压与输入的数字量成正比，其其输出公式与权电阻网络,D/A,转换器相同。,11/18/2024,34,对于n位输入的倒T形电阻网络D/A转换器，在,图,11.2.6,为采用倒,T,型电阻网络的单片集成,D/