模拟量和数字量的转换课件

,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,*,*,*,第12章 模拟量和数字量的转换,12.1 D/A转换器,12.2 A/D转换器,1,第12章 模拟量和数字量的转换12.1 D/A转换器,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控制系统的重要部件。,D/A（数/模）转换器：,能将数字量转换为模拟量的装置。,A/D（模/数）转换器：,能将模拟量转换为数字量的装置。,概述,2,数/模与模/数转换器是计算机与外部设备的重,D/A（数/模）转换器：(DAC),输入：n位二进制数N,输出：与输入二进制数N成正比的模拟信号（电压或电流）A,（N）,2,=d,n-1,2,n-1,+d,n-2,2,n-2,+d,1,2,1,+d,0,2,0,A=KN=K（d,n-1,2,n-1,+d,n-2,2,n-2,+d,1,2,1,+d,0,2,0,）,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变换器的基本思想。,12.1 D/A 转换器,3,D/A（数/模）转换器：(DAC)输入：n位二进制数N输出,模拟电子开关,倒梯形电阻网络,运放,倒梯形电阻网络DAC,d,0,d,1,d,2,d,3,+,+,-,A,u,o,R,F,I,O,I,O1,+U,R,R,S,2,S,3,S,1,0,0,1,R,R,2R,2R,2R,2R,2R,S,0,0,0,1,1,1,I,R,电路：,基准电压源,待转换数字量,12.1.1 D/A转换器的组成和工作原理,1、D/A转换器组成,4,模拟电子开关倒梯形电阻网络运放倒梯形电阻网络DACd0d1d,+,+,-,A,u,o,R,F,I,O,I,O1,+U,R,R,S,2,S,3,S,1,0,0,1,R,R,2R,2R,2R,2R,2R,S,0,0,0,1,1,1,I,R,d,0,d,1,d,2,d,3,d,i,为1,S,i,与运放的反相输入端连接,u,o,=,-,I,O1,R,F,d,i,为0,S,i,与地连接,I,O1,=？,与哪些量有关？,2.D/A转换器的原理,5,+-AuoRFIOIO1+URRS2S3S1001RR2R,倒梯形电阻网络,R,I,2,I,3,I,1,R,R,2R,2R,2R,2R,2R,I,0,+U,R,I,R,0,0,1,1,2,2,3,3,R,R,R,R,I,R,=,U,R,/R,I,3,=,I,R,2,1,=,2,1,U,R,R,I,2,=,I,R,4,1,=,2,2,U,R,R,I,1,=,I,R,8,1,=,2,3,U,R,R,I,0,=,I,R,16,1,=,2,4,U,R,R,I,O1,I,O1,=d,3,I,3,+d,2,I,2,+d,1,I,1,+d,0,I,0,6,倒梯形电阻网络RI2I3I1RR2R2R2R2R2RI0+U,+,+,-,A,u,o,R,F,I,O,I,O1,+U,R,R,S,2,S,3,S,1,0,0,1,R,R,2R,2R,2R,2R,2R,S,0,0,0,1,1,1,I,R,d,0,d,1,d,2,d,3,I,O1,=d,3,I,3,+d,2,I,2,+d,1,I,1,+d,0,I,0,I,1,I,2,I,3,I,0,=（d,3,2,3,+d,2,2,2,+d,1,2,1,+d,0,2,0,）,2,4,U,R,R,U,O1,=-I,O1,R,F,=（d,3,2,3,+d,2,2,2,+d,1,2,1,+d,0,2,0,）,2,4,U,R,R,F,R,7,+-AuoRFIOIO1+URRS2S3S1001RR2R,U,O1,=-I,O1,R,F,=（d,3,2,3,+d,2,2,2,+d,1,2,1,+d,0,2,0,）,2,4,U,R,R,F,R,若为n位二进制数，则,U,O1,=（d,n-1,2,n-1,+d,n-2,2,n-2,+d,0,2,0,）,2,n,U,R