数电第09章数模与模数转换器(康华光).ppt

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1、第九章第九章数模与模数转换器数模与模数转换器 重点：重点：1.了解了解D/A、A/D转换的基本概念和转换原理转换的基本概念和转换原理。2.了解了解D/A、A/D转换常用芯片的使用方法转换常用芯片的使用方法。1 模模模模 数数数数(A/D)与数与数与数与数 模模模模(D/A)转换器是计算机与外转换器是计算机与外转换器是计算机与外转换器是计算机与外部设备的重要接口部设备的重要接口部设备的重要接口部设备的重要接口,也是数字测量和数字控制系统的也是数字测量和数字控制系统的也是数字测量和数字控制系统的也是数字测量和数字控制系统的重要部件。重要部件。重要部件。重要部件。将模拟量转换为数字量的装置称为模将模

2、拟量转换为数字量的装置称为模将模拟量转换为数字量的装置称为模将模拟量转换为数字量的装置称为模 数转换数转换数转换数转换器器器器(简称简称简称简称A/DA/D转换器或转换器或转换器或转换器或ADCADC)；传感器传感器传感器传感器模拟控制模拟控制模拟控制模拟控制模模模模拟拟拟拟信信信信号号号号在计算机中进行在计算机中进行在计算机中进行在计算机中进行数字显示数字显示数字显示数字显示数字控制数字控制数字控制数字控制数数数数字字字字信信信信号号号号ADCADCDACDAC 将数字量转换为模拟量的装置称为数将数字量转换为模拟量的装置称为数将数字量转换为模拟量的装置称为数将数字量转换为模拟量的装置称为数

3、模转换器模转换器模转换器模转换器(简称简称简称简称D/AD/A转换器或转换器或转换器或转换器或DACDAC)29.1 D/A转换器转换器一一 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 D/A转换器的输入信号为数字信号，输出信号为模转换器的输入信号为数字信号，输出信号为模拟量拟量(电压或电流电压或电流)。其基本工作原理是：先将每位代码。其基本工作原理是：先将每位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后相加，即可得按其权的大小转换成相应的模拟量，然后相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量。到与数字量成正比的总模拟量。当当Dn-1D1 D0=输入大小不输入大小不同数字量时同数字量时:vo=输出大小不同

4、的电压值输出大小不同的电压值n位位二二进进制制数数D/A转换器的分类：转换器的分类：倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器、权电转换器、权电流型流型D/A转换器等。转换器等。3S0S3：开关，由输入数码开关，由输入数码Di 控制其动作。控制其动作。当当Di=1时，时，Si 接接运算反相输入端运算反相输入端(右边右边)；当当Di=0时，时，Si 将将电阻电阻2R接地接地(左边左边)。二二 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器1、电路电路(4位位)uo2R+VREFS2S3S1S02R2R2R2R+-RFD3D2D1D0RRR参考参考电压电压42、工作原理、工作原理目的：求出目的：求出uo

5、 D3 D2 D1 D0的关系。的关系。uo2R+VREFS2S3S1S02R2R2R2R+-RFD3D2D1D0RRRIIRI3I1I0I2u-u+0,i-i+0从从VREF看进去总电阻为：看进去总电阻为：u-u+i-i+I3I/2,I2I/4,I1I/8,I0I/16R总电流总电流:IVREF/R,各分支电流各分支电流:5uo2R+VREFS2S3S1S02R2R2R2R+-RFD3D2D1D0RRRIIRI3I1I0I2u-u+i-i+可见可见:I3I/2，I2I/4，I1I/8，I0I/16IRI3D3 I2D2I1 D1I0D06若若输入输入n位数字量位数字量:Dn-1、Dn-2 D

6、1、D0,则输出电压为则输出电压为:uo2R+VREFS2S3S1S02R2R2R2R+-RFD3D2D1D0RRRIIRI3I1I0I2u-u+i-i+7uo2R+VREFS2S3S1S02R2R2R2R+-RFD3D2D1D0RRRIIRI3I1I0I2u-u+i-i+当输入当输入0011时：时：0 0 1 1当输入当输入0111时：时：可见可见:输出的模输出的模拟量与输入数拟量与输入数字量成正比字量成正比8三三 权电流型权电流型D/A转换器转换器1、电路电路(4位位)uo-VREFS2S3S1S0+-RFD3D2D1D0I/2I/4I/8I/16S0S3：开关，由输入数码开关，由输入数码

