第14章数模和模数转换器精选文档.ppt

第第14章数模和模数章数模和模数转换器转换器本讲稿第一页，共二十七页学习目标及考核标准 掌握数模转换和模数转换电路的基本组成及其工掌握数模转换和模数转换电路的基本组成及其工作原理。作原理。本讲稿第二页，共二十七页 数字电路、计算机只能对数字信号进行处理，其结果为数字电路、计算机只能对数字信号进行处理，其结果为数字量。然而，自然界中绝大多数的物理量都是连续变化数字量。然而，自然界中绝大多数的物理量都是连续变化的模拟量。例如温度、速度、压力等。这些模拟量经传感的模拟量。例如温度、速度、压力等。这些模拟量经传感器转换后所产生的电信号也是模拟信号。若要数字装置或器转换后所产生的电信号也是模拟信号。若要数字装置或计算机对这些信号进行处理，就必须将其转换为数字信号。计算机对这些信号进行处理，就必须将其转换为数字信号。将模拟量转换为数字量的过程称为模将模拟量转换为数字量的过程称为模/数转换简称数转换简称A/D转换。实现转换。实现A/D转换的电路被称之为模转换的电路被称之为模/数转换器，数转换器，简称简称ADC（Analog to Digital Converter）。）。ADC转换所得到的数字信号经计算机处理，其输出转换所得到的数字信号经计算机处理，其输出仍为数字信号。而过程控制装置往往需要模拟信号去仍为数字信号。而过程控制装置往往需要模拟信号去控制，所以经计算机处理后得到的数字信号控制，所以经计算机处理后得到的数字信号本讲稿第三页，共二十七页必须转换为模拟信号。把数字量转换为模拟量的过程称必须转换为模拟信号。把数字量转换为模拟量的过程称作数作数/模转换器，简称模转换器，简称DAC（Digital to Analog Converter）。）。ADCADC和和和和DACDAC应用框图如图所示。应用框图如图所示。应用框图如图所示。应用框图如图所示。本讲稿第四页，共二十七页 DAC是将数字量输入转换成模拟量输出的电子线路，它是将数字量输入转换成模拟量输出的电子线路，它是数字处理系统与模拟系统的接口电路。是数字处理系统与模拟系统的接口电路。14.1 数模转换器数模转换器14.1.1权电阻网络权电阻网络DAC1.电路组成电路组成4位权电阻网络位权电阻网络由由4个不同系数电个不同系数电阻构成的权电阻网阻构成的权电阻网络、求和运算放大络、求和运算放大器、电子模拟开关器、电子模拟开关S和基准电压和基准电压UR4 4个个个个部分组成。部分组成。部分组成。部分组成。本讲稿第五页，共二十七页2.2.工作原理工作原理工作原理工作原理各电阻值是按各电阻值是按各电阻值是按各电阻值是按4 4位二进制数的位二进制数的位二进制数的位二进制数的位权大小取定：位权大小取定：位权大小取定：位权大小取定：最低位对应的电最低位对应的电最低位对应的电最低位对应的电阻最大，为阻最大，为阻最大，为阻最大，为2 23 3R R，相邻低位减半，相邻低位减半，相邻低位减半，相邻低位减半，最高位对应的电最高位对应的电最高位对应的电最高位对应的电阻最小，为阻最小，为阻最小，为阻最小，为2 20 0R。接运放反相输入端接运放反相输入端接运放反相输入端接运放反相输入端各电子开关各电子开关各电子开关各电子开关S S受受受受D D控制控制控制控制本讲稿第六页，共二十七页流向运放流向运放A点的总电流可表示为：点的总电流可表示为：I I正比于输入的二进制数正比于输入的二进制数正比于输入的二进制数正比于输入的二进制数D D，实现了数字量到模拟量的，实现了数字量到模拟量的，实现了数字量到模拟量的，实现了数字量到模拟量的转换。转换。转换。转换。