第九章模拟信号与数字信号的相互转换.ppt

第九章模拟信号与数字信号的相互转换第九章模拟信号与数字信号的相互转换 第一节第一节D/A转换器转换器 第二节第二节A/D面换器面换器第一节第一节D/A转换器转换器一、一、D/A转换器电路及原理转换器电路及原理 数字量是用代码按数位组合起来表示的，对于有权的代码，每数字量是用代码按数位组合起来表示的，对于有权的代码，每位代码都有一定的权。为了将数字信号转换成模拟信号，必须将位代码都有一定的权。为了将数字信号转换成模拟信号，必须将每一位的代码按其权的大小转换成相应的模拟信号，然后将这些每一位的代码按其权的大小转换成相应的模拟信号，然后将这些模拟量相加，就可得到与相应的数字量成正比的总的模拟量，从模拟量相加，就可得到与相应的数字量成正比的总的模拟量，从而实现了从数字信号到模拟信号的转换。这就是组成而实现了从数字信号到模拟信号的转换。这就是组成D/A转换器的转换器的基本指导思想。基本指导思想。D/A转换器由数码寄存器、模拟电子开关电路、解码网络、求转换器由数码寄存器、模拟电子开关电路、解码网络、求和电路及基准电路等部分组成。数字量以串行或并行方式输入存和电路及基准电路等部分组成。数字量以串行或并行方式输入存于数码寄存器中，数字寄存器输出数码，分别控制对应位的模拟于数码寄存器中，数字寄存器输出数码，分别控制对应位的模拟电子开关，使数码为电子开关，使数码为1的位在位权网络上产生与之成正比的电流值，的位在位权网络上产生与之成正比的电流值，再由求和电路将各种权值相加，即得到数字量对应的模拟量。再由求和电路将各种权值相加，即得到数字量对应的模拟量。n位位D/A转换器的方框图如转换器的方框图如图图9-1所示。所示。下一页返回第一节第一节D/A转换器转换器二、二进制权电阻网络二、二进制权电阻网络D/A转换器转换器 1.权电阻网络权电阻网络D/A转换器电路及转换原理转换器电路及转换原理 如果一个如果一个n位二进制数用位二进制数用Dn=dn-1dn-2d1d0表示，则从最高表示，则从最高位到最低位的权依次为位到最低位的权依次为2n-1、2n-221、20。图图9-2所示是四位权电所示是四位权电阻网络阻网络D/A转换器的原理图，它由权电阻网络、模拟开关、求和放转换器的原理图，它由权电阻网络、模拟开关、求和放大器三部分组成。权电阻网络中每个电阻的阻值与对应位的权成大器三部分组成。权电阻网络中每个电阻的阻值与对应位的权成反比。反比。上一页下一页返回第一节第一节D/A转换器转换器 2.二进制权电阻网络二进制权电阻网络D/A转换器的优缺点转换器的优缺点 二进制权电阻网络二进制权电阻网络D/A转换器的优点是该电路用的电阻较少，转换器的优点是该电路用的电阻较少，电路结构简单，可适用于各种有权码，各位同时进行转换，速度电路结构简单，可适用于各种有权码，各位同时进行转换，速度较快。它的缺点是各个电阻的阻值相差很大，尤其在输入信号的较快。它的缺点是各个电阻的阻值相差很大，尤其在输入信号的位数较多时，问题就更突出了。例如当输入信号增加到八位时，位数较多时，问题就更突出了。例如当输入信号增加到八位时，如果取权电阻网络中最小的电阻为如果取权电阻网络中最小的电阻为R=10 k，那么最大的电阻将，那么最大的电阻将达到达到27R=1.28 M ，两者相差，两者相差128倍。要想在极为宽广的阻值范倍。要想在极为宽广的阻值范围内保证每个电阻阻值依次相差一半并且保证一定的精度是十分围内保证每个电阻阻值依次相差一半并且保证一定的精度是十分困难的。这对于制作集成电路极其不利。困难的。这对于制作集成电路极其不利。上一页下一页返回第一节第一节D/A转换器转换器三、三、T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器 为了克服权电阻网络为了克服权电阻网络D/A转换器中电阻阻值相差过大的缺点，转换器中电阻阻值相差过大的缺点，又研制出了如又研制出了如图图9-3所示的所示的T形电阻网络形电阻网络D/A转换器，由转换器，由R和和2R两种两种阻值的电阻组成阻值的电阻组成T形电阻网络形电阻网络(或称梯形电阻网络或称梯形电阻网络)为集成电路的设为集成电路的设计和制作带来了很大方便。网络的输出端接到运算放大器的反相计和制作带来了很大方便。