7、Di 控制其动作。控制其动作。当当Di=1时，时，Si 接接运算反相输入端运算反相输入端(右边右边)；当当Di=0时，时，Si 接地接地(左边左边)。实际电路中实际电路中,一般一般:IVREF/R112uo-VREFS2S3S1S0+-RFD3D2D1D0I/2I/4I/8I/16IRu-u+i-i+2、工作原理、工作原理目的：求出目的：求出uo D3 D2 D1 D0的关系。的关系。u-u+0,i-i+013uo-VREFS2S3S1S0+-RFD3D2D1D0I/2I/4I/8I/16IRu-u+i-i+若若输入输入n位数字量位数字量:Dn-1、Dn-2 D1、D0,则输出电压为则输出电压

8、为:输出模拟量与输输出模拟量与输入数字量成正比入数字量成正比实际中实际中:IVREF/R1，则：则：14四四 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标1.分辨率分辨率对微小变化量的识别程度对微小变化量的识别程度定定义义：指指指指最最最最小小小小输输输输出出出出电电电电压压压压(数数字字量量：00000001)与与与与最最最最大大大大输输输输出电压出电压出电压出电压(数字量：全数字量：全1)之比。即：之比。即：之比。即：之比。即：分辨率分辨率分辨率分辨率1 1/(2n 1)例例例例:十位十位十位十位D/AD/AD/AD/A转换器的分辨率为：转换器的分辨率为：转换器的分辨率为：转换器的分辨率

9、为：1 1/(210 1)1 1/10230.0010.001有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。2.转换精度转换精度定义定义:比例系数误差、失调误差、非线性误差的最大值。比例系数误差、失调误差、非线性误差的最大值。169.2 A/D转换器转换器一一A/D转换器的基本原理转换器的基本原理 模模模模数数数数(A/D)A/D)转换器的作用：将时间上连续变化的转换器的作用：将时间上连续变化的转换器的作用：将时间上连续变化的转换器的作用：将时间上连续变化的模拟量转换成数字

10、量。它是模拟信号和数字仪器的接口。模拟量转换成数字量。它是模拟信号和数字仪器的接口。模拟量转换成数字量。它是模拟信号和数字仪器的接口。模拟量转换成数字量。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。根据其性能不同，类型也比较多。根据其性能不同，类型也比较多。根据其性能不同，类型也比较多。A/D转换过程为：转换过程为：取样、保持、量化和编码。取样、保持、量化和编码。其原理框图如下：其原理框图如下：181、取样取样保持电路保持电路(1)电路组成电路组成(2)工作原理工作原理由图看出：由图看出：vO=vC 当当vL=1时时:开关接通。开关接通。vO=vC=vI 当当vL=0时时:开关

11、断开。开关断开。C无放电无放电回路回路,vC保持不变。保持不变。vL=1开关通开关通vL=0开关断开关断采样采样保持保持vo+-RFvIvLRC+vC-19(3)实际电路实际电路0VvIvLRvo+-RFC工作原理与前页相同。工作原理与前页相同。vo+-RFvIvLRCvo+-RFvIvLRC202、量化和编码、量化和编码例如：将例如：将vI0VREF模拟电压模拟电压用三位用三位8421码表示码表示(1)舍尾取整法舍尾取整法最大误差最大误差|max|1LSB将将VREF均匀划分为八块均匀划分为八块,量化单位量化单位 VREF/8：量化划量化划分区域分区域输入模拟信号输入模拟信号8421码码1V

12、REF7VREF/8 6VREF/8 5VREF/8 4VREF/8 3VREF/8 2VREF/81VREF/80(0vI1/8)VREF000(1/8vI2/8)VREF001(2/8vI3/8)VREF010(3/8vI4/8)VREF011(4/8vI5/8)VREF100(5/8vI6/8)VREF101(6/8vI7/8)VREF110(7/8vI1)VREF11121(2)四舍五入法四舍五入法最大误差最大误差|max|1LSB/2当当vI 的的尾数不足尾数不足/2时时,取低位输出取低位输出;vI 的尾数大于的尾数大于或等于或等于/2时时,取高位输出。取高位输出。例如：将例如：将v