二进制数系数按权排列，二进制数系数按权排列，二进制数系数按权排列，二进制数系数按权排列，即权电阻网络即权电阻网络即权电阻网络即权电阻网络本讲稿第七页，共二十七页若权电阻网络为若权电阻网络为若权电阻网络为若权电阻网络为n位，且位，且位，且位，且R Rf fR/2/2，则输出电压为，则输出电压为，则输出电压为，则输出电压为运放将求和后的电流转换为模拟电压，其输出电压为运放将求和后的电流转换为模拟电压，其输出电压为运放将求和后的电流转换为模拟电压，其输出电压为运放将求和后的电流转换为模拟电压，其输出电压为权电阻网络权电阻网络权电阻网络权电阻网络DACDAC对电阻之间的数值要求相关较大，精对电阻之间的数值要求相关较大，精对电阻之间的数值要求相关较大，精对电阻之间的数值要求相关较大，精度高，不便集成。度高，不便集成。度高，不便集成。度高，不便集成。本讲稿第八页，共二十七页例例例例14141 1在力示权电阻网络在力示权电阻网络DAC中，设中，设UR R8V，R Rf fR/2/2，试求，试求，试求，试求（1）当输入数字量）当输入数字量D D3 3D D2 2D1D00001时，输时，输出的电压值。（出的电压值。（2）当输入数字）当输入数字D D3D D2D1D D0 01000时，输时，输出的电压值。（出的电压值。（3）当输入数字量）当输入数字量D D3 3D2D1 1D D01111时，输时，输出的电压值。出的电压值。解：解：解：解：将输入数字量的各位数值代入公式即可求得各输出电将输入数字量的各位数值代入公式即可求得各输出电将输入数字量的各位数值代入公式即可求得各输出电将输入数字量的各位数值代入公式即可求得各输出电压分别为压分别为压分别为压分别为（1 1）（2）（3）本讲稿第九页，共二十七页14.1.1 R2R倒倒T形电阻网络形电阻网络DAC1.电路组成电路组成4 4位位位位R R2R2R倒倒倒倒T T形电阻网络由电阻网络、形电阻网络由电阻网络、形电阻网络由电阻网络、形电阻网络由电阻网络、求和运算放大器、电子模拟开关求和运算放大器、电子模拟开关求和运算放大器、电子模拟开关求和运算放大器、电子模拟开关S S和基准电压和基准电压和基准电压和基准电压UR R4 4部分组部分组部分组部分组成。成。成。成。本讲稿第十页，共二十七页2.工作原理工作原理无论无论无论无论D D1 1还是还是还是还是D D0，各，各2R支路上端经支路上端经支路上端经支路上端经S S都等效为接地，都等效为接地，都等效为接地，都等效为接地，其等效电路如图：其等效电路如图：其等效电路如图：其等效电路如图：无论开关合向无论开关合向无论开关合向无论开关合向1 1还是还是还是还是0 0，电路结构不变，各支路电流不变。，电路结构不变，各支路电流不变。，电路结构不变，各支路电流不变。，电路结构不变，各支路电流不变。开关状态仅仅决定电流是流向运算放大器的虚地端还是流开关状态仅仅决定电流是流向运算放大器的虚地端还是流开关状态仅仅决定电流是流向运算放大器的虚地端还是流开关状态仅仅决定电流是流向运算放大器的虚地端还是流向地端。向地端。向地端。向地端。本讲稿第十一页，共二十七页从输入数字信号的高位从输入数字信号的高位D3到低位到低位D0 0，流入，流入，流入，流入4 4个结点的个结点的个结点的个结点的电流分别被分流为电流分别被分流为电流分别被分流为电流分别被分流为I I3 3I I/2/2，I2=I/2/22 2，I I1 1=I/23，I I0=I/24。在数字量的控制下流向求和运算放大器反相输入端在数字量的控制下流向求和运算放大器反相输入端A点的电流为：点的电流为：实现了数实现了数实现了数实现了数字量到模字量到模字量到模字量到模拟量的转拟量的转拟量的转拟量的转换换换换本讲稿第十二页，共二十七页经求和运算放大器将电流经求和运算放大器将电流经求和运算放大器将电流经求和运算放大器将电流I I转换为电压的输出为：转换为电压的输出为：转换为电压的输出为：转换为电压的输出为：R2R R倒倒T形电阻网形电阻网络络DAC是目前应用最是目前应用最多的多的DAC集成电路，集成电路，按输入的二进制数的按输入的二进制数的位数可分为位数可分为8位、位、10位、位、12位和位和16位等。如位等。如DA7520，其引脚排列，其引脚排列及连接电路如图所示。