模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換課件

第12章模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換12.1D/A轉(zhuǎn)換器12.2A/D轉(zhuǎn)換器1第12章模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換12.1D/A轉(zhuǎn)換器數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器是計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備的重要接口,也是數(shù)字測(cè)量和數(shù)字控制系統(tǒng)的重要部件。D/A（數(shù)/模）轉(zhuǎn)換器：能將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的裝置。A/D（模/數(shù)）轉(zhuǎn)換器：能將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的裝置。概述2數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器是計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備的重D/A（數(shù)/模）轉(zhuǎn)換器：(DAC)輸入：n位二進(jìn)制數(shù)N輸出：與輸入二進(jìn)制數(shù)N成正比的模擬信號(hào)（電壓或電流）A（N）2=dn-1·2n-1+dn-2·2n-2+···+d1·21+d0·20A=K·N=K（dn-1·2n-1+dn-2·2n-2+···+d1·21+d0·20）由于構(gòu)成數(shù)字代碼的每一位都有一定的“權(quán)”，因此為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，就必須將每一位代碼按其“權(quán)”轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后再將代表各位的模擬量相加即可得到與該數(shù)字量成正比的模擬量，這就是構(gòu)成D/A變換器的基本思想。12.1D/A轉(zhuǎn)換器3D/A（數(shù)/模）轉(zhuǎn)換器：(DAC)輸入：n位二進(jìn)制數(shù)N輸出模擬電子開(kāi)關(guān)倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)運(yùn)放倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)DACd0d1d2d3++-AuoRFIOIO1+URRS2S3S1001RR2R2R2R2R2RS000111IR電路：基準(zhǔn)電壓源待轉(zhuǎn)換數(shù)字量12.1.1D/A轉(zhuǎn)換器的組成和工作原理1、D/A轉(zhuǎn)換器組成4模擬電子開(kāi)關(guān)倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)運(yùn)放倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)DACd0d1d++-AuoRFIOIO1+URRS2S3S1001RR2R2R2R2R2RS000111IRd0d1d2d3di為1→

Si與運(yùn)放的反相輸入端連接→

uo=-IO1

RFdi為0

→

Si與地連接IO1=？與哪些量有關(guān)？2.D/A轉(zhuǎn)換器的原理5++-AuoRFIOIO1+URRS2S3S1001RR2R倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)RI2I3I1RR2R2R2R2R2RI0+URIR00′11′22′33′RRRRIR=

UR/RI3=

IR21=21URRI2=

IR41=22URRI1=

IR81=23URRI0=

IR161=24URRIO1IO1=d3·I3+d2·I2+d1·I1+d0·I06倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)RI2I3I1RR2R2R2R2R2RI0+U++-AuoRFIOIO1+URRS2S3S1001RR2R2R2R2R2RS000111IRd0d1d2d3IO1=d3·I3+d2·I2+d1·I1+d0·I0I1I2I3I0=（d3·23+d2·22

