第7章 数模和模数变换器优秀PPT.ppt

第7章 数模和模数变换器1现在学习的是第1页，共59页第九章第九章 数数/模和模模和模/数变换数变换9.1 概述概述9.2 D/A 变换器变换器9.3 A/D 变换器变换器2现在学习的是第2页，共59页 数数/模与模模与模/数变换器是计算机与外部设数变换器是计算机与外部设备的重要接口备的重要接口,也是数字测量和数字控制系也是数字测量和数字控制系统的重要部件。统的重要部件。能将数字量转换为模拟量的装置称为数能将数字量转换为模拟量的装置称为数/模变换器模变换器(简称简称D/A变换器变换器);能将模拟量转能将模拟量转换为数字量的装置称为模换为数字量的装置称为模/数变换器数变换器(简称简称A/D变换器变换器)。下面，对这两个器件的工作原理及下面，对这两个器件的工作原理及 其简其简单应用做一些介绍。单应用做一些介绍。9.1 概述概述3现在学习的是第3页，共59页 数数/模与模模与模/数变换器性能优劣的主要标志：数变换器性能优劣的主要标志：1、数、数/模与模模与模/数变换器的转换数变换器的转换精度精度；2、数、数/模与模模与模/数变换器的转换数变换器的转换速度速度。4现在学习的是第4页，共59页 由于构成数字代码的每一位都有一由于构成数字代码的每一位都有一定的定的“权重权重”，因此为了将数字量转换，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成模拟量，就必须将每一位代码按其“权重权重”转换成相应的模拟量，然后再将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。变换器的基本思想。9.2 D/A 变换器变换器5现在学习的是第5页，共59页 D/A变换器的电路形式很多，这里变换器的电路形式很多，这里将介绍几种。将介绍几种。权电阻网络权电阻网络D/A转换器、倒梯形电阻网络转换器、倒梯形电阻网络D/A转换器、权电流型转换器、权电流型D/A转换器和开关树型转换器和开关树型D/A转换器等。转换器等。6现在学习的是第6页，共59页9.2.1 权电阻网络权电阻网络D/A变换器变换器 这种变换器由这种变换器由“电子模拟开关电子模拟开关”、“权电阻求和网络权电阻求和网络”、“运算放大器运算放大器”和和“基准电源基准电源”等部分组成。等部分组成。以四位权电阻网络以四位权电阻网络D/A转换器为例，转换器为例，说明其工作原理。说明其工作原理。7现在学习的是第7页，共59页权电阻网络权电阻网络权电阻网络权电阻网络D/AD/A转换器转换器转换器转换器8现在学习的是第8页，共59页 电子模拟开关电子模拟开关(S(S0 0-S-S3 3)由电子器件构成，其动作受由电子器件构成，其动作受二进制数二进制数d d0 0-d-d3 3 控制。当控制。当 d di i 1 1 时，则相应的开关时，则相应的开关S Si i 接接到位置到位置1 1上，将基准电源上，将基准电源U UREFREF经电阻经电阻R Ri i引起的电流接到运引起的电流接到运算放大器的虚地点（如图中算放大器的虚地点（如图中S S0 0、S S1 1）；当）；当d di i0 0 时，开关时，开关S Si i 接到位置接到位置0 0，将相应电流直接接地而不进运放。，将相应电流直接接地而不进运放。工作原理：工作原理：9现在学习的是第9页，共59页T1T2Sda电子模拟开关的电子模拟开关的简化原理电路简化原理电路 当当 d d=1=1 时，时，T T2 2 管饱管饱和导通，和导通，T T1 1 管截止，则管截止，则 S S 与与 a a 点通点通 ；当当 d d=0=0 时，时，T T1 1 管管饱和导通，饱和导通，T T2 2 管截止，管截止，则则 S S 被接地被接地 。前者相当于开关前者相当于开关S 接接到到“1”端端，后者则，后者则 相相当于开关当于开关S 接到接到“0”端端。10现在学习的是第10页，共59页根据反相比例运算公式可得：根据反相比例运算公式可得：11现在学习的是第11页，共59页 显然，输出模拟电压的大小直接与输入显然，输出模拟电压的大小直接与输入 二二进制数的大小成正比，从而实现了数字量进制数的大小成正比，从而实现了数字量 到到模拟量的转换模拟量的转换。对于对于n位的权电阻网络位的权电阻网络D/A转换器，当反馈电阻转换器，当反馈电阻取取R/2时，输出电压的计算公式为：时，输出电压的计算公式为：反馈电阻取反馈电阻取R/2时：时：12现在学习的是第12页，共59页双级权电阻网络D/A转换器13现在学习的是第13页，共59页9.2.