网络的输出端接到运算放大器的反相输入端。输入端。图图9-3中，输入寄存器在接收指令的作用下，将输入数字信中，输入寄存器在接收指令的作用下，将输入数字信号存入寄存器电子模拟开关号存入寄存器电子模拟开关S0、S1、S2、S3分别由数码寄存器存放分别由数码寄存器存放的四位二进制数的相应位数码的四位二进制数的相应位数码d0,d 1,d2,d3控制，根据它是控制，根据它是“1”或或“0”决定电阻网络中的电阻是接参考电压决定电阻网络中的电阻是接参考电压(基准电压基准电压)U0还还是接地。是接地。上一页下一页返回第一节第一节D/A转换器转换器 R-2R T形电阻网络形电阻网络D/A转换器的优点是它只需转换器的优点是它只需R和和2R两种阻两种阻值的电阻，这对选用高精度电阻和提高转换器的精度都是有利的值的电阻，这对选用高精度电阻和提高转换器的精度都是有利的;该电路的缺点是使用的电阻数量较大。此外，在动态过程中该电路的缺点是使用的电阻数量较大。此外，在动态过程中T形电形电阻网络相当于一根传输线，从阻网络相当于一根传输线，从UREF加到各级电阻上开始到运算放加到各级电阻上开始到运算放大器的输入稳定地建立起来为止，需要一定的传输时间，因而在大器的输入稳定地建立起来为止，需要一定的传输时间，因而在位数较多时将影响位数较多时将影响D/A转换器的工作速度。而且，由于各级电压转换器的工作速度。而且，由于各级电压信号到运算放大器输入端的时间有先有后，还可能在输出端产生信号到运算放大器输入端的时间有先有后，还可能在输出端产生相当大的尖峰脉冲。如果各个开关的动作时间再有差异，那时输相当大的尖峰脉冲。如果各个开关的动作时间再有差异，那时输出端的尖峰脉冲可能会持续更长的时间。出端的尖峰脉冲可能会持续更长的时间。提高转换速度和减小尖峰脉冲的有效方法是将提高转换速度和减小尖峰脉冲的有效方法是将图图9-4所示电所示电路改成倒路改成倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换电路，如转换电路，如图图9-6所示所示上一页下一页返回第一节第一节D/A转换器转换器 由由图图9-6可见，当输入数字信号的任何一位是可见，当输入数字信号的任何一位是1时，对应的开时，对应的开关便将电阻接到运算放大器的输入端，而当它是。时，将电阻接关便将电阻接到运算放大器的输入端，而当它是。时，将电阻接地。因此，不管输入信号是地。因此，不管输入信号是1还是还是0，流过每个支路电阻的电流始，流过每个支路电阻的电流始终不变。当然，从参考电压输入端流进的总电流始终不变，它的终不变。当然，从参考电压输入端流进的总电流始终不变，它的大小为大小为 因此输出电压可表示为因此输出电压可表示为上一页下一页返回第一节第一节D/A转换器转换器四、主要技术指标四、主要技术指标 1.分辨率分辨率 分辨率是指分辨率是指D/A转换器能分辨最小输出电压变化量转换器能分辨最小输出电压变化量(从从ULSE)与最大输出电压与最大输出电压(UMAX即满量程输出电压之比。最小输出电压变化即满量程输出电压之比。最小输出电压变化量就是对应于输入数字信号最低位为量就是对应于输入数字信号最低位为1，其余各位为，其余各位为n时的输出电时的输出电压，记为压，记为ULSE ，满度输出电压就是对应于输入数字信号的各位全满度输出电压就是对应于输入数字信号的各位全是是1时的输出电压，记为时的输出电压，记为UMAX。对于一个对于一个n位的位的D/A转换器可以证明转换器可以证明上一页下一页返回第一节第一节D/A转换器转换器 2.精度精度 D/A转换器的精度是指实际输出电压与理论输出电压之间的转换器的精度是指实际输出电压与理论输出电压之间的偏离程度。通常用最大误差与满量程输出电压之比的百分数表示。偏离程度。通常用最大误差与满量程输出电压之比的百分数表示。3.转换时间转换时间 D/A转换器的转换时间是指在输入数字信号开始转换，到输出转换器的转换时间是指在输入数字信号开始转换，到输出电压电压(或电流或电流)达到稳定时所需要的时间。它是一个反映达到稳定时所需要的时间。它是一个反映D/A转换器转换器工作速度的指标。转换时间的数值越小，表示工作速度的指标。转换时间的数值越小，表示D/A转换器工作速度转换器工作速度越高。越高。