第14章数模和模数转换器PPT讲稿.ppt

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1、第第14章数模和模数章数模和模数转换器转换器第1页，共27页，编辑于2022年，星期日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作原掌握数模转换和模数转换电路的基本组成及其工作原掌握数模转换和模数转换电路的基本组成及其工作原掌握数模转换和模数转换电路的基本组成及其工作原理。理。理。理。第2页，共27页，编辑于2022年，星期日 数字电路、计算机只能对数字信号进行处理，其结果数字电路、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为数字量。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。这些模拟量变化的模拟量。

2、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。若要数字装置或计算机对这些信号进行处理，就必须将其转换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。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，简称数转换器，简称ADC（Analog to Digital Converter）。）。ADC转换所得到的数字信号经计算机处理，其输出仍为转换所得到的数字信号经计算机处理，其输出仍

3、为数字信号。而过程控制装置往往需要模拟信号去控制，所数字信号。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以经计算机处理后得到的数字信号第3页，共27页，编辑于2022年，星期日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）。）。ADC和和DAC应用框图如图所示。应用框图如图所示。第4页，共27页，编辑于2022年，星期日 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

4、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阻构成的权电阻网络、求和运算网络、求和运算放大器、电子模放大器、电子模拟开关拟开关S和基准电和基准电压压UR4 4个部分组成。个部分组成。个部分组成。个部分组成。第5页，共27页，编辑于2022年，星期日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

5、：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 23R R，相邻低位减，相邻低位减半，最高位半，最高位对应的电阻最对应的电阻最小，为小，为20 0R R。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控制控制控制控制第6页，共27页，编辑于2022年，星期日流向运放流向运放流向运放流向运放A A点的总电流可表示为：点的总电流可表示为：点的总电流可表示为：点的总电流可表示为：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

6、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第7页，共27页，编辑于2022年，星期日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 R/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

7、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。第8页，共27页，编辑于2022年，星期日例例例例14141 1在力示权电阻网络在力示权电阻网络在力示权电阻网络在力示权电阻网络DACDAC中，设中，设中，设中，设U UR R8V，R Rf fR R/2/2，试求，试求，试求，试求（1 1）当输入数字量）当输入数字量）当输入数字量）当输入数字量D D3 3D

8、D2 2D D1 1D00001时，输出时，输出的电压值。（的电压值。（2）当输入数字）当输入数字D D3 3D D2 2D D1 1D D0 010001000时，输出时，输出时，输出时，输出的电压值。（的电压值。（的电压值。（的电压值。（3 3）当输入数字量）当输入数字量）当输入数字量）当输入数字量D D3 3D D2 2D D1 1D D0 011111111时，输出时，输出时，输出时，输出的电压值。的电压值。的电压值。的电压值。解：解：将输入数字量的各位数值代入公式即可求得各输出将输入数字量的各位数值代入公式即可求得各输出将输入数字量的各位数值代入公式即可求得各输出将输入数字量的各位数

9、值代入公式即可求得各输出电压分别为电压分别为电压分别为电压分别为（1 1）（2 2）（3 3）第9页，共27页，编辑于2022年，星期日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、求形电阻网络由电阻网络、求形电阻网络由电阻网络、求形电阻网络由电阻网络、求和运算放大器、电子模拟开关和运算放大器、电子模拟开关和运算放大器、电子模拟开关和运算放大器、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U UR R4 4部分组成。部分组成。部分组成。部分组成。第10页，共27页，编辑于2022年，星期日2

10、.2.工作原理工作原理工作原理工作原理无论无论D D1 1还是还是还是还是D D0 0，各，各，各，各2 2R R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1还是还是0，电路结构不变，各支路电，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向地端。的虚地端还是流向地端。第11页，共27页，编辑于2022年，星期日从输入数字信号的高位从输入数字信号的高位D3 3到低位到低位

11、D0 0，流入，流入4个结点的个结点的电流分别被分流为电流分别被分流为I I3 3I I/2/2，I I2 2=I I/2/22，I I1 1=I/=I/23 3，I I0=I I/24 4。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 A点的点的点的点的电流为：电流为：电流为：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第12页，共27页，编辑于2022年，星期日经求和运算放大器将电流经求和运

12、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：R R2 2R R倒倒倒倒T T形电阻网形电阻网形电阻网形电阻网络络络络DACDAC是目前应用最多是目前应用最多是目前应用最多是目前应用最多的的的的DACDAC集成电路，按输集成电路，按输集成电路，按输集成电路，按输入的二进制数的位数可入的二进制数的位数可入的二进制数的位数可入的二进制数的位数可分为分为分为分为8 8位、位、位、位、1010位、位、位、位、1212位和位和位和位和1616位等。如位等。如位等。如位等。如DA7520DA7520，其，其，其，其引脚排列及连接电路如引脚排列及连接电