+d1·21

+d0·20）24URRUO1=-IO1·RF=（d3·23+d2·22

+d1·21

+d0·20）24URRFR7++-AuoRFIOIO1+URRS2S3S1001RR2RUO1=-IO1·RF=（d3·23+d2·22

+d1·21

+d0·20）24URRFR若為n位二進(jìn)制數(shù)，則UO1=（dn-1·2n-1+dn-2·2n-2

+···+d0·20）2nURRFR若RF=R，則UO1=（dn-1·2n-1+dn-2·2n-2

+···+d0·20）2nUR即輸出電壓的大小正比于輸入二進(jìn)制數(shù)的大小，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字量和模擬量的轉(zhuǎn)換8UO1=-IO1·RF=（d3·23集成DAC集成DAC的種類：按電路結(jié)構(gòu)分：權(quán)電阻DAC、梯形DAC、倒T形DAC等按輸入二進(jìn)制數(shù)位數(shù)分：八位、十位、十二位、十六位等例：AD7520：十位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC9集成DAC集成DAC的種類：按電路結(jié)構(gòu)分：權(quán)電阻DAC、梯形特點(diǎn)：管腳排列及外接電路：運(yùn)算放大器外接5G752012345678910111213141516d0d1d2d3d4d9d8d7d6d5GND+UDD321511614正電源端接地端413~十位數(shù)字量輸入端模擬電流IO1輸出端模擬電流IO2輸出端，一般接地參考電壓接線端，UR可正可負(fù)內(nèi)部電阻RF的引出端，另一端在芯片內(nèi)部接IO1端uo－＋＋UR10特點(diǎn)：管腳排列及外接電路：運(yùn)算放大器外接5G75201234指最小輸出電壓和最大輸出電壓之比。有時(shí)也用輸入數(shù)字量的有效位數(shù)來(lái)表示分辨率。1、分辨率2、轉(zhuǎn)換精度指輸出模擬電壓的實(shí)際值與理想值之差。即最大靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。如十位DAC分辨率：210-11=102313、輸出電壓(電流)的建立時(shí)間從輸入數(shù)字信號(hào)起，到輸出模擬電壓或電流所需時(shí)間。12.1.2D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)4、電源抑制比指輸出電壓的變化和相對(duì)應(yīng)的電源電壓變化之比。11指最小輸出電壓和最大輸出電壓之比。有時(shí)也用輸入數(shù)字量的12.2A/D轉(zhuǎn)換器模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的電路。A/D轉(zhuǎn)換器輸入：連續(xù)變化的模擬量輸出：大小與輸入模擬量成正比的數(shù)字量1212.2A/D轉(zhuǎn)換器模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的電其工作原理可用天平秤重過(guò)程作比喻來(lái)說(shuō)明。若有四個(gè)砝碼共重15克，每個(gè)重量分別為8、4、2、1克。設(shè)待秤重量Wx=13克，可以用下表步驟來(lái)秤量：砝碼重第一次第二次第三次第四次加4克加2克加1克8克砝碼總重<待測(cè)重量Wx，故保留砝碼總重仍<待測(cè)重量Wx，故保留砝碼總重>待測(cè)重量Wx，故撤除砝碼總重＝待測(cè)重量Wx，故保留暫時(shí)結(jié)果8克12克12克13克

結(jié)論12.2.1逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器基本組成和工作原理13其工作原理可用天平秤重過(guò)程作比喻來(lái)說(shuō)明。若有四個(gè)砝碼順序脈沖發(fā)生器逐次逼近寄存器DAC電壓比較器輸出數(shù)字量輸入電壓量順序脈沖發(fā)生器產(chǎn)生使電路按一定節(jié)拍工作的順序脈沖逐次逼近寄存器由雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構(gòu)成。先在順序脈沖的作用下，由高到低依次將各位置“1”，再根據(jù)比較器的輸出決定該“1”的取舍。數(shù)摸轉(zhuǎn)換器將逐次逼近寄存器輸出的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為模擬電壓量電壓比較器將DAC輸出的模擬電壓量與待轉(zhuǎn)換的模擬電壓量比較，以確定逐次逼近寄存器中該位的取舍1.基本組成14順序脈沖發(fā)生器逐次逼近寄存器DAC電壓比較器輸出數(shù)字量輸入電置數(shù)控制邏輯電路逐次逼近寄存器D/A轉(zhuǎn)換器++-AUx數(shù)字量輸出Uod0d1dn-1原理圖設(shè)欲轉(zhuǎn)換量UX1）給逐次逼近寄存器清零；2）將逐次逼近寄存器最高位置“1”；即dn-1=1；3）DAC將逐次逼近寄存器輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量UO；4）當(dāng)UO<

UX，置數(shù)控制邏輯電路使該位“1”保留；當(dāng)UO>UX，置數(shù)控制邏輯電路使該位“1”去掉；5）將逐次逼近寄存器次高位置“1”；即dn-2=1；直至確定d02.工作原理15置數(shù)控制邏輯電路逐次逼近寄存器D/A轉(zhuǎn)換器置數(shù)控制邏輯電路逐次逼近寄存器D/A轉(zhuǎn)換器++-AUx數(shù)字量輸出Uod0d1dn-1例：四位逐次逼近DAC已知：UX=5.52VDAC的UR=8V試分析轉(zhuǎn)換過(guò)程。1）清零：d3d2d1d0=00002）將最高位置“1”；即d3d2d1d0=1000；3）DAC將逐次逼近寄存器輸出的數(shù)字量1000轉(zhuǎn)換為模擬量UO；4）UO<

UX

，置數(shù)控制邏輯電路使d3=1保留；

UO=8/16（1·23+0·22

+0·21

+0·20）=4Vd3d2d1d0=100016置數(shù)控制邏輯電路逐次逼近寄存器D/A轉(zhuǎn)換器5）將d2置“1”；即d3d2d1d0=1100；6）DAC將逐次逼近寄存器輸出的數(shù)字量1100轉(zhuǎn)換為模擬量UO；7）UO>