上一页下一页返回第一节第一节D/A转换器转换器五、五、D/A转换器的应用转换器的应用 1.集成集成D/A转换器转换器DA7520 DA7520是十位的是十位的D/A转换集成芯片，与微处理器完全兼容。转换集成芯片，与微处理器完全兼容。该芯片以接口简单、转换控制容易、通用性好、性能价格比高等该芯片以接口简单、转换控制容易、通用性好、性能价格比高等特点得到广泛的应用。其内部采用倒特点得到广泛的应用。其内部采用倒T形电阻网络，模拟开关是形电阻网络，模拟开关是CMOS型的，集成在芯片上，但运算放大器是外接的。型的，集成在芯片上，但运算放大器是外接的。上一页下一页返回第一节第一节D/A转换器转换器 2.应用举例应用举例 图图9-8所示的电路为一个由所示的电路为一个由10位二进制加法计数器、位二进制加法计数器、DA7520转换器及集成运放组成的锯齿波发生器。转换器及集成运放组成的锯齿波发生器。10位二进制加法计数器位二进制加法计数器从全从全“0”加到全加到全+1+1，电路的模拟输出电压，电路的模拟输出电压u0由由0V增加到最大值，增加到最大值，此时若再来一个计数脉冲则计数器的值由全此时若再来一个计数脉冲则计数器的值由全“1”变为全变为全“0,输输出电压也从最大值跳变为。，输出波形又开始一个新的周期。如出电压也从最大值跳变为。，输出波形又开始一个新的周期。如果计数脉冲不断，则可在电路的输出端得到周期性的锯齿波。果计数脉冲不断，则可在电路的输出端得到周期性的锯齿波。上一页返回第二节第二节A/D转换器转换器 模拟量一数字量的转换过程分为两步完成模拟量一数字量的转换过程分为两步完成:第一步是先使用第一步是先使用传感器将生产过程中连续变化的物理量转换为模拟信号传感器将生产过程中连续变化的物理量转换为模拟信号;第二步再第二步再由由A/D转换器把模拟信号转换成为数字信号。转换器把模拟信号转换成为数字信号。一、采样与保持一、采样与保持 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。称为采样。采样脉冲的频率越高，所取得的信号越能真实地反映输入信采样脉冲的频率越高，所取得的信号越能真实地反映输入信号，合理的取科频率由取样定理确定。号，合理的取科频率由取样定理确定。取样定理取样定理:设取样脉冲设取样脉冲S(t)的频率为的频率为fs，输入模拟信号，输入模拟信号X(t)的的最高频率分量的频率为最高频率分量的频率为fmax，则，则fs与与fmax必须满足如下关系必须满足如下关系:下一页返回第二节第二节A/D转换器转换器 由于每次把采样电压转换为相应的数字信号时都需要一定的由于每次把采样电压转换为相应的数字信号时都需要一定的时间，因此在每次采样以后，需把采样电压保持一段时间。故进时间，因此在每次采样以后，需把采样电压保持一段时间。故进行行A/D转换时所用的输入电压实际上是每次采样结束时的采样电转换时所用的输入电压实际上是每次采样结束时的采样电压值。压值。根据采样定理，用数字方法传递和处理模拟信号，并不需要根据采样定理，用数字方法传递和处理模拟信号，并不需要信号在整个作用时间内的数值，只需要采样点的数值。所以，在信号在整个作用时间内的数值，只需要采样点的数值。所以，在前后两次采样之间可把采样所得的模拟信号暂时存储起来以便将前后两次采样之间可把采样所得的模拟信号暂时存储起来以便将其进行量化和编码。其进行量化和编码。上一页下一页返回第二节第二节A/D转换器转换器二、量化和编码二、量化和编码 数字信号不仅在时间上是离散的，而且在幅值上也是不连续数字信号不仅在时间上是离散的，而且在幅值上也是不连续的，任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小量值的整数倍。的，任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小量值的整数倍。为了将模拟信号转换成数字信号，在为了将模拟信号转换成数字信号，在A/D转换器中必须将采样一转换器中必须将采样一保持电路的输出电压按某种近似方式规划到与之相应的离散电平保持电路的输出电压按某种近似方式规划到与之相应的离散电平上。将采样一保持电路的输出电压规划为数字量最小单位所对应上。