13、路如引脚排列及连接电路如引脚排列及连接电路如图所示。图所示。图所示。图所示。第13页，共27页，编辑于2022年，星期日14.1.3 DAC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.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，也是最小输入指最小输出电压与最大输出电压之比，也是最小输入指最小输出电压与最大输出电压之比，也是最小输入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数字量数字量数字量1 1与最大输入数字量与最大输入数字量与最大输入数字量与最大输入数字量2 2n n-1之比。之比。是指输出模拟电压的实际值与理想值之差，即最大静是指输

14、出模拟电压的实际值与理想值之差，即最大静是指输出模拟电压的实际值与理想值之差，即最大静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。态转换误差。态转换误差。态转换误差。它是由于参考电压它是由于参考电压它是由于参考电压它是由于参考电压U UR R偏离标准值、运算放大器的零点偏离标准值、运算放大器的零点偏离标准值、运算放大器的零点偏离标准值、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起的。漂移、模拟开关的压降及电阻值的偏差等原因所引起的。漂移、模拟开关的压降及电阻值的偏差等原因所引起的。漂移、模拟开关的压降及电阻值的偏差等原因所引起的。除此之外，应选用多位数除此之外，

15、应选用多位数除此之外，应选用多位数除此之外，应选用多位数DACDAC、选用稳定度高的参、选用稳定度高的参、选用稳定度高的参、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。考电压源和低零漂的运算放大器与之配合。考电压源和低零漂的运算放大器与之配合。考电压源和低零漂的运算放大器与之配合。第14页，共27页，编辑于2022年，星期日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ADC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、数模转换器和电压由顺序脉冲发生器、逐次逼近寄存器、数模转换器和电压由顺序脉冲发生器、逐次逼近寄存器

16、、数模转换器和电压由顺序脉冲发生器、逐次逼近寄存器、数模转换器和电压比较器比较器比较器比较器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，并将，并将D DA A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，与待转换的模拟量后，与待转换的模拟量后，与待转换的模拟量U UX X比较，如果比较结果比较，如果比较结果U UA A=U UX X，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

17、数字量为D DA A。第15页，共27页，编辑于2022年，星期日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顺序脉冲发生器由顺序脉冲发生器由5 5位环形计数器构成，输出位环形计数器构成，输出位环形计数器构成，输出位环形计数器构成，输出5 5个时间个时间个时间个时间上有一定先后顺序的上有一定先后顺序的上有一定先后顺序的上有一定先后顺序的CPCP脉冲，送给逐次逼近寄存器。脉冲，送给逐次逼近寄存器。脉冲，送给逐次逼近寄存器。脉冲，送给逐次逼近寄存器。第16页，共27页，编辑于2022年，星期日 逐次逼近寄存器由逐次逼近

18、寄存器由逐次逼近寄存器由逐次逼近寄存器由4 4个个个个D D触发器构成，在顺序脉冲触发器构成，在顺序脉冲触发器构成，在顺序脉冲触发器构成，在顺序脉冲CPCP1 1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。待转换的模提供新的二进制输入数码。待转换的模提供新的二进制输入数码。待转换的模提供新的二进制输入数码。待转换的模拟电压拟电压拟电压拟电压U UX X送到

19、电压比较器的同相输入端，比较器的反送到电压比较器的同相输入端，比较器的反相输入端为相输入端为DAC输出的模拟电压输出的模拟电压U UA A，将最终比较结果，将最终比较结果经经4个个D触发器以数字量的形式输出，比而完成触发器以数字量的形式输出，比而完成AD转转换。换。如设如设如设如设DACDAC为为为为4 4位位位位R-2RR-2R倒倒倒倒T T形，基准电压形，基准电压形，基准电压形，基准电压U UR=-10V=-10V，待转换的，待转换的，待转换的，待转换的模拟电压模拟电压模拟电压模拟电压U UX X=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

20、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CPCP1=1，经非门，经非门使使D触发器触发器F4 4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=1，QQ3、Q2、QQ1保持保持保持保持0 0态。态。态。态。第17页，共27页，编辑于2022年，星期日 这一设定数字量经这一设定数字量经这一设定数字量经这一设定数字量经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，且，且，且，且R Rf f=R R，则：，则：，则：，则：得得U

21、UA A=-5V=-5V，小于，小于，小于，小于U UX X=6.88V，说明该设定量，说明该设定量DA A=1000太太小，下次比较时，该位数小，下次比较时，该位数Q4 4=1应保留，同时应将第三位应保留，同时应将第三位Q3 3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，它供给，它供给F F4 4作为时作为时作为时作为时钟脉冲，由于钟脉冲，由于钟脉冲，由于钟脉冲，由于U UA A U UX X，比，比较器输出为低电平，较器输出为低电平，D3 3=0=0，使得，使