,R,F,R,若R,F,=R，则,U,O1,=（d,n-1,2,n-1,+d,n-2,2,n-2,+d,0,2,0,）,2,n,U,R,即输出电压的大小正比于输入二进制数的大小，实现了数字量和模拟量的转换,8,UO1=-IO1RF=（d323,集成DAC,集成DAC的种类：,按电路结构分：,权电阻DAC、梯形DAC、倒T形DAC等,按输入二进制数位数分：,八位、十位、十二位、十六位等,例：AD7520：,十位倒T形电阻网络DAC,9,集成DAC集成DAC的种类：按电路结构分：权电阻DAC、梯形,特点：,管脚排列及外接电路：,运算放大器外接,5G7520,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,d,0,d,1,d,2,d,3,d,4,d,9,d,8,d,7,d,6,d,5,GND,+U,DD,3,2,15,1,16,14,正电源端,接地端,4,13,十位数字量输入端,模拟电流I,O1,输出端,模拟电流I,O2,输出端，一般接地,参考电压接线端，UR可正可负,内部电阻R,F,的引出端，另一端在芯片内部接I,O1,端,u,o,U,R,10,特点：管脚排列及外接电路：运算放大器外接5G75201234,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分辨率。,1、分辨率,2、转换精度,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。,如十位DAC分辨率：,2,10,-1,1,=,1023,1,3、输出电压(电流)的建立时间,从输入数字信号起，到输出模拟电压或电流所需时间。,12.1.2 D/A转换器的,主要技术指标,4、电源抑制比,指输出电压的变化和相对应的电源电压变化之比。,11,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,12.2 A/D 转换器,模拟量转换成数字量的电路。,A/D转换器,输入：,连续变化的模拟量,输出：,大小与输入模拟量成正比的数字量,12,12.2 A/D 转换器 模拟量转换成数字量的电,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：,砝码重,第一次,第二次,第三次,第四次,加4克,加2克,加1克,8 克,砝码总重 待测重量Wx，故保留,砝码总重仍 待测重量Wx，故撤除,砝码总重 待测重量Wx，故保留,暂时结果,8 克,12 克,12 克,13 克,结 论,12.2.1 逐次逼近型A/D转换器基本组成和工作原理,13,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,顺序脉冲发生器,逐次逼近寄存器,DAC,电压比较器,输出数字量,输入电压量,顺序脉冲发生器,产生使电路按一定节拍工作的顺序脉冲,逐次逼近寄存器,由双稳态触发器构成。先在顺序脉冲的作用下，由高到低依次将各位置“1”，再根据比较器的输出决定该“1”的取舍。,数摸转换器,将逐次逼近寄存器输出的二进制数转换为模拟电压量,电压比较器,将DAC输出的模拟电压量与待转换的模拟电压量比较，以确定逐次逼近寄存器中该位的取舍,1.基本组成,14,顺序脉冲发生器逐次逼近寄存器DAC电压比较器输出数字量输入电,置数控制逻辑电路,逐次逼近寄存器,D/A转换器,+,+,-,A,Ux,数字量输出,Uo,d,0,d,1,d,n-1,原理图,设欲转换量U,X,1）给逐次逼近寄存器清零；,2）将逐次逼近寄存器最高位置“1”；即d,n-1,=1；,3）DAC将逐次逼近寄存器输出的数字量转换为模拟量U,O,；,4）当U,O,U,X,，置数控制逻辑电路使该位“1”去掉；,5）将逐次逼近寄存器次高位置“1”；即d,n-2,=1；,直至确定d,0,2.