数字电路6章.ppt

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1、第6章 数/模与模/数转换器传感器传感器(温度、压力、流温度、压力、流量等量等模拟量模拟量）A/D计算机计算机（数字量）（数字量）显示器显示器D/A执行部件执行部件（模拟量控制）（模拟量控制）打印机打印机6.1 6.1 概述概述能够将模拟量转换为能够将模拟量转换为数字量的器件称为模数字量的器件称为模数转换器，简称数转换器，简称A/DA/D转转换器或换器或ADCADC。能够将数字量转换为能够将数字量转换为模拟量的器件称为数模拟量的器件称为数模转换器，简称模转换器，简称D/AD/A转转换器或换器或DACDAC。ADCADC和和DACDAC是沟通模拟电路和数字电是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称

2、之为两者之间的接口路的桥梁，也可称之为两者之间的接口.ADCADC和和DACDAC的应用：的应用：采用数字系统的最大的优点是可以实现高度智能化采用数字系统的最大的优点是可以实现高度智能化,但是但是在数字系统内部只能处理数字信号在数字系统内部只能处理数字信号,而实际信号大多数是模而实际信号大多数是模拟信号，因此，必须进行数模（拟信号，因此，必须进行数模（D/A）与模数（）与模数（A/D）转换。）转换。多媒体计算机系统多媒体计算机系统音频音频视频视频ADCADC计算机计算机音箱音箱DAC耳机耳机DAC显示器显示器DAC投影仪投影仪DAC6.2 D/A转换器转换器常用的常用的D/A转换器有转换器有:

3、(1)权电阻网络权电阻网络DAC(2)倒倒T形权电阻网络形权电阻网络DAC(3)权电流型权电流型DAC(4)权电容网络权电容网络DAC(5)开关树型开关树型DAC D/AD/A转换器是将输入的转换器是将输入的二进制数字量转换成模拟量二进制数字量转换成模拟量，以电压或电流的形式输出。以电压或电流的形式输出。一、权电阻网络一、权电阻网络DACI I3 3I I2 2I I1 1I I0 0-+VREFd0d1d2d3S3S2S1S023R22R21R20RR/2uoI IF F这实际上是由运算放大器与电阻这实际上是由运算放大器与电阻组成的组成的反相加法器反相加法器数字信号数字信号d3d2d1d0控

4、制控制S3S2S1S0四个四个开关的位置。开关的位置。d=1,S打在上方接打在上方接VREFd=0,S打在下方接打在下方接地地根据根据“虚地虚地”与与“虚断虚断”的概念的概念I I0 0=VREF23Rd0I I1 1=VREF22Rd1I I2 2=VREF21Rd2I I3 3=VREF20Rd3I IF F=I=I0 0+I+I1 1+I+I2 2+I+I3 3uo=(1/2)RI IF F =(1/2)RVREF(120R123Rd0+122Rd1+121Rd2+d3)uo=VREF(1 211 24d0+1 23d1+1 22d2+d3)VREF 24=(20d0+21d1+22d2

5、+23d3)VREF 24=(D4)104位二进制数位二进制数对应的十进制数对应的十进制数VREF 24=(20d0+21d1+22d2+23d3)VREF 24=(D4)104位二进制数位二进制数对应的十进制数对应的十进制数uo设设VREF=4V则输入数字信号则输入数字信号d3d2d1d0对应的输出模拟信号对应的输出模拟信号uo4162=0.50V4161=0.25V4160=0.00V4163=0.75V4164=1.00V4165=1.25V4166=1.50V4167=1.75V0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1