及连接电路如图所示。本讲稿第十三页，共二十七页14.1.3 DAC的主要技术指标的主要技术指标1.分辨率分辨率2.2.转换精度转换精度转换精度转换精度 指最小输出电压与最大输出电压之比，也是最小输指最小输出电压与最大输出电压之比，也是最小输入数字量入数字量1与最大输入数字量与最大输入数字量2n-1之比。之比。是指输出模拟电压的实际值与理想值之差，即最大是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。静态转换误差。它是由于参考电压它是由于参考电压UR R偏离标准值、运算放大器的零偏离标准值、运算放大器的零点漂移、模拟开关的压降及电阻值的偏差等原因所引点漂移、模拟开关的压降及电阻值的偏差等原因所引起的。起的。除此之外，应选用多位数除此之外，应选用多位数DAC、选用稳定度高的、选用稳定度高的参考电压源和低零漂的运算放大器与之配合。参考电压源和低零漂的运算放大器与之配合。本讲稿第十四页，共二十七页14.2 模数转换器模数转换器1.1.电路组成电路组成电路组成电路组成如图是逐次逼近型如图是逐次逼近型如图是逐次逼近型如图是逐次逼近型ADCADC的组成框图。的组成框图。的组成框图。的组成框图。由顺序脉冲发生器、逐次逼近寄存器、数模转换器和电由顺序脉冲发生器、逐次逼近寄存器、数模转换器和电由顺序脉冲发生器、逐次逼近寄存器、数模转换器和电由顺序脉冲发生器、逐次逼近寄存器、数模转换器和电压比较器压比较器压比较器压比较器4 4部分组成。部分组成。部分组成。部分组成。2.工作原理工作原理 先设定一个数字量先设定一个数字量先设定一个数字量先设定一个数字量D DA，并将，并将DA经经经经DACDAC转换成模拟量转换成模拟量转换成模拟量转换成模拟量U UA A后，与待转换的模拟量后，与待转换的模拟量UX X比较，如果比较结果比较，如果比较结果UA=UX，则可确定所转换成的数字量为，则可确定所转换成的数字量为，则可确定所转换成的数字量为，则可确定所转换成的数字量为D DA。本讲稿第十五页，共二十七页4 4位逐次逼近型位逐次逼近型位逐次逼近型位逐次逼近型ADCADC原理图原理图原理图原理图 顺序脉冲发生器由顺序脉冲发生器由5位环形计数器构成，输出位环形计数器构成，输出5个时间个时间上有一定先后顺序的上有一定先后顺序的CP脉冲，送给逐次逼近寄存器。脉冲，送给逐次逼近寄存器。本讲稿第十六页，共二十七页 逐次逼近寄存器由逐次逼近寄存器由4个个D触发器构成，在顺序脉冲触发器构成，在顺序脉冲CP1至至至至CPCP2的推动下，记忆每次由电压比较器比较的结果，并进的推动下，记忆每次由电压比较器比较的结果，并进的推动下，记忆每次由电压比较器比较的结果，并进的推动下，记忆每次由电压比较器比较的结果，并进行修改设定向行修改设定向行修改设定向行修改设定向DACDAC提供新的二进制输入数码。待转换的模拟提供新的二进制输入数码。待转换的模拟提供新的二进制输入数码。待转换的模拟提供新的二进制输入数码。待转换的模拟电压电压电压电压UX送到电压比较器的同相输入端，比较器的反相输入送到电压比较器的同相输入端，比较器的反相输入送到电压比较器的同相输入端，比较器的反相输入送到电压比较器的同相输入端，比较器的反相输入端为端为端为端为DACDAC输出的模拟电压输出的模拟电压输出的模拟电压输出的模拟电压UA A，将最终比较结果经，将最终比较结果经4个个D触触发器以数字量的形式输出，比而完成发器以数字量的形式输出，比而完成AD转换。转换。如设如设DAC为为4位位R-2R倒倒T形，基准电压形，基准电压UR=-10V，待转，待转换的模拟电压换的模拟电压UX=6.88V=6.88V，工作前各触发器清零。，工作前各触发器清零。，工作前各触发器清零。，工作前各触发器清零。工作时，首先由顺序脉冲发生器发出脉冲工作时，首先由顺序脉冲发生器发出脉冲CP1 1=1=1，经非门，经非门，经非门，经非门使使使使D D触发器触发器触发器触发器F F4直接置直接置直接置直接置1 1，于是，于是，于是，于是QQ4 4=1，Q3 3、QQ2、Q1 1保持保持0态。