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A变换器变换器(以以4位为例位为例)和权电阻网络相比，和权电阻网络相比，T T形电阻网络中电阻的类型少，形电阻网络中电阻的类型少，只有只有R、2R两种，电路构成比较方便。两种，电路构成比较方便。14现在学习的是第14页，共59页计算倒计算倒T型电阻网络支路电流的等效电路型电阻网络支路电流的等效电路15现在学习的是第15页，共59页 输出模拟电压与输入数字量成正比。输出模拟电压与输入数字量成正比。对于对于n位输入的倒位输入的倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器，转换器，反馈电阻阻值为反馈电阻阻值为R时，输出模拟电压为：时，输出模拟电压为：16现在学习的是第16页，共59页CB7520（AD7520）的电路原理图17现在学习的是第17页，共59页9.2.3 权电流型权电流型D/A变换器变换器权电流型权电流型D/A变换器变换器18现在学习的是第18页，共59页权电流型权电流型权电流型权电流型D/AD/A转换器中的恒流源转换器中的恒流源转换器中的恒流源转换器中的恒流源19现在学习的是第19页，共59页 可见，模拟电压与输入数字量成正比。可见，模拟电压与输入数字量成正比。当输入数字量的某位代码为当输入数字量的某位代码为1时，对应的开关时，对应的开关将恒流源接至运算放大器的输入端，输入代码将恒流源接至运算放大器的输入端，输入代码为为0时，对应的开关接地，输出模拟电压为：时，对应的开关接地，输出模拟电压为：20现在学习的是第20页，共59页利用倒T型电阻网络的权电流型D/A 转换器21现在学习的是第21页，共59页DAC0808的电路结构框图22现在学习的是第22页，共59页DAC0808的典型应用23现在学习的是第23页，共59页具有双极性输出电压的D/A转换器9.2.6 具有双极性输出的具有双极性输出的D/A变换器变换器24现在学习的是第24页，共59页9.2.7 D/A转换器的转换精度和转换速度转换器的转换精度和转换速度一、一、D/A转换器的转换精度转换器的转换精度 在在D/A转换器中通常用分辨率和转换误差转换器中通常用分辨率和转换误差来描述转换精度。来描述转换精度。指最小输出电压和最大输出电压之比。有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。时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。1、分辨率分辨率例如例如10位位D/A转换器的分辨率可以表示为：转换器的分辨率可以表示为：25现在学习的是第25页，共59页 2、线性误差线性误差线性误差的大小表示实际的线性误差的大小表示实际的D/A 变换特性和变换特性和理想转换特性之间的最大误差。理想转换特性之间的最大误差。D/AD/A转换器的转换器的转换器的转换器的转换特性曲线转换特性曲线线性误差一般用最低位线性误差一般用最低位有效位的倍数表示。有效位的倍数表示。26现在学习的是第26页，共59页 造成造成D/A转换器误差的原因有转换器误差的原因有：参考电压的波动、运算放大器的零漂、模拟参考电压的波动、运算放大器的零漂、模拟开关的导通内阻和导通压降、电阻网络中电阻阻开关的导通内阻和导通压降、电阻网络中电阻阻值的偏差以及三极管特性的不一致等等。值的偏差以及三极管特性的不一致等等。以倒T型电阻网络D/A转换器为例把由V引起的转换误差叫比例系数误差27现在学习的是第27页，共59页比例系数误差28现在学习的是第28页，共59页漂移误差29现在学习的是第29页，共59页非线性误差30现在学习的是第30页，共59页D/A转换器的建立时间二、二、D/A转换器的转换速度转换器的转换速度31现在学习的是第31页，共59页 A/D变换器的任务是将模拟量转换成变换器的任务是将模拟量转换成数字量数字量,它是模拟信号和数字仪器的接它是模拟信号和数字仪器的接口。根据其性能不同，类型也比较多。口。根据其性能不同，类型也比较多。下面介绍几种下面介绍几种A/D变换电路和一种常用变换电路和一种常用的集成电路组件。最后举例说明其应用。的集成电路组件。最后举例说明其应用。