将采样一保持电路的输出电压规划为数字量最小单位所对应的最小量值的整数倍的过程叫做量化。这个最小量值叫做量化单的最小量值的整数倍的过程叫做量化。这个最小量值叫做量化单位。位。用二进制代码来表示各个量化电平的过程叫做编码用二进制代码来表示各个量化电平的过程叫做编码上一页下一页返回第二节第二节A/D转换器转换器三、三、A/D转换器工作原理转换器工作原理 A/D转换器的种类很多，按照转换方法的不同主要分为三种转换器的种类很多，按照转换方法的不同主要分为三种:并联比较型，其特点是转换速度快，但精度不高并联比较型，其特点是转换速度快，但精度不高;双积分型，其特双积分型，其特点是精度较高，抗干扰能力强，但转换速度慢点是精度较高，抗干扰能力强，但转换速度慢;逐次逼近型，其特逐次逼近型，其特点是转换精度高。点是转换精度高。1.并联比较型并联比较型A/D转换器转换器 并联比较型并联比较型A/D转换器是一种高速转换器是一种高速A/D转换器。转换器。图图9-9所示是所示是3位并联型位并联型A/D转换器，它由基准电压转换器，它由基准电压UREF、电阻分压器、电压比、电阻分压器、电压比较器、寄存器和编码器等五部分组成。较器、寄存器和编码器等五部分组成。上一页下一页返回第二节第二节A/D转换器转换器 并联比较型并联比较型A/D转换器的最大优点是转换速度快，它是各种转换器的最大优点是转换速度快，它是各种A/D转换器中速度最快的一种。转换器中速度最快的一种。并联比较型并联比较型A/D转换器的主要缺点是使用的比较器和触发器转换器的主要缺点是使用的比较器和触发器较多。随着分辨率的提高，所需元件数目要按几何级数增加。较多。随着分辨率的提高，所需元件数目要按几何级数增加。2.双积分型双积分型A/D转换器转换器 双积分型双积分型A/D转换器又称为双斜率转换器又称为双斜率A/D转换器。转换器。图图9-10所示所示是双积分型是双积分型A/D转换器的原理框图。它由基准电压源、积分器、转换器的原理框图。它由基准电压源、积分器、比较器、时钟脉冲输入控制门、比较器、时钟脉冲输入控制门、n位二进制计数器、定时器和逻辑位二进制计数器、定时器和逻辑控制门电路组成。控制门电路组成。双积分型双积分型A/D转换器中积分器的输入、输出与计数脉冲间的转换器中积分器的输入、输出与计数脉冲间的关系如关系如图图9-11所示。所示。上一页下一页返回第二节第二节A/D转换器转换器3.逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器转换器 最小祛码就是称量的精度，逐次逼近型最小祛码就是称量的精度，逐次逼近型A/D转换器的工作过转换器的工作过程与上述称物过程十分相似，逐次逼近型程与上述称物过程十分相似，逐次逼近型A/D转换器一般由顺序转换器一般由顺序脉冲发生器、逐次逼近寄存器、脉冲发生器、逐次逼近寄存器、A/D转换器和电压比较器等几部转换器和电压比较器等几部分组成，其原理框图如分组成，其原理框图如图图9-12所示。所示。转换开始，顺序脉冲发生器输出的顺序脉冲首先将寄存器的转换开始，顺序脉冲发生器输出的顺序脉冲首先将寄存器的最高位置最高位置“1”,经经D/A转换器转换为相应的模拟电压转换器转换为相应的模拟电压U、送入比较、送入比较器与待转换的输入电压器与待转换的输入电压U进行比较，若进行比较，若UAUi，说明数字量过大，说明数字量过大，将最高位的将最高位的“1”除去，而将次高位置除去，而将次高位置yy。若。若UA Ui，说明数字，说明数字量还不够大，将最高位的量还不够大，将最高位的“1”保留，并将次高位置保留，并将次高位置“1”，这样，这样逐次比较下去，一直到最低位为止。寄存器的逻辑状态就是对应逐次比较下去，一直到最低位为止。寄存器的逻辑状态就是对应于输入电压于输入电压Ui的输出数字量。的输出数字量。上一页下一页返回第二节第二节A/D转换器转换器四、四、A/D转换器的应用转换器的应用1.ADC0809的内部逻辑结构的内部逻辑结构 ADC0809的内部逻辑结构如的内部逻辑结构如图图9-16所示。所示。