电子技术基础数字部分(第五版)(康华光)第9章说课讲解.ppt
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1、电子技术基础数字部分(第五版)(康华光)第9章概述概述 数字系统只能处理数字信号。自然界中的物理量,例如温度、压力、位移等都是模拟量。要采用数字系统(如计算机)对这些物理量进行控制、检测等,需要一种能在模拟信号与数字信号之间起转换作用的电路模数转换器和数模转换器。模数转换器模数转换器:把模拟信号转换成数字信号的器件,简称A/D转换器或ADC。输入为模拟量,电压vI或电流iI,输出为与模拟量成比例的n位二进制数:Dn-1Dn-2 D1D0,数模转换器数模转换器:把数字信号转换成模拟信号的器件,简称D/A转换器或DAC。输入为n位二进制数D:Dn-1Dn-2 D1D0,输出为与二进制数D成比例模拟
2、量,电压vO或电流iO。温度变送器tT 蒸汽热电偶A/D转换器数字计算机D/A转换器电动阀温度控制实例温度控制实例染色锅当D/A输出5V时,电动阀全部打开,蒸汽进量最大;当D/A输出0V时,电动阀全部关闭,蒸汽进量为0;电动阀开度与控制电压成正比。80H2.5V概述概述9.1 D/A转换器转换器9.1.1 D/A转换的基本原理转换的基本原理数数/模模(D/A)转换器:转换器:将数字量转换为与之成正比模拟量的电路。D/A 转换器的框图如图所示输入NB为n位二进制数:Dn-1Dn-2 D1D0,输出为电压vO或电流iO,vO或iO是模拟量,用A表示模拟量。D与A之间的关系称为转换特性。理想转换特性
3、A与D成正比。A=KD=比例系数K是常数。如图是一个3位D/A转换器理想转换特性曲线,K=1vO/V1.实现实现D/A转换的基本思想转换的基本思想先分析将二进制数ND(11001)B转换为十进制数。ND b424b323b222b121b020 1 24 123 022 0 21 120 数字量是用代码按数位组合而成的,对于有权码,每位代码都有一定的权值,如能将每一位代码按其权的大小转换成相应的模拟量,然后,将这些模拟量相加,即可得到与数字量成正比的模拟量,从而实现数字量模拟量的转换。这就是实现D/A转换的指导思想。9.1 D/A转换器转换器9.1.1 D/A转换的基本原理转换的基本原理1.实
4、现实现D/A转换的基本思想转换的基本思想4位D/A转换器原理电路i0i1i2i30 1 0 1i=i0+i1+i2+i3vO=Rf(i0+i1+i2+i3)vO=VREF(D3 23+D2 22+D1 21+D0 20)Rf=R虚地9.1 D/A转换器转换器9.1.1 D/A转换的基本原理转换的基本原理2.D/A转换器的组成转换器的组成 n位数字量输入数码寄存器n位模拟开关基准电压解码网络求和电路模拟量输出用存放输入数字量的各位数码由输入数字量控制产生权电流将权电流相加产生与输入成正比的模拟电压9.1 D/A转换器转换器9.1.1 D/A转换的基本原理转换的基本原理3.D/A转换器的分类转换器
5、的分类按解码网络结构分类 T型电阻网络DAC倒T形电阻网络DAC权电流DAC 权电阻网络DAC 按模拟电子开关电路分类 CMOS开关型DAC双极型开关型DAC 电流开关型DAC D/A 转换器ECL电流开关型DAC 9.1 D/A转换器转换器9.1.1 D/A转换的基本原理转换的基本原理9.1 D/A转换器转换器9.1.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器1.4位倒位倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器基准电压电阻网络模拟电子开关输入数据求和电路Di=0,Si使电阻2R接地;Di=1,Si使电阻2R接虚地,电流 Ii流入求和电路 1.4位倒位倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换
6、器转换器倒T形电阻网络RRRRII/2I/2I3I/4I/4I2I/8I/8I1I/16I/16I0倒T形流入每个2R电阻的电流从高位到低位按2的整数倍递减。I3=VREF/2RI2=VREF/4RI1=VREF/8RI0=VREF/16 R9.1 D/A转换器转换器9.1.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器流入运放的总电流:0110i=I0 D0+I1 D1+I2 D2+I3 D3I3I2I1I0输出模拟电压:输出电压vO与输入数据D成正比9.1 D/A转换器转换器9.1.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器4位倒T形电阻网络D/A转换器n位倒T形电阻网络D/A转换