UX

，置數(shù)控制邏輯電路使d2=1去掉，使d2=0；

UO=8/16（1·23+1·22

+0·21

+0·20）=6Vd3d2

d1d0=10008）將d1置“1”；即d3d2d1d0=1010；10）UO<

UX

，置數(shù)控制邏輯電路使d1=1保留；

UO=8/16（1·23+0·22

+1·21

+0·20）=5Vd3d2d1

d0=10109）DAC將逐次逼近寄存器輸出的數(shù)字量1010轉(zhuǎn)換為模擬量UO；175）將d2置“1”；即d3d2d1d0=1100；611）將d0置“1”；即d3d2d1d0=1011；10）UO<

UX

，置數(shù)控制邏輯電路使d0=1保留；

UO=8/16（1·23+0·22

+1·21

+1·20）=5.5Vd3d2d1

d0=101112）DAC將逐次逼近寄存器輸出的數(shù)字量1011轉(zhuǎn)換為模擬量UO；ADCUX=5.52Vd3d2d1

d0=1011轉(zhuǎn)換誤差=0.02V，輸出位數(shù)越多，誤差越小1811）將d0置“1”；即d3d2d1d0=1011；12、相對(duì)精度：以輸出二進(jìn)制代碼的位數(shù)表示分辨率。位數(shù)越多，量化誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。即從它接到轉(zhuǎn)換命令起直到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字量輸出所需要的時(shí)間實(shí)際轉(zhuǎn)換值和理想特性之間的最大偏差1、分辨率：3、轉(zhuǎn)換速度：4、其它：電源抑制、功率、電壓范圍等。12.2.2A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)192、相對(duì)精度：以輸出二進(jìn)制代碼的位數(shù)表示分辨率。位數(shù)越ADC0809是八通道八位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。A/D變換組件也有多種型號(hào)可供選擇，使用者可根據(jù)任務(wù)要求進(jìn)行選擇。下面以ADC0809為例，介紹集成電路A/D變換器。集成ADCADC0809是28腳雙列直插式模數(shù)轉(zhuǎn)換器20ADC0809是八通道八位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。八通道模擬量輸入結(jié)構(gòu)框圖8選1模擬量選擇器8位逐次逼近ADC三態(tài)輸出鎖存器地址鎖存器IN0IN7D0D7ABCALESTARTUR（-）UR（+）OECLOCKEOC8選1模擬選擇器的地址選擇輸入端八位數(shù)字量輸出地址鎖存信號(hào)輸入端高電平有效輸出允許端高電平有效啟動(dòng)信號(hào)輸入端啟動(dòng)脈沖下降沿開(kāi)始轉(zhuǎn)換外部時(shí)鐘脈沖輸入端轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)端高電平有效正負(fù)參考電壓輸入端該電壓確定模擬量的輸入電壓范圍21八通道模擬量輸入結(jié)構(gòu)框圖8選1模擬量選擇器8位逐次逼近管腳功能D5D4D6UCCUR（+）OE1234567891014131211191817161520CLKSTARTUR(-)2122232425262728D1D2D7D3D0ALECBAIN0IN1IN2IN5IN4IN3IN7IN6EOCGNDADC0809選中通道與地址碼關(guān)系選中通道地址碼CBAIN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN700000101001110010111011122管腳功能D5D4D6UCCUR（+）OE1234567891END23END23第12章模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換12.1D/A轉(zhuǎn)換器12.2A/D轉(zhuǎn)換器24第12章模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換12.1D/A轉(zhuǎn)換器數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器是計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備的重要接口,也是數(shù)字測(cè)量和數(shù)字控制系統(tǒng)的重要部件。D/A（數(shù)/模）轉(zhuǎn)換器：能將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的裝置。A/D（模/數(shù)）轉(zhuǎn)換器：能將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的裝置。概述25數(shù)/模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器是計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備的重D/A（數(shù)/模）轉(zhuǎn)換器：(DAC)輸入：n位二進(jìn)制數(shù)N輸出：與輸入二進(jìn)制數(shù)N成正比的模擬信號(hào)（電壓或電流）A（N）2=dn-1·2n-1+dn-2·2n-2+···+d1·21+d0·20A=K·N=K（dn-1·2n-1+dn-2·2n-2+···+d1·21+d0·20）由于構(gòu)成數(shù)字代碼的每一位都有一定的“權(quán)”，因此為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，就必須將每一位代碼按其“權(quán)”轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后再將代表各位的模擬量相加即可得到與該數(shù)字量成正比的模擬量，這就是構(gòu)成D/A變換器的基本思想。12.1D/A轉(zhuǎn)換器26D/A（數(shù)/模）轉(zhuǎn)換器：(DAC)輸入：n位二進(jìn)制數(shù)N輸出模擬電子開(kāi)關(guān)倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)運(yùn)放倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)DACd0d1d2d3++-AuoRFIOIO1+URRS2S3S1001RR2R2R2R2R2RS000111IR電路：基準(zhǔn)電壓源待轉(zhuǎn)換數(shù)字量12.1.1D/A轉(zhuǎn)換器的組成和工作原理1、D/A轉(zhuǎn)換器組成27模擬電子開(kāi)關(guān)倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)運(yùn)放倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)DACd0d1d++-AuoRFIOIO1+URRS2S3S1001RR2R2R2R2R2RS000111IRd0d1d2d3di為1→