6、0 0 1 1 1 1 1 1 1.41615=3.75V.VREF 2n=(Dn)10n位二进制数位二进制数对应的十进制数对应的十进制数uo同理同理权电阻网络权电阻网络DAC的缺点是各个电阻的阻值相差太大的缺点是各个电阻的阻值相差太大,精度不高。精度不高。二、倒二、倒T形权电阻网络形权电阻网络DACd=1,S打在左边接打在左边接虚地虚地d=0,S打在右边接打在右边接实地实地不论不论S在什么位置，电阻上总是有电流在什么位置，电阻上总是有电流但是，有的流到虚地，有的流到实地。但是，有的流到虚地，有的流到实地。VREF-+。RRRR2R2R2R2Ruod0 d1 d2 d3I II I0 0I I

7、1 1I I2 2I I3 3S0 S1 S2 S32RI IF FVREF2R2R2R2R2RI II I0 0I I1 1I I2 2I I3 3R R R 串并联以后的等效电阻串并联以后的等效电阻RI=VI=VREFREF/R/RI I3 3=I I21I I2 2=I I22I I1 1=I I23I I0 0=I I24将将I=VI=VREFREF/R/R 代入代入I IF F=I I21I I22I I23I I24d3+d2+d1+d0得得:d0)20d1+d2+I IF F=I I24d3+(232221d0)20d1+d2+I IF F=I I24d3+(23222124RV

8、 VREFREF因此因此u uO O-RI-RIF F-d0)20d1+d2+I IF F=I I24d3+(23222124RV VREFREFV VREFREF24(D4)10V VREFREF2n n(Dn n)10同理同理:u uO O与权电阻网络与权电阻网络DAC相同相同。VREF-+。RRRR2R2R2R2Ruod0 d1 d2 d3I II I0 0I I1 1I I2 2I I3 3S0 S1 S2 S32RI IF FI IF F=I=I3 3+I+I2 2+I+I1 1+I+I0 0三、权电流型三、权电流型DACu uO O十进制加计数器十进制加计数器10位位DAC（只用（

9、只用4位）位）u uO O10.24210（D10）1010.241024（D10）100.01(10)10+5VQ3Q2Q1Q000010010001101000101011001111000 1001 000000000.09V0.08V0.07V0.06V0.05V0.04V0.03V0.02V0.01V 采采样样（也也称称取取样样）是是将将时时间间上上连连续续变变化化的的信信号号，转转换换为为时时间间上上离离散散的的信信号号，即即将将时时间间上上连连续续变变化化的的模模拟拟量量转转换换为为一一系系列列等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。1

10、.1.采采样和保持样和保持 取样过程取样过程 采样脉冲采样脉冲 输输入入模模拟拟信信号号 采采样样输输出出信信号号 6.3 A/D转换转换A/D转换的三步骤转换的三步骤采样保持采样保持-量化量化-编码编码采样定理采样定理uitust*t采样间隔时间采样间隔时间t越小越小O O还原还原u ui i的性能的性能越好越好令令f fS S=1t t称为采样频率称为采样频率f fi i为被为被采样的信号采样的信号u ui i的频率的频率要达到一定的还原性能必须满足：要达到一定的还原性能必须满足：f fS S2f2fi i（maxmax）这就是所谓的这就是所谓的采样定理，采样定理，其中其中f fi(max

11、i(max)为为u ui i的最高频率的最高频率比如：制造比如：制造CD光盘光盘时，对声音的时，对声音的采样频率为采样频率为44.1KHZ，因为人的耳朵因为人的耳朵能够听到的声音的最高频率大约是能够听到的声音的最高频率大约是20KHZ 模模拟拟信信号号经经采采样样后后，得得到到一一系系列列样样值值脉脉冲冲。采采样样脉脉冲冲宽宽度度一一般般是是很很短短暂暂的的，在在下下一一个个采采样样脉脉冲冲到到来来之之前前，应应暂暂时时保保持持所所取取得得的的样样值值脉脉冲冲幅幅度度，以以便便进进行行转转换换。因因此此，在在取取样样电电路路之之后须加后须加保持电路保持电路。在采样脉冲在采样脉冲S(tS(t)到