态。本讲稿第十七页，共二十七页 这一设定数字量经这一设定数字量经DAC转换成模拟量转换成模拟量UA A，且，且，且，且R Rf=R，则：则：得得得得UA A=-5V=-5V，小于，小于，小于，小于UX=6.88V，说明该设定量，说明该设定量DA=1000=1000太小，太小，太小，太小，下次比较时，该位数下次比较时，该位数下次比较时，该位数下次比较时，该位数QQ4=1应保留，同时应将第三位应保留，同时应将第三位Q3增为增为增为增为1 1。接着，由顺序脉冲分配器发出脉冲接着，由顺序脉冲分配器发出脉冲接着，由顺序脉冲分配器发出脉冲接着，由顺序脉冲分配器发出脉冲CPCP2 2，它供给，它供给F4 4作为时钟作为时钟作为时钟作为时钟脉冲，由于脉冲，由于脉冲，由于脉冲，由于UA A UX X，比较，比较，比较，比较器输出为低电平，器输出为低电平，器输出为低电平，器输出为低电平，D D3=0，使得，使得Q3=0=0，同时，同时，同时，同时，CPCP3经非门又经非门又经非门又经非门又使使使使F F2 2直接置直接置1，故，故Q4=1=1，QQ3=0=0，QQ2 2=1，Q1 1=0，这时，这时，U UA=6.25V，小于，小于U UX X=6.88V=6.88V。继之，发出继之，发出CP4，作为，作为，作为，作为F F2的时钟脉冲，由于的时钟脉冲，由于的时钟脉冲，由于的时钟脉冲，由于UA AU UX，比，比，比，比较器输出又是高电平，较器输出又是高电平，较器输出又是高电平，较器输出又是高电平，D D2 2=1=1，故，故，故，故QQ2=1=1保留，同时，保留，同时，保留，同时，保留，同时，CPCP4 4又使又使又使又使F F1 1直接置直接置1，故，故Q4=1=1，QQ3 3=0=0，QQ2 2=1=1，QQ1 1=1=1，这时，这时，这时，这时，UA=6.875V，略小于，略小于U UX。最后，发出最后，发出最后，发出最后，发出CPCP5 5作为作为作为作为F F1的时钟脉冲，由于的时钟脉冲，由于U UAU UX，D D1 1=1=1，QQ4 4=1，Q3=1，Q2=1=1，QQ1 1=1不变。误差小于数字量的最不变。误差小于数字量的最低位，所以低位，所以DA=1011=1011即为由模拟量即为由模拟量即为由模拟量即为由模拟量6.88V6.88V转换而来的数字量转换而来的数字量转换而来的数字量转换而来的数字量D DX X。本讲稿第十九页，共二十七页14.2.3 ADC的主要技术指标的主要技术指标1.1.分辨率分辨率分辨率分辨率2.2.相对精度相对精度相对精度相对精度 以输出二进制数的位数表示以输出二进制数的位数表示分辨率，位数越多，误差分辨率，位数越多，误差越小，分辨率越高，转换精度也越高越小，分辨率越高，转换精度也越高。相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。在理想的情况下，所有的转换点应当在一条直线上。在理想的情况下，所有的转换点应当在一条直线上。在理想的情况下，所有的转换点应当在一条直线上。在理想的情况下，所有的转换点应当在一条直线上。3.3.转换速度转换速度转换速度转换速度 是指完成一次转换所需的时间。转换时间是指从接到转是指完成一次转换所需的时间。转换时间是指从接到转是指完成一次转换所需的时间。转换时间是指从接到转是指完成一次转换所需的时间。转换时间是指从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间。过的这段时间。过的这段时间。过的这段时间。