7、器令:则:vO=K NB 在电路中输入的每一个二进制数NB,均能得到与之成正比的模拟电压vO输出。9.1 D/A转换器转换器9.1.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器2.集成集成D/A转换器转换器AD7533D/A转换器10位CMOS电流开关型D/A转换器 AD7533使用说明:.要外接运放。.运放的反馈电阻可使用内部电阻,也可采用外接电阻。9.1 D/A转换器转换器9.1.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器关于关于D/A转换器精度的讨论转换器精度的讨论为提高D/A转换器的精度,对电路参数的要求:(1)基准电压稳定性好;(2)倒T形电阻网络中R和2R电阻比值的精度要
8、高;(3)每个模拟开关的开关电压降要相等 为实现电流从高位到低位按2的整数倍递减,模拟开关的导通电阻也相应地按2的整数倍递增。9.1 D/A转换器转换器9.1.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器9.1.3 权电流权电流D/A转换器转换器1.4位权电流位权电流D/A转换器转换器Di=0,Si接地;Di=1,Si接虚地。0110 在恒流源电路中,各支路权电流的大小均不受开关导通电阻和压降的影响,这样降低了对开关电路的要求,提高了转换精度。9.1 D/A转换器转换器9.1.4 D/A转换器的输出方式转换器的输出方式8位DAC单极性单极性输出的输入/输出关系 数字量 模拟量1 1 1 1
9、 1 1 1 11 0 0 0 0 0 0 11 0 0 0 0 0 0 00 1 1 1 1 1 1 10 0 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 0 0 0DAC的输出方式有:单极性输出方式和双极性输出方式两种。采用单极性输出方式时,输入数字量采用自然二进制数,输出或只为正,或只为负。8位DAC单极性输出方式如表所示当 VREF=+10V时9.96V5.039V5V4.96V0.039V0V255VLSB129VLSB =2550.5VREF9.1 D/A转换器转换器 8位DAC单极性单极性输出的输入/输出关系十进制 2进制 模拟量VREF=10V25511111111 255VLS
10、B9.96V25411111110 254VLSB 9.92V12910000001 129VLSB 5.039V12810000000 128VLSB 5V12701111111 127VLSB 4.96V1 00000001 1VLSB 0.039V0 00000000 0VLSB 0V9.1.4 D/A转换器的输出方式转换器的输出方式9.1 D/A转换器转换器采用双极性输出方式时,输入数字量采用带符号的二进制补码,当输入数字量为正,输出为正;输入数字量为负,输出也为负。8位DAC双极性输出方式如表所示 8位DAC双极性双极性输出的输入/输出关系十进制 2进制补码 模拟量 VREF=10V
11、12701111111 127VLSB4.96V12601111110 126VLSB 4.92V100000001 1VLSB 0.039V 000000000 0VLSB 0V1 11111111 1VLSB 0.039V12710000001 127VLSB 4.96V 128 10000000 128VLSB 5V 9.1.4 D/A转换器的输出方式转换器的输出方式9.1 D/A转换器转换器十进制 偏移二进制码255 11111111254 11111110 129 10000001128 10000000127 01111111126 011111111 000000010 0000
12、0000采用双极性输出方式的思路:采用双极性输出方式的思路:数字提升,模拟下降数字提升,模拟下降十进制 2的补码 1270111111112601111110100000001000000000111111111211111110127 10000001128 10000000+80HVREF=10V9.96V9.92V5.039V5V4.96V4.92V0.039V 0V0.5VREF4.96V4.92V0.039V0V0.039V0.078V4.96V5V先将2的补码转换成偏移二进制码。再实现单极性8位DA转换单极性DA输出电压减去80H对应电压0.5VREF,即得到正确双极性输出电压。9