Si與運(yùn)放的反相輸入端連接→

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RFdi為0

→

Si與地連接IO1=？與哪些量有關(guān)？2.D/A轉(zhuǎn)換器的原理28++-AuoRFIOIO1+URRS2S3S1001RR2R倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)RI2I3I1RR2R2R2R2R2RI0+URIR00′11′22′33′RRRRIR=

UR/RI3=

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IR161=24URRIO1IO1=d3·I3+d2·I2+d1·I1+d0·I029倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)RI2I3I1RR2R2R2R2R2RI0+U++-AuoRFIOIO1+URRS2S3S1001RR2R2R2R2R2RS000111IRd0d1d2d3IO1=d3·I3+d2·I2+d1·I1+d0·I0I1I2I3I0=（d3·23+d2·22

+d1·21

+d0·20）24URRUO1=-IO1·RF=（d3·23+d2·22

+d1·21

+d0·20）24URRFR30++-AuoRFIOIO1+URRS2S3S1001RR2RUO1=-IO1·RF=（d3·23+d2·22

+d1·21

+d0·20）24URRFR若為n位二進(jìn)制數(shù)，則UO1=（dn-1·2n-1+dn-2·2n-2

+···+d0·20）2nURRFR若RF=R，則UO1=（dn-1·2n-1+dn-2·2n-2

+···+d0·20）2nUR即輸出電壓的大小正比于輸入二進(jìn)制數(shù)的大小，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字量和模擬量的轉(zhuǎn)換31UO1=-IO1·RF=（d3·23集成DAC集成DAC的種類：按電路結(jié)構(gòu)分：權(quán)電阻DAC、梯形DAC、倒T形DAC等按輸入二進(jìn)制數(shù)位數(shù)分：八位、十位、十二位、十六位等例：AD7520：十位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC32集成DAC集成DAC的種類：按電路結(jié)構(gòu)分：權(quán)電阻DAC、梯形特點(diǎn)：管腳排列及外接電路：運(yùn)算放大器外接5G752012345678910111213141516d0d1d2d3d4d9d8d7d6d5GND+UDD321511614正電源端接地端413~十位數(shù)字量輸入端模擬電流IO1輸出端模擬電流IO2輸出端，一般接地參考電壓接線端，UR可正可負(fù)內(nèi)部電阻RF的引出端，另一端在芯片內(nèi)部接IO1端uo－＋＋UR33特點(diǎn)：管腳排列及外接電路：運(yùn)算放大器外接5G75201234指最小輸出電壓和最大輸出電壓之比。有時(shí)也用輸入數(shù)字量的有效位數(shù)來(lái)表示分辨率。1、分辨率2、轉(zhuǎn)換精度指輸出模擬電壓的實(shí)際值與理想值之差。即最大靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。如十位DAC分辨率：210-11=102313、輸出電壓(電流)的建立時(shí)間從輸入數(shù)字信號(hào)起，到輸出模擬電壓或電流所需時(shí)間。12.1.2D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)4、電源抑制比指輸出電壓的變化和相對(duì)應(yīng)的電源電壓變化之比。34指最小輸出電壓和最大輸出電壓之比。有時(shí)也用輸入數(shù)字量的12.2A/D轉(zhuǎn)換器模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的電路。A/D轉(zhuǎn)換器輸入：連續(xù)變化的模擬量輸出：大小與輸入模擬量成正比的數(shù)字量3512.2A/D轉(zhuǎn)換器模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的電其工作原理可用天平秤重過(guò)程作比喻來(lái)說(shuō)明。若有四個(gè)砝碼共重15克，每個(gè)重量分別為8、4、2、1克。設(shè)待秤重量Wx=13克，可以用下表步驟來(lái)秤量：砝碼重第一次第二次第三次第四次加4克加2克加1克8克砝碼總重<待測(cè)重量Wx，故保留砝碼總重仍<待測(cè)重量Wx，故保留砝碼總重>待測(cè)重量Wx，故撤除砝碼總重＝待測(cè)重量Wx，故保留暫時(shí)結(jié)果8克12克12克13克