9.3 A/D 变换器变换器32现在学习的是第32页，共59页 在在A/D转换器中，因为输入的模拟信号在时间上是连续的转换器中，因为输入的模拟信号在时间上是连续的而输出的数字信号是离散的，所以转换只能在一系列选定的而输出的数字信号是离散的，所以转换只能在一系列选定的瞬间对输入的模拟信号取样，然后再把这些取样值转换成输瞬间对输入的模拟信号取样，然后再把这些取样值转换成输出的数字量。出的数字量。A/D转换过程：转换过程：取样取样保持保持量化量化编码编码9.3.1 A/D转换的基本原理转换的基本原理33现在学习的是第33页，共59页对输入模拟信号的取样对输入模拟信号的取样 一、取样定理一、取样定理取样定理取样定理设取样信号的频率为设取样信号的频率为输入模拟信号输入模拟信号 的最的最高频率分量的频率为高频率分量的频率为34现在学习的是第34页，共59页还原取样信号所用滤波器的频率特性35现在学习的是第35页，共59页 二、量化和编码二、量化和编码 在进行在进行A/D转换时，必须把取样电压表示为这个最转换时，必须把取样电压表示为这个最小单位的整数倍。这个转换过程叫小单位的整数倍。这个转换过程叫量化量化，所取的最小，所取的最小数量单位叫量化单位，用数量单位叫量化单位，用表示。表示。把量化的结果用代码（可以是二进制，也可以把量化的结果用代码（可以是二进制，也可以是其他进制）表示出来，称为是其他进制）表示出来，称为编码。编码。这些代码就是这些代码就是A/D转换的输出结果。转换的输出结果。36现在学习的是第36页，共59页划分量化电平的两种方法37现在学习的是第37页，共59页对双极性模拟电压的量化和编码对双极性模拟电压的量化和编码38现在学习的是第38页，共59页取样保持电路的基本形式取样保持电路的基本形式9.3.2 取样保持电路取样保持电路39现在学习的是第39页，共59页集成取样保持电路集成取样保持电路LF198（a）电路结构（）电路结构（b）典型接法）典型接法40现在学习的是第40页，共59页9.3.3 直接直接A/D转换器转换器一、并联比较型一、并联比较型A/D转换器转换器并联比较型并联比较型A/D转换器电路结构：转换器电路结构：由电压比较器、寄存器和代码转换电路组成。由电压比较器、寄存器和代码转换电路组成。输入为输入为0VREF间的模拟电压，输出为间的模拟电压，输出为3位二进制代码。位二进制代码。41现在学习的是第41页，共59页并联比较型并联比较型A/D转换器转换器42现在学习的是第42页，共59页二、反馈比较型二、反馈比较型A/D转换器转换器 取一个数字量加到取一个数字量加到D/A转换器上，得到一个对转换器上，得到一个对应的输出模拟电压，这个模拟电压和输入的模拟电应的输出模拟电压，这个模拟电压和输入的模拟电压信号相比较。两者不等，调整所取的数字量，直压信号相比较。两者不等，调整所取的数字量，直到两个模拟电压相等为止，最后所取的这个数字量到两个模拟电压相等为止，最后所取的这个数字量就是所求的转换结果。就是所求的转换结果。反馈型反馈型A/D转换器：计数型、逐次渐近型。转换器：计数型、逐次渐近型。43现在学习的是第43页，共59页计数型计数型A/D转换器转换器计数型计数型44现在学习的是第44页，共59页逐次渐近型逐次渐近型A/D转换器的电路结构框图转换器的电路结构框图逐次渐近型逐次渐近型45现在学习的是第45页，共59页 其工作原理可用天平秤重作比喻。若其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四个砝码共重有四个砝码共重15克，每个重量分别为克，每个重量分别为8、4、2、1克。设待秤重量克。设待秤重量Wx=13克，可以克，可以用下表步骤来秤量：用下表步骤来秤量：砝码重砝码重第一次第一次第二次第二次第三次第三次第四次第四次加加4克克加加2克克加加1克克8 克克砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx，故保留，故保留砝码总重仍砝码总重仍 待测重量待测重量Wx，故撤除，故撤除砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx，故保留，故保留暂时结果暂时结果8 克克12 克克12 克克13 克克 结结 论论46现在学习的是第46页，共59页3位逐次渐近型位逐次渐近型A/D转换器的电路原理图转换器的电路原理图47现在学习的是第47页，共59页9.3.4 间接间接A/D转换器转换器一、双积分型一、双积分型A/D转换器转换器间接间接A/D转换器有：转换器有：电压时间变换型（电压时间变换型（VT）电压频率变换型（电压频率变换型（VF）。）