模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2023/6/191第一頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日常用模擬量：溫度、濕度、壓力、流量、速度等。從模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換稱為模/數(shù)轉(zhuǎn)換（簡稱A/D轉(zhuǎn)換），實(shí)現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換的電路叫做A/D轉(zhuǎn)換器（簡稱ADC）；從數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換稱為數(shù)/模轉(zhuǎn)換（簡稱D/A轉(zhuǎn)換），實(shí)現(xiàn)數(shù)/模轉(zhuǎn)換的電路稱為D/A轉(zhuǎn)換器（簡稱DAC）。

5.1.1A/D轉(zhuǎn)換中的基本概念2023/6/192第二頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日

典型數(shù)字控制系統(tǒng)框圖5.1.2A/D轉(zhuǎn)換電路在系統(tǒng)中的作用2023/6/193第三頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日5.2A/D轉(zhuǎn)換基本原理

A/D轉(zhuǎn)換目標(biāo)：將時(shí)間連續(xù)、幅值也連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為時(shí)間離散、幅值也離散的數(shù)字信號(hào)。四個(gè)步驟：采樣、保持、量化、編碼。1.采樣與保持

（1）將一個(gè)時(shí)間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成時(shí)間上離散的模擬量稱為采樣。2023/6/194第四頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日

圖7-7采樣過程示意圖

取樣定理：設(shè)取樣脈沖s(t)的頻率為fS，輸入模擬信號(hào)x(t)的最高頻率分量的頻率為fmax，必須滿足fs≥2fmaxy(t)才可以正確的反映輸入信號(hào)(從而能不失真地恢復(fù)原模擬信號(hào))。通常取fs＝（2.5～3）fmax。

2023/6/195第五頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日

（2）由于A/D轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，在每次采樣以后，需要把采樣電壓保持一段時(shí)間。

s(t)有效期間，開關(guān)管VT導(dǎo)通，uI向C充電，uO

(=uc)跟隨uI的變化而變化；s(t)無效期間，開關(guān)管VT截止，uO

(=uc)保持不變，直到下次采樣。（由于集成運(yùn)放A具有很高的輸入阻抗，在保持階段，電容C上所存電荷不易泄放。）

圖7-8采樣―保持電路2023/6/196第六頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日2.量化和編碼

數(shù)字量最小單位所對(duì)應(yīng)的最小量值叫做量化單位△。

將采樣－保持電路的輸出電壓歸化為量化單位△的整數(shù)倍的過程叫做量化。

用二進(jìn)制代碼來表示各個(gè)量化電平的過程，叫做編碼。一個(gè)n位二進(jìn)制數(shù)只能表示2n個(gè)量化電平，量化過程中不可避免會(huì)產(chǎn)生誤差，這種誤差稱為量化誤差。量化級(jí)分得越多（n越大），量化誤差越小。

2023/6/197第七頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日5.3

A/D轉(zhuǎn)換器工作原理直接A/D轉(zhuǎn)換器：并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器間接A/D轉(zhuǎn)換器：雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器電壓轉(zhuǎn)換型A/D轉(zhuǎn)換器1.逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器2023/6/198第八頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日實(shí)例

8位A/D轉(zhuǎn)換器，輸入模擬量uI=6.84V，

基準(zhǔn)電壓UREF=10V。當(dāng)D7D6D5D4D3D2D1D0=11111111時(shí)，uo=UREFCPD7D6D5D4D3D2D1D0u0(V)uI>uO010000000511110000007.502101000006.2513101100006.87504101010006.562515101011006.7187516101011106.79687517101011116.83593751uI>uO為1否則為0

2023/6/199第九頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日

圖7-108位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器波形圖

2023/6/1910第十頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日5.4ADC的主要技術(shù)參數(shù)1.分辨率

分辨率是指A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)字量的最低位變化一個(gè)數(shù)碼時(shí)，對(duì)應(yīng)輸入模擬量的變化量。通常以ADC輸出數(shù)字量的位數(shù)表示分辨率的高低，因?yàn)槲粩?shù)越多，量化單位就越小，對(duì)輸入信號(hào)的分辨能力也就越高。例如，輸入模擬電壓滿量程為10V，若用8位ADC轉(zhuǎn)換時(shí)，其分辨率為10V/28＝39mV，10位的ADC是9.76mV，而12位的ADC為2.44mV。

2023/6/1911第十一頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日2.轉(zhuǎn)換速度完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間叫做轉(zhuǎn)換時(shí)間，轉(zhuǎn)換時(shí)間越短，則轉(zhuǎn)換速度越快。雙積分ADC的轉(zhuǎn)換時(shí)間在幾十毫秒至幾百毫秒之間；逐次比較型ADC的轉(zhuǎn)換時(shí)間大都在10～50μs之間；并行比較型ADC的轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)10ns。

2023/6/1912第十二頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日5.5

集成A/D轉(zhuǎn)換器及接口設(shè)計(jì)

集成A/D轉(zhuǎn)換器規(guī)格品種繁多，常見的有ADC0804、ADC0809、MC14433等。

1.ADC0804A/D轉(zhuǎn)換器

ADC0804是一種逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器。2023/6/1913第十三頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日

（1）ADC0804的主要功能及參數(shù)如下：

①分辨率為8位。②線性誤差為±1/2LSB。③三態(tài)鎖存輸出，輸出電平與TTL兼容。④+5V單電源供電，模擬電壓輸入范圍0～5V。⑤功耗小于20mW。⑥不必進(jìn)行零點(diǎn)和滿度調(diào)整。⑦轉(zhuǎn)換速度較高，可達(dá)100μS。2023/6/1914第十四頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日?qǐng)D7-13ADC0804引腳圖

UIN+、UIN-：模擬信號(hào)輸入。

UREF：基準(zhǔn)電壓輸入端。CLK：時(shí)鐘信號(hào)輸入端。

（2）ADC0804各引腳功能說明如下：

D0～D7：數(shù)據(jù)輸出端，有三態(tài)功能，能與微機(jī)總線相接。。AGND：模擬信號(hào)地。DGND：數(shù)字信號(hào)地。2023/6/1915第十五頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日·接口設(shè)計(jì)DATAD0D1D2D3D4D5D6D72023/6/1916第十六頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日小結(jié)：A/D轉(zhuǎn)換須經(jīng)過采樣、保持、量化、編碼四個(gè)步驟才能完成。采樣、保持由采樣－保持電路完成；量化和編碼須在轉(zhuǎn)換過程中實(shí)現(xiàn)。。

可供我們選擇使用的集成ADC和DAC芯片種類很多，應(yīng)通過查閱手冊(cè)，在理解其工作原理的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)把握這些芯片的外部特性以及與其它電路的接口方法。2023/6/1917第十七頁，共十九頁，編輯于2023年，星期日5.6

本情境任務(wù)（一）用仿真軟件proteus做一個(gè)簡單的電壓采集-顯示電路。使用ADC0804芯片。（二）采用總線