13、I0VREF模拟电压模拟电压用三位用三位8421码表示码表示将将VREF划分为划分为8块块,量化单位为量化单位为 2VREF/15:量化划分区域量化划分区域输入模拟信号输入模拟信号8421码码1VREF13VREF/15 11VREF/15 9VREF/15 7VREF/15 5VREF/15 3VREF/151VREF/150(0vI1/15)VREF000(1/15vI3/15)VREF001(3/15vI5/15)VREF010(5/15vI7/15)VREF011(7/15vI9/15)VREF100(9/15vI11/15)VREF101(11/15vI13/15)VREF110(1

14、3/15vI1)VREF11122二并行比较型二并行比较型A/D转换器转换器(三位三位)1.电路电路VREF/7.5R例例VREF=10VvI=5.2V时时:CP=01,输出为：输出为：100232、工作原理、工作原理(真值表真值表)采用四舍五入法采用四舍五入法输入模拟电压输入模拟电压寄存器状态寄存器状态数字输出数字输出D2 D1 D0Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1(01/15)VREF(1/153/15)VREF(3/155/15)VREF(5/157/15)VREF(7/159/15)VREF(9/1511/15)VREF(11/1513/15)VREF(13/151)VREF0

15、 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 1 10 0 0 0 1 1 10 0 0 1 1 1 10 0 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 10 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 124五、五、A/D转换器计算公式转换器计算公式已知输入电压已知输入电压vI、参考电压参考电压VREF,求输出二进制数求输出二进制数?计算公式计算公式:求出求出Dx,再将再将Dx四舍五入取整后变成二进制数即可。四舍五入取整后变成二进制数即可。Ux=1.3V,UREF=2V,三位模数转换器，求输出二三位模数转换器，求

16、输出二进制数为何？进制数为何？Dx(5.2)10(5)10(101)2D2D1D0101例例132七七 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标1.转换精度转换精度(1)分辨率分辨率对输入信号的分辨能力。对输入信号的分辨能力。以以输输出出二二进进制制(或或十十进进制制)数数的的位位数数表表示示。在在最最大大输输入入电压一定时电压一定时,输出位数愈多输出位数愈多,量化单位愈小量化单位愈小,分辨率愈高。分辨率愈高。模模/数转换器能分辨的最小模拟电压为：数转换器能分辨的最小模拟电压为：VREF/2n (2)转转换换误误差差说说明明实实际际输输出出数数字字量量与与理理论论输输出出数数字量之间的差

17、别。常用最低有效位的倍数表示。字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。例例如如：相相对对误误差差LSB/2，表表明明实实际际输输出出数数字字量量与与理理论输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。论输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。2.转转换换时时间间指指从从转转换换控控制制信信号号到到来来开开始始，到到输输出出端端得到稳定的数字信号所经过的时间。得到稳定的数字信号所经过的时间。并并行行比比较较A/D转转换换器器转转换换速速度度最最高高；逐逐次次比比较较型型A/D转转换器次之换器次之;(双积分型双积分型)间接间接A/D转换器的速度最慢。转换器的速度最慢。34第九章第九章数模与模数转换器数模与模数转换器结结 束束36马上要考试啦！马上要考试啦！怎么办呢怎么办呢?复习要素复习要素1、把课本、课件从头到尾看一遍，二者、把课本、课件从头到尾看一遍，二者结合着看。要做到理解，该记忆的地方结合着看。要做到理解，该记忆的地方则背一背。则背一背。2、然后把书后题目做一遍。、然后把书后题目做一遍。3、再把收集到的练习题做一遍。、再把收集到的练习题做一遍。答疑时间地点答疑时间地点时间时间:2324日上下午日上下午,25日上午日上午;(晚上看情况定晚上看情况定)地点：学院三楼教师休息室地点：学院三楼教师休息室37