工作原理,15,置数控制逻辑电路 逐次逼近寄存器 D/A转换器,置数控制逻辑电路,逐次逼近寄存器,D/A转换器,+,+,-,A,Ux,数字量输出,Uo,d,0,d,1,d,n-1,例：四位逐次逼近DAC,已知：U,X,=5.52V,DAC的U,R,=8V,试分析转换过程。,1）清零：d,3,d,2,d,1,d,0,=0000,2）将最高位置“1”；即d,3,d,2,d,1,d,0,=1000；,3）DAC将逐次逼近寄存器输出的数字量1000转换为模拟量U,O,；,4）,U,O,U,X,，置数控制逻辑电路使,d,2,=1,去掉，使,d,2,=0,；,U,O,=8/16,（,12,3,+1 2,2,+0 2,1,+0 2,0,）=6V,d,3,d,2,d,1,d,0,=10,00,8）将d,1,置“1”；即d,3,d,2,d,1,d,0,=1010；,10）,U,O,U,X,，置数控制逻辑电路使,d,1,=1,保留；,U,O,=8/16,（,12,3,+0 2,2,+1 2,1,+0 2,0,）=5V,d,3,d,2,d,1,d,0,=101,0,9）DAC将逐次逼近寄存器输出的数字量1010转换为模拟量U,O,；,17,5）将d2置“1”；即d3 d2 d1 d0=1100；6,11）将d,0,置“1”；即d,3,d,2,d,1,d,0,=1011；,10）,U,O,U,X,，置数控制逻辑电路使,d,0,=1,保留；,U,O,=8/16,（,12,3,+0 2,2,+1 2,1,+1 2,0,）=5.5V,d,3,d,2,d,1,d,0,=1011,12）DAC将逐次逼近寄存器输出的数字量1011转换为模拟量U,O,；,ADC,U,X,=5.52V,d,3,d,2,d,1,d,0,=1011,转换误差=0.02V，输出位数越多，误差越小,18,11）将d0置“1”；即d3 d2 d1 d0=1011；1,2、相对精度：,以输出二进制代码的位数表示分辨率。位数越多，量化误差越小，转换精度越高,完成一次A/D转换所需要的时间。即从它接到转换命令起直到输出端得到稳定的数字量输出所需要的时间,实际转换值和理想特性之间的最大偏差,1、分辨率：,3、转换速度：,4、其它：电源抑制、功率、电压范围等。,12.2.2 A/D转换器 的主要技术指标,19,2、相对精度：以输出二进制代码的位数表示分辨率。位数越,ADC0809,是八通道八位逐次逼近型模数 转换器。,A/D变换组件也有多种型号可供选择，使用者可根据任务要求进行选择。下面以,ADC0809,为例，介绍集成电路A/D变换器。,集成ADC,ADC0809,是28脚双列直插式模数转换器,20,ADC0809 是八通道八位逐次逼近型模数 转换器。,八通道模拟量输入,结构框图,8选1 模拟量选择器,8位逐次逼近ADC,三态输出锁存器,地址,锁存器,IN,0,IN,7,D,0,D,7,A,B,C,ALE,START,U,R（-）,U,R（+）,OE,CLOCK,EOC,8选1模拟选择器的地址选择输入端,八位数字量输出,地址锁存信号输入端 高电平有效,输出允许端高电平有效,启动信号输入端启动脉冲下降沿开始转换,外部时钟脉冲输入端,转换结束信号端 高电平有效,正负参考电压输入端该电压确定模拟量的输入电压范围,21,八通道模拟量输入结构框图8选1 模拟量选择器8位逐次逼近,管脚功能,D,5,D,4,D,6,U,CC,U,R（+）,OE,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,14,13,12,11,19,18,17,16,15,20,CLK,START,U,R(-),21,22,23,24,25,26,27,28,D,1,D,2,D,7,D,3,D,0,ALE,C,B,A,IN,0,IN,1,IN,2,IN,5,IN,4,IN,3,IN,7,IN,6,EOC,GND,ADC0809,选中通道与地址码关系,选中通道,地址码,C B A,IN,0,IN,1,IN,2,IN,3,IN,4,IN,5,IN,6,IN,7,0 0 0,0 0 1,0 1 0,0 1 1,1 0 0,1