結(jié)論12.2.1逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器基本組成和工作原理36其工作原理可用天平秤重過(guò)程作比喻來(lái)說(shuō)明。若有四個(gè)砝碼順序脈沖發(fā)生器逐次逼近寄存器DAC電壓比較器輸出數(shù)字量輸入電壓量順序脈沖發(fā)生器產(chǎn)生使電路按一定節(jié)拍工作的順序脈沖逐次逼近寄存器由雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構(gòu)成。先在順序脈沖的作用下，由高到低依次將各位置“1”，再根據(jù)比較器的輸出決定該“1”的取舍。數(shù)摸轉(zhuǎn)換器將逐次逼近寄存器輸出的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為模擬電壓量電壓比較器將DAC輸出的模擬電壓量與待轉(zhuǎn)換的模擬電壓量比較，以確定逐次逼近寄存器中該位的取舍1.基本組成37順序脈沖發(fā)生器逐次逼近寄存器DAC電壓比較器輸出數(shù)字量輸入電置數(shù)控制邏輯電路逐次逼近寄存器D/A轉(zhuǎn)換器++-AUx數(shù)字量輸出Uod0d1dn-1原理圖設(shè)欲轉(zhuǎn)換量UX1）給逐次逼近寄存器清零；2）將逐次逼近寄存器最高位置“1”；即dn-1=1；3）DAC將逐次逼近寄存器輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量UO；4）當(dāng)UO<

UX，置數(shù)控制邏輯電路使該位“1”保留；當(dāng)UO>UX，置數(shù)控制邏輯電路使該位“1”去掉；5）將逐次逼近寄存器次高位置“1”；即dn-2=1；直至確定d02.工作原理38置數(shù)控制邏輯電路逐次逼近寄存器D/A轉(zhuǎn)換器置數(shù)控制邏輯電路逐次逼近寄存器D/A轉(zhuǎn)換器++-AUx數(shù)字量輸出Uod0d1dn-1例：四位逐次逼近DAC已知：UX=5.52VDAC的UR=8V試分析轉(zhuǎn)換過(guò)程。1）清零：d3d2d1d0=00002）將最高位置“1”；即d3d2d1d0=1000；3）DAC將逐次逼近寄存器輸出的數(shù)字量1000轉(zhuǎn)換為模擬量UO；4）UO<

UX

，置數(shù)控制邏輯電路使d3=1保留；

UO=8/16（1·23+0·22

+0·21

+0·20）=4Vd3d2d1d0=100039置數(shù)控制邏輯電路逐次逼近寄存器D/A轉(zhuǎn)換器5）將d2置“1”；即d3d2d1d0=1100；6）DAC將逐次逼近寄存器輸出的數(shù)字量1100轉(zhuǎn)換為模擬量UO；7）UO>

UX

，置數(shù)控制邏輯電路使d2=1去掉，使d2=0；

UO=8/16（1·23+1·22

+0·21

+0·20）=6Vd3d2

d1d0=10008）將d1置“1”；即d3d2d1d0=1010；10）UO<

UX

，置數(shù)控制邏輯電路使d1=1保留；

UO=8/16（1·23+0·22

+1·21

+0·20）=5Vd3d2d1

d0=10109）DAC將逐次逼近寄存器輸出的數(shù)字量1010轉(zhuǎn)換為模擬量UO；405）將d2置“1”；即d3d2d1d0=1100；611）將d0置“1”；即d3d2d1d0=1011；10）UO<

UX

，置數(shù)控制邏輯電路使d0=1保留；

UO=8/16（1·23+0·22

+1·21

+1·20）=5.5Vd3d2d1

d0=1011