由由图图9-16可知，可知，ADC0809由一个由一个8路模拟量开关、一个地址锁路模拟量开关、一个地址锁存与译码器、一个存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通关可选通8个模拟通道，允许个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用路模拟量分时输入，共用A/D转换转换器进行转换。三态输出锁存器用于锁存器进行转换。三态输出锁存器用于锁存A/D转换完的数字量，当转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。2.ADC0809引脚结构引脚结构ADC0809引脚结构如引脚结构如图图9-17所示所示上一页下一页返回第二节第二节A/D转换器转换器3.ADC0809应用说明应用说明 (1)ADC0809内部带有输出锁存器，可以与内部带有输出锁存器，可以与AT89 S51单片机直接相连单片机直接相连 (2)初始化时，使初始化时，使ST和和OE信号全为低电平信号全为低电平 (3)送要转换的那一通道的地址到送要转换的那一通道的地址到A,B,C端口上端口上 (4)在在ST端给出一个至少有端给出一个至少有100 ns宽的正脉冲信号宽的正脉冲信号 (5)是否转换完毕，可以根据是否转换完毕，可以根据EOC信号来判断信号来判断 (6)当当EOC变为高电平时，给变为高电平时，给OE高电平，转换的数据就输出给单片高电平，转换的数据就输出给单片机了。机了。上一页下一页返回第二节第二节A/D转换器转换器五、五、A/D转换器的主要技术参数转换器的主要技术参数 1.分辨率分辨率 分辨率是指分辨率是指A/D转换器输出数字量的最低位变化一个数码时，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。通常以对应输入模拟量的变化量。通常以A/D转换器输出数字量的位数转换器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。号的分辨能力也就越高。2.转换误差转换误差 转换误差表示转换误差表示A/D转换器实际输出的数字量与理论上的输出数转换器实际输出的数字量与理论上的输出数字量之间的差别。通常以输出误差的最大值形式给出。转换误差字量之间的差别。通常以输出误差的最大值形式给出。转换误差也叫相对精度或相对误差。转换误差常用最低有效位的倍数表示。也叫相对精度或相对误差。转换误差常用最低有效位的倍数表示。上一页下一页返回第二节第二节A/D转换器转换器 3.转换速度转换速度 A/D转换器从接收到转换控制信号开始，到输出端得到稳定转换器从接收到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字量为止所需要的时间，即完成一次的数字量为止所需要的时间，即完成一次A/D转换所需的时间称为转换所需的时间称为转换速度。采用不同的转换电路，其转换速度是不同的，并联比转换速度。采用不同的转换电路，其转换速度是不同的，并联比较型比逐次逼近型要快得多。较型比逐次逼近型要快得多。上一页返回图图9-1 n位位D/A转换器方框图转换器方框图返回图图9-2权电阻网络权电阻网络D/A转换器原理图转换器原理图返回图图9-3 T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器返回图图9-4计算计算T形电阻网络的输出电压形电阻网络的输出电压返回图图9-6倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器返回图图9-6倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器返回图图9-8 DA7520组成的锯齿波发生器组成的锯齿波发生器返回图图9-9 3位并联比较型位并联比较型A/D转换器转换器返回图图9-10双积分型双积分型A/D转换器的原理框图转换器的原理框图返回图图9-11积分器输入、输出与计数脉冲的积分器输入、输出与计数脉冲的关系关系返回图图9-12逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器原理框图转换器原理框图返回图图9-16 ADC0809的内部逻辑结构图的内部逻辑结构图返回图图 9一一17 ADC0809引脚结构图引脚结构图返回