12、来的时间到来的时间内，内，VTVT导通，导通，U UI I(t t)向电容向电容C C充电，假充电，假定充电时间常数远小于定充电时间常数远小于，则有：则有：U UO O(t(t)U US S(t(t)U UI I(t(t)。采样采样采样结束，采样结束，VTVT截止，而电容截止，而电容C C上电压保持充电电压上电压保持充电电压U UI I(t(t)不变，直到不变，直到下一个采样脉冲到来为止。下一个采样脉冲到来为止。保持保持 场效应管场效应管VTVT为为采样门采样门，电容，电容C C为为保持电容保持电容，运算放大器为，运算放大器为跟跟随器随器，起缓冲，起缓冲隔离隔离作用。作用。取样保持电路及输出波

13、形取样保持电路及输出波形2、量化和编码、量化和编码1，量化：将各个时间段采样到的信号的数值变成某一个，量化：将各个时间段采样到的信号的数值变成某一个 最小单位最小单位的整数倍的过程称为的整数倍的过程称为量化量化。2，编码：将量化结果（整数倍，编码：将量化结果（整数倍N N）用二进制数来表示的）用二进制数来表示的 过程称为过程称为编码编码。6.3.2直接直接A/D转换转换1,并联比较型并联比较型A/D转换器转换器分压器分压器u ui i Q Q7 7 Q Q6 6 Q Q5 5 Q Q4 4 Q Q3 3 Q Q2 2 Q Q1 1 d d2 2 d d1 1 d d0 0(01/15)VREF

14、 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0(13/15)VREF 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1(35/15)VREF 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0(57/15)VREF 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1(79/15)VREF 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0(911/15)VREF 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1(1113/15)VREF 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0(1315/15)VREF 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1分压器分压器1/153/155/157/159/1511/1513/1515/152,反馈比较型反馈比较型u ui

15、iu uO Ou uL Lu uB B脉冲源输出脉冲源输出CPu uL Lu uB B启动启动u ui iu uO O计数计数u ui iu uO O停止计数停止计数数据输出数据输出3,逐渐逼近型逐渐逼近型d d2 2d d1 1d d0 00 0 00 0 10 1 01 1 1.6.3.3间接间接A/D转换转换1、V-f变换型变换型CPu uO Ou uC CT TG G单位时间单位时间CP计数计数计数输出计数输出计数值计数值ffu ui i2,双积分型双积分型预备预备:u uL L=1,=1,计数器清计数器清0,0,开关开关S SO O闭合闭合,C,C放电放电工作步骤工作步骤:u uO1

16、mO1mu uO1mO1mu uO1O1u uO Ou uO O1mu uO1O1-+_-+u uO OCPCP启动启动:开关开关S SO O断开断开,S,S1 1打到打到u ui i,u,ui i对对C C充电充电规定充电时间为规定充电时间为T T1 1开关开关S S1 1打到打到-V-VREFREF,计数器启动计数计数器启动计数,C C反充电到反充电到u uC C=0=0时时,计数停止计数停止计数时间为计数时间为T T2 2，计数值和，计数值和ui成正比。成正比。6.4 A/D、D/A的主要技术参数的主要技术参数一、分辨率一、分辨率在在A/D或或D/A转换中所表示的最小模拟电压与最大模拟电

17、压之比，转换中所表示的最小模拟电压与最大模拟电压之比，称为分辨率称为分辨率n n位的位的A/D或或D/A的分辨率的分辨率=12n n-1-1所以，位数越多分辨率越高所以，位数越多分辨率越高二、转换误差二、转换误差指指A/D或或D/A转换过程中的误差，转换过程中的误差，用数字量的最低有效位（用数字量的最低有效位（）的倍数来表示。的倍数来表示。例如：若例如：若转换误差为转换误差为/2且最低有效位代表且最低有效位代表0.25V V，那么，那么转换误差为转换误差为 0.25/2=0.125V V三、转换速度三、转换速度完成一次完成一次A/D或或D/A转换所需要的时间（一般是微秒级）转换所需要的时间（一般是微秒级）