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模数转换电路的设计与实现2022/10/252022/10/251 1本讲稿第一页，共十九页常用模拟量：温度、湿度、压力、流量、速度等。从模拟信号到数字信号的转换称为模/数转换（简称A/D转换），实现模/数转换的电路叫做A/D转换器（简称ADC）；从数字信号到模拟信号的转换称为数/模转换（简称D/A转换），实现数/模转换的电路称为D/A转换器（简称DAC）。5.1.1 A/D转换中的基本概念转换中的基本概念2022/10/252022/10/252 2本讲稿第二页，共十九页典型数字控制系统框图5.1.2 A/D转换电路在系统中的作用转换电路在系统中的作用2022/10/252022/10/253 3本讲稿第三页，共十九页5.2 A/D转换基本原理转换基本原理 A/D转换目标：将时间连续、幅值也连续的模拟信号转换为时间离散、幅值也离散的数字信号。四个步骤：采样、保持、量化、编码。1.采样与保持 （1）将一个时间上连续变化的模拟量转换成时间上离散的模拟量称为采样。2022/10/252022/10/254 4本讲稿第四页，共十九页图7-7 采样过程示意图 取样定理：设取样脉冲s(t)的频率为fS，输入模拟信号x(t)的最高频率分量的频率为fmax，必须满足 fs 2fmaxy(t)才可以正确的反映输入信号(从而能不失真地恢复原模拟信号)。通常取fs（2.53）fmax。2022/10/252022/10/255 5本讲稿第五页，共十九页（2）由于A/D转换需要一定的时间，在每次采样以后，需要把采样电压保持一段时间。s(t)有效期间，开关管VT导通，uI向C充电，uO(=uc)跟随uI的变化而变化；s(t)无效期间，开关管VT截止，uO(=uc)保持不变，直到下次采样。（由于集成运放A具有很高的输入阻抗，在保持阶段，电容C上所存电荷不易泄放。）图7-8 采样保持电路2022/10/252022/10/256 6本讲稿第六页，共十九页2.2.量化和编码量化和编码 数字量最小单位所对应的最小量值叫做量化单位。将采样保持电路的输出电压归化为量化单位的整数倍的过程叫做量化。用二进制代码来表示各个量化电平的过程，叫做编码。一个n位二进制数只能表示2n个量化电平，量化过程中不可避免会产生误差，这种误差称为量化误差。量化级分得越多（n越大），量化误差越小。2022/10/252022/10/257 7本讲稿第七页，共十九页5.3 A/D转换器工作原理转换器工作原理 直接A/D转换器：并行比较型A/D转换器 逐次比较型A/D转换器 间接A/D转换器：双积分型A/D转换器 电压转换型A/D转换器 1.逐次比较型A/D转换器2022/10/252022/10/258 8本讲稿第八页，共十九页实例8位A/D转换器，输入模拟量uI=6.84V，基准电压 UREF=10V。当当D7D6D5D4D3D2D1D0=11111111时，uo=UREFCPD7D6D5D4D3D2D1D0u0(V)uIuO010000000511110000007.502101000006.2513101100006.87504101010006.562515101011006.7187516101011106.79687517101011116.83593751uIuO为1否则为0 2022/10/252022/10/259 9本讲稿第九页，共十九页图7-10 8位逐次比较型A/D转换器波形图 2022/10/252022/10/251010本讲稿第十页，共十九页5.4 ADC的主要技术参数的主要技术参数1.分辨率 分辨率是指A/DA/D转换器输出数字量的最低位变化一个数码时，对应输入模拟量的变化量。通常以ADCADC输出数字量的位数表示分辨率的高低，因为位数越多，量化单位就越小，对输入信号的分辨能力也就越高。例如，输入模拟电压满量程为10V10V，若用8 8位ADCADC转换时，其分辨率为10V/210V/28 839mV39mV，1010位的ADCADC是9.76mV9.76mV，而1212位的ADCADC为2.44mV2.44mV。2022/10/252022/10/251111本讲稿第十一页，共十九页2.转换速度 完成一次A/DA/D转换所需要的时间叫做转换时间，转换时间越短，则转换速度越快。双积分ADCADC的转换时间在几十毫秒至几百毫秒之间；逐次比较型ADCADC的转换时间大都在10105050s s之间；并行比较型ADCADC的转换时间可达10ns10ns。2022/10/252022/10/251212本讲稿第十二页，共十九页5.5 集成集成A/D转换器及接口设计转换器及接口设计 集成A/DA/D转换器规格品种繁多，常见的有ADC0804、ADC0809、MC14433等。1.ADC0804 A/D转换器 ADC0804是一种逐次比较型A/D转换器。2022/10/252022/10/251313本讲稿第十三页，共十九页（1）ADC0804的主要功能及参数如下：分辨率为8位。线性误差为1/2LSB。三态锁存输出，输出电平与TTL兼容。+5V单电源供电，模拟电压输入范围05V。功耗小于20mW。不必进行零点和满度调整。转换速度较高，可达100S。2022/10/252022/10/251414本讲稿第十四页，共十九页图7-13 ADC0804引脚图UIN+、UIN-：模拟信号输入。UREF：基准电压输入端。CLK：时钟信号输入端。（2）ADC0804各引脚功能说明如下：D0D7：数据输出端，有三态功能，能与微机总线相接。AGND：模拟信号地。DGND：数字信号地。2022/10/252022/10/251515本讲稿第十五页，共十九页 接口设计接口设计DATAD0D1D2D3D4D5D6D72022/10/252022/10/251616本讲稿第十六页，共十九页 小结：小结：A/D转换须经过采样、保持、量化、编码四个步骤才能完成。采样、保持由采样保持电路完成；量化和编码须在转换过程中实现。可供我们选择使用的集成ADC和DAC芯片种类很多，应通过查阅手册，在理解其工作原理的基础上，重点把握这些芯片的外部特性以及与其它电路的接口方法。2022/10/252022/10/251717本讲稿第十七页，共十九页5.6 本情境任务本情境任务（一）（一）用仿真软件用仿真软件proteus做一个简单的电做一个简单的电压采集压采集-显示电路。使用显示电路。使用ADC0804芯片。芯片。（二）采用总线方式，设计一个电压采集（二）采用总线方式，设计一个电压采集-显示系统，要求硬件接口与前几个情境匹配显示系统，要求硬件接口与前几个情境匹配。焊接电路板，下载程序，实现设计。焊接电路板，下载程序，实现设计。（三）问题与思考，任务拓展。模拟用户需（三）问题与思考，任务拓展。模拟用户需求，提出更加细致要求，如增加转换通道，求，提出更加细致要求，如增加转换通道，测量范围大幅度变化等等。测量范围大幅度变化等等。2022/10/252022/10/251818本讲稿第十八页，共十九页2022/10/252022/10/251919本讲稿第十九页，共十九页