。在在VT变换型变换型A/D转换器最多的是双积分型转换器最多的是双积分型A/D转换器。转换器。48现在学习的是第48页，共59页双积分型双积分型A/D转换器的结构框图转换器的结构框图49现在学习的是第49页，共59页双积分型A/D转换器的电压波形图50现在学习的是第50页，共59页双积分型双积分型A/D转换器的控制逻辑电路转换器的控制逻辑电路51现在学习的是第51页，共59页VF 变换型变换型A/D转换器转换器二、二、VF变化型变化型A/D转换器转换器52现在学习的是第52页，共59页9.3.5 A/D转换器的转换精度与转换速度转换器的转换精度与转换速度一、一、A/D转换器的转换精度转换器的转换精度以输出二进制代码的位数表示分辨率。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。位数越多，量化误差越小，转换精度越高。它说明它说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。转换器对输入信号的分辨能力。用分辨率和转换误差来描述转换精度。用分辨率和转换误差来描述转换精度。转换误差：转换误差：通常以输出误差最大值的形式给出，表示实际输出通常以输出误差最大值的形式给出，表示实际输出的数字量和理论上应有的输出数字量之间的差别，的数字量和理论上应有的输出数字量之间的差别，一般以最低有效位的倍数给出。一般以最低有效位的倍数给出。53现在学习的是第53页，共59页二、二、A/D转换器的转换速度转换器的转换速度 完成一次完成一次A/D转换所需要的时间，即从它接到转转换所需要的时间，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。时间。54现在学习的是第54页，共59页集成电路集成电路A/D转换器转换器 ADC0804 及其应用及其应用 ADC0804 的的 分辨率为八位分辨率为八位,工作原理为工作原理为逐次逼近型。逐次逼近型。A/D变换组件有多种型号可供选择，如：变换组件有多种型号可供选择，如：高速的，高分辨率的，高速且高精度的等等。高速的，高分辨率的，高速且高精度的等等。使用者可根据任务要求进行选择。下面以使用者可根据任务要求进行选择。下面以 ADC0804 为例为例，介绍集成电路，介绍集成电路A/D变换器。变换器。55现在学习的是第55页，共59页+-+-11控控制制逻逻辑辑时时 钟钟CP电阻网络电阻网络及电子开关及电子开关数据寄存器数据寄存器移位寄存器移位寄存器八八位位三三态态输输出出锁锁存存器器U in(+)U in(-)UccUR/2AGND.D7D0WRCSINTRRDCSADC0804 内部电路框图内部电路框图CLKRCLKinDGND56现在学习的是第56页，共59页CSWRAGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUR/2DGND1234567891019181716151413121120RDCLKRCLKinINTRU in(+)U in(-)ADC 0804 管脚分布图管脚分布图CS：片选端片选端WR：写入端写入端D7-D0：数据输出端：数据输出端INTR：中断请求端：中断请求端CLKin：外接时钟端：外接时钟端Uin(+)Uin(-)：电压输入端：电压输入端UR/2：参考电压端：参考电压端RD：读出端：读出端CLKR：内部产生：内部产生 时钟端时钟端57现在学习的是第57页，共59页控控 制制 端端CS WRRDINTR 对输入模对输入模拟信号进行拟信号进行A/D变换变换 在在WR 上升沿后约上升沿后约 100微秒微秒 变换完成。变换完成。RD=0 时三态门时三态门接通外部总线接通外部总线,RD=1 时三态门处于高时三态门处于高阻态。阻态。当当A/D变换结束时，变换结束时，INTR 自动自动 变低以便通变低以便通知其它设备知其它设备(如计算如计算机机)取结果，在取结果，在RD 前前沿后沿后INTR自动变高。自动变高。读出输出读出输出数字信号数字信号中断请求中断请求功功能能说说明明0058现在学习的是第58页，共59页转换时间约转换时间约 100 微秒微秒CSWRINTRRD数据数据读出读出ADC0804 工作时序图工作时序图59现在学习的是第59页，共59页