13、.1.4 D/A转换器的输出方式转换器的输出方式9.1 D/A转换器转换器十进制 2的补码 偏移二进制码12701111111 1111111112601111110 11111110 100000001 10000001000000000 10000000111111111 01111111127 10000001 00000001128 10000000 00000000采用双极性输出方式的方法:将2的补码转换成偏移二进制码。偏移二进制码=2的补码+80H,并舍弃进位。运算方法:将最高位变反。再由偏移二进制码实现单极性DAC输出。将单极性DAC输出电压减去80H对于的电压0.5VREF,得
14、到极性正确的偏移二进制码输出电压。方法:采用模拟加法器。9.1.4 D/A转换器的输出方式转换器的输出方式9.1 D/A转换器转换器双极性DAC2的补码NB转换成偏移二进制码NA减去0.5VREFNA输出与2的补码NB成正比9.1.4 D/A转换器的输出方式转换器的输出方式9.1 D/A转换器转换器9.1.5 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标1.分辨率分辨率分辨率分辨率是D/A转换器对输入微小量敏感程度的表征。定义为D/A转换器模拟输出电压能被分离的等级数。n位DAC有2n个模拟输出电压。D/A转换器的位数越多,分辨率越高,实际应用中,往往用输入数字量的位数表示D/A转换器的分辨
15、率。2、转换精度、转换精度转换精度:转换精度:转换精度是指对给定的数字量,D/A转换器实际值与理论值之间的最大偏差。产生原因:产生原因:由于D/A转换器中各元件参数值存在误差,如基准电压不够稳定或运算放大器的零漂等各种因素的影响。几种转换误差:几种转换误差:比例系数误差、失调误差和非线性误差等。9.1 D/A转换器转换器3.转换速度转换速度 当D/A转换器输入的数字量发生变化时,输出的模拟量并不能立即达到所对应的量值,它需要一定的延迟时间。通常用建立时间和转换速率两个参数来描述D/A转换器的转换速度。建立时间:建立时间:输入数字量发生变化时,输出电压达到规定误差范围所需要的时间。转换速率:转换
16、速率:指大信号工作状态下,输出模拟电压的最大变化率。4、温度系数、温度系数 指输入不变的情况下,输出模拟电压随温度变化产生的变化量。9.1.5 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标9.1 D/A转换器转换器9.1.6 集成集成D/A转换器的应用转换器的应用 在实践中,D/A转换器的应用很广,除了典型的D/A转换外,还可用于数字量对模拟量的处理。(1).数字式可编程增益控制电路数控增益放大器 数控增益放大器,又称程控增益放大器,简称 PGA。PGA就是由输入数据控制放大电路的放大倍数(增益),随时可以调整增益。考察反相比例电路 若能够控制Rf 大小,就能够控制放大倍数Auf。采用D/A
17、转换器AD7533实现的数控增益放大器就通过输入数据控制倒 T 形电阻网络,实现控制Rf的等效电阻,从而达到控制放大倍数。9.1 D/A转换器转换器(1).数字式可编程增益控制电路IOUTII虚地I0I9由虚断:得:9.1.6 集成集成D/A转换器的应用转换器的应用9.1 D/A转换器转换器0 1 2 3 4 5 6 7 8 9(2).脉冲波产生电路 每输入1个CP脉冲,计数器加1,输出的模拟电压增加1个等级。74163具同步清零功能,当计数到“9”时,与非门输出“0”到清0端,下一脉冲到来时清0,又从0开始。输出波形如图,是十个阶梯的阶梯波,增加DAC位数,则增加阶梯数量。若滤波后,输出锯齿
18、波。十进制计数器DAC9.1.6 集成集成D/A转换器的应用转换器的应用9.1 D/A转换器转换器概述概述1.A/D功能:功能:模拟电压成正比地转换成对应的数字量。输入为模拟量电压vI,输出为与vI成正比的n位二进制数。2.A/D转换器分类转换器分类 并联比较型直接A/D转换器特点:转换速度快,转换时间 10ns 1us,,但电路复杂。逐次逼近型直接A/D转换器特点:转换速度适中,转换时间为几us 100 us,转换精度高,在转换速度和硬件复杂度之间达到一个很好的平衡。双积分型间接A/D转换器特点:转换速度慢,转换时间 几百us 几ms,但抗干扰能力最强。9.2 A/D转换器转换器9.2.1
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- 电子技术 基础 数字 部分 第五 康华 章说课 讲解
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