22、得，使得，使得QQ3 3=0=0，同时，同时，同时，同时，CPCP3 3经非门经非门经非门经非门又使又使又使又使F F2 2直接置直接置1，故，故Q4 4=1=1，QQ3=0=0，QQ2=1，Q1 1=0，这时，这时，U UA A=6.25V=6.25V，小于，小于，小于，小于U UX X=6.88V=6.88V。继之，发出继之，发出继之，发出继之，发出CPCP4，作为，作为，作为，作为F F2 2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U UA U UX X，比较，比较，比较，比较器输出又是高电平，器输出又是高电平，器输出又是高电平，器输出又是高电平，D D2=1=1

23、，故，故，故，故QQ2 2=1=1保留，同时，保留，同时，保留，同时，保留，同时，CPCP4又使又使又使又使F F1 1直接置直接置1，故，故Q4 4=1=1，QQ3=0=0，QQ2 2=1，Q1 1=1=1，这时，这时，这时，这时，U UA A=6.875V=6.875V，略小于，略小于，略小于，略小于UX X。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 1的时钟脉冲，由于的时钟脉冲，由于U UA A U UX，D D1=1=1，QQ4 4=1，Q3 3=1=1，QQ2 2=1=1，QQ1 1=1不变。误差小于数字不变。误差小于数字量的最低位，所以量的最低

24、位，所以DA A=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转换而来转换而来转换而来转换而来的数字量的数字量的数字量的数字量D DX X。第19页，共27页，编辑于2022年，星期日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，误差越分辨率，位数越多，误差越分辨率，位数越多，误差越分辨率，位数越多，误差越小，分辨率越高，转换精度也越高小，分辨率越高，转换精度也越高

25、小，分辨率越高，转换精度也越高小，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是指完成一次转换所需的时间。转换时间是指从接到是指完成一次转换所需的时间。

26、转换时间是指从接到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转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间。所经过的这段时间。所经过的这段时间。所经过的这段时间。第20页，共27页，编辑于2022年，星期日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 红灯红灯红灯红灯R R亮为禁止通行；黄灯亮为禁止通行

27、；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输入变量为输入变量为1 1表示灯亮，输表示灯亮，输表示灯亮，输表示灯亮，输入变量为入变量为入变量为入变量为0 0灯不亮。输出为灯不亮

28、。输出为灯不亮。输出为灯不亮。输出为F F，有故障时输出为有故障时输出为有故障时输出为有故障时输出为1 1，正常时输，正常时输，正常时输，正常时输出为出为出为出为0 0。第21页，共27页，编辑于2022年，星期日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，则将上式变换为第22页，共27页，编辑于2022年，星期日 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

29、电器KAKA通电，其触点闭合，通电，其触点闭合，通电，其触点闭合，通电，其触点闭合，故障指示灯故障指示灯故障指示灯故障指示灯HH亮。将光电检测元件安装在交通信号灯旁，亮。将光电检测元件安装在交通信号灯旁，亮。将光电检测元件安装在交通信号灯旁，亮。将光电检测元件安装在交通信号灯旁，光电光电光电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。亮则为低电平。亮则为低电平。第23页，共27页，编辑于2022年，星期日14.3.2 数

30、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UX X经过量程选择电路加到经过量程选择电路加到经过量程选择电路加到经过量程选择电路加到ADCADC上，将它转换为数字量，然后由译码显示电路显示出测量结上，将它转换为数字量，然后由译码显示电路显示出测量结上，将它转换为数字量，然后由译码显示电路显示出测量结上，将它转换为数字量，然后由译码显示电路显示出测量结果。果。果。果。第24页，共27页，编辑于2022年，星期日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、基准它由光电脉冲转换电路、放大器、整形电路、基准它由光电脉冲转换电路、放大器、整形电路、基准它由

31、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。时间脉冲发生器、计数器及译码器和数字显示器等组成。时间脉冲发生器、计数器及译码器和数字显示器等组成。时间脉冲发生器、计数器及译码器和数字显示器等组成。第25页，共27页，编辑于2022年，星期日 测量转速需要的基准时间由石英晶体振荡器和分频电路测量转速需要的基准时间由石英晶体振荡器和分频电路测量转速需要的基准时间由石英晶体振荡器和分频电路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。将秒脉冲和被测光电脉产生。基准时间产生标准秒脉冲。将秒脉冲和被测光电脉产生。基准时间产生标准

32、秒脉冲。将秒脉冲和被测光电脉产生。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内送到冲信号同时送到与门电路，这样就能测量出在每秒内送到冲信号同时送到与门电路，这样就能测量出在每秒内送到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数，然后计数器的脉冲数，当然就可以得出每分钟的脉冲数，然后计数器的脉冲数，当然就可以得出每分钟的脉冲数，然后计数器的脉冲数，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。再经译码器使数码显示管显示转速来。再经译码器使数码显示管显示转速来。再经译码器使数码显示管显示转速来。第26页，共27页，编辑于2022年，星期日谢谢观看！谢谢观看！第27页，共27页，编辑于2022年，星期日