本讲稿第二十页，共二十七页14.3 数字电路应用举例数字电路应用举例14.3.1 14.3.1 交通信号灯故障检测电路交通信号灯故障检测电路交通信号灯故障检测电路交通信号灯故障检测电路正常情况正常情况正常情况正常情况 红灯红灯红灯红灯R R亮为禁止通行；黄灯亮为禁止通行；黄灯亮为禁止通行；黄灯亮为禁止通行；黄灯Y Y亮为清空占道区；绿灯亮为清空占道区；绿灯亮为清空占道区；绿灯亮为清空占道区；绿灯G G 可以可以可以可以通行。正常时只有一个灯亮，通行。正常时只有一个灯亮，通行。正常时只有一个灯亮，通行。正常时只有一个灯亮，否则为故障现象。否则为故障现象。否则为故障现象。否则为故障现象。R Y G F0 0 0 10 0 1 00 1 0 00 1 1 11 0 0 01 0 1 11 1 0 11 1 1 1 输入变量为输入变量为1表示灯亮，输表示灯亮，输入变量为入变量为0灯不亮。输出为灯不亮。输出为F，有故障时输出为，有故障时输出为1，正常时，正常时输出为输出为0。本讲稿第二十一页，共二十七页有故障时的逻辑式为：有故障时的逻辑式为：有故障时的逻辑式为：有故障时的逻辑式为：化简可得：化简可得：化简可得：化简可得：如用与非门实现，则将上式变换为如用与非门实现，则将上式变换为本讲稿第二十二页，共二十七页 故障时，晶体管导通，继电器故障时，晶体管导通，继电器故障时，晶体管导通，继电器故障时，晶体管导通，继电器KAKA通电，其触点闭合，故通电，其触点闭合，故通电，其触点闭合，故通电，其触点闭合，故障指示灯障指示灯障指示灯障指示灯HH亮。将光电检测元件安装在交通信号灯旁，光电亮。将光电检测元件安装在交通信号灯旁，光电亮。将光电检测元件安装在交通信号灯旁，光电亮。将光电检测元件安装在交通信号灯旁，光电检测元件输出检测元件输出检测元件输出检测元件输出经放大器送到经放大器送到RYGRYG三端，交三端，交三端，交三端，交通信号灯亮则通信号灯亮则为高电平，不为高电平，不亮则为低电平。亮则为低电平。本讲稿第二十三页，共二十七页14.3.2 14.3.2 数字万用表数字万用表数字万用表数字万用表 测量时，输入直流电压测量时，输入直流电压测量时，输入直流电压测量时，输入直流电压U UX经过量程选择电路加到经过量程选择电路加到ADC上，将它转换为数字量，然后由译码显示电路显示出测上，将它转换为数字量，然后由译码显示电路显示出测量结果。量结果。本讲稿第二十四页，共二十七页14.3.3 数字转速表数字转速表 它由光电脉冲转换电路、放大器、整形电路、基准时它由光电脉冲转换电路、放大器、整形电路、基准时它由光电脉冲转换电路、放大器、整形电路、基准时它由光电脉冲转换电路、放大器、整形电路、基准时间脉冲发生器、计数器及译码器和数字显示器等组成。间脉冲发生器、计数器及译码器和数字显示器等组成。间脉冲发生器、计数器及译码器和数字显示器等组成。间脉冲发生器、计数器及译码器和数字显示器等组成。本讲稿第二十五页，共二十七页 测量转速需要的基准时间由石英晶体振荡器和分频电测量转速需要的基准时间由石英晶体振荡器和分频电测量转速需要的基准时间由石英晶体振荡器和分频电测量转速需要的基准时间由石英晶体振荡器和分频电路产生。基准时间产生标准秒脉冲。将秒脉冲和被测光路产生。基准时间产生标准秒脉冲。将秒脉冲和被测光路产生。基准时间产生标准秒脉冲。将秒脉冲和被测光路产生。基准时间产生标准秒脉冲。将秒脉冲和被测光电脉冲信号同时送到与门电路，这样就能测量出在每秒电脉冲信号同时送到与门电路，这样就能测量出在每秒电脉冲信号同时送到与门电路，这样就能测量出在每秒电脉冲信号同时送到与门电路，这样就能测量出在每秒内送到计数器的脉冲数，当然就可以得出每分钟的脉冲内送到计数器的脉冲数，当然就可以得出每分钟的脉冲内送到计数器的脉冲数，当然就可以得出每分钟的脉冲内送到计数器的脉冲数，当然就可以得出每分钟的脉冲数，然后再经译码器使数码显示管显示转速来。数，然后再经译码器使数码显示管显示转速来。数，然后再经译码器使数码显示管显示转速来。数，然后再经译码器使数码显示管显示转速来。本讲稿第二十六页，共二十七页谢谢观看！谢谢观看！本讲稿第二十七页，共二十七页