数模和模数转换 (3)讲稿.ppt

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1、关于数模和模数关于数模和模数转换(3)第一页，讲稿共四十三页哦数数字字电电路路与与逻逻辑辑设设计计五邑大学五邑大学思思 考考 题题1为什么要为什么要进行进行A/D和和D/A转转换换2D/A转换转换的原理和的原理和主要参数主要参数3A/D转换转换的原理和的原理和主要参数主要参数第二页，讲稿共四十三页哦数数字字电电路路与与逻逻辑辑设设计计五邑大学五邑大学8.1 概述概述模拟信号是表示模拟量的信号，模拟量是在模拟信号是表示模拟量的信号，模拟量是在时间时间和和数值数值上都是上都是连续连续的的物理量。的的物理量。数字信号是表示数字量的信号，数字量是在数字信号是表示数字量的信号，数字量是在时间时间和和数值

2、数值上都是上都是离散离散的。实现数字信号的产生、传输和的。实现数字信号的产生、传输和处理的电路称为数字电路。处理的电路称为数字电路。数字信号与模拟信号可以相互转换。（数字信号与模拟信号可以相互转换。（A/D与与D/A）第三页，讲稿共四十三页哦数数字字电电路路与与逻逻辑辑设设计计五邑大学五邑大学一、用途及要求一、用途及要求传感器放大器A/D转换转换微型计算机微型计算机控制对象D/A转换转换温度时间！精度！精度！速度！速度电加热炉热电偶执行机构8.1 概述概述第四页，讲稿共四十三页哦数数字字电电路路与与逻逻辑辑设设计计五邑大学五邑大学二、分类二、分类8.2 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理按

3、解码网络按解码网络权电阻网络权电阻网络DAC R2R倒倒T形电阻网络形电阻网络DAC 权电流型网络权电流型网络DAC T型电阻网络型电阻网络DAC按按电电子子开开关类型关类型CMOS开关型开关型DAC（速度低）（速度低）电流开关型电流开关型DAC（速度高）（速度高）ECL电流开关型电流开关型DAC（速度最高）（速度最高）双极型双极型DAC（速度高）（速度高）DAC0808、DAC0807 CB7520、DAC0832 第五页，讲稿共四十三页哦数数字字电电路路与与逻逻辑辑设设计计五邑大学五邑大学 对于有权码，先将每位代码对于有权码，先将每位代码按其权的大小按其权的大小转换成相应的模拟转换成相应的

4、模拟量，然后量，然后相加相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现数字数字/模拟转换。模拟转换。8.2 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 第六页，讲稿共四十三页哦数数字字电电路路与与逻逻辑辑设设计计五邑大学五邑大学 图是图是4位权电阻网络位权电阻网络D/A转换器的原理图，它是由权电阻网络、转换器的原理图，它是由权电阻网络、4个电子模拟开关和个电子模拟开关和1个求和放大器组成。个求和放大器组成。8.2 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 8.2.1 权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器第七页，讲稿共四十三页哦数数字字电电路路与与逻逻辑

5、辑设设计计五邑大学五邑大学（1）S3S0:为电子开关，为电子开关，其状态受输入数码其状态受输入数码d3d0的的取值控制。当取值控制。当di1时开关时开关接到参考电压接到参考电压VREF上，有上，有支路电流支路电流Ii流向求和放大器；流向求和放大器；当当di0时开关接地，支路电时开关接地，支路电流流Ii为零。为零。图图8.2.28.2 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 第八页，讲稿共四十三页哦数数字字电电路路与与逻逻辑辑设设计计五邑大学五邑大学（2）求和放大器）求和放大器A：为一个接成负反馈的理为一个接成负反馈的理想运算放大器。即：想运算放大器。即：AV，iI0，Ro0。由。由于负反馈，存

6、在于负反馈，存在虚短和虚虚短和虚断，即断，即VV0，iI0。（3）VREF：基准电压：基准电压图图8.2.28.2 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 第九页，讲稿共四十三页哦数数字字电电路路与与逻逻辑辑设设计计五邑大学五邑大学2.输出电压的计算：输出电压的计算：由于由于V V0，故各电流为，故各电流为输出电压为输出电压为图图8.2.28.2 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 第十页，讲稿共四十三页哦数数字字电电路路与与逻逻辑辑设设计计五邑大学五邑大学取取RFR/2，则输出电压为，则输出电压为图图11.2.28.2 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 第十一页，讲稿共四十三页哦数

7、数字字电电路路与与逻逻辑辑设设计计五邑大学五邑大学上式标明，输出的模拟电压与输入的数字量上式标明，输出的模拟电压与输入的数字量Dn成正比。成正比。注：注：1.若若VREF取正值，则输出电压为负值。若想输出电压取正值，则输出电压为负值。若想输出电压为正值，可以将为正值，可以将VREF取负值。取负值。2.此电路的优点是电路结构简单，所用的电阻元件少。缺点是此电路的优点是电路结构简单，所用的电阻元件少。缺点是各个电阻的阻值相差较大，输入数字量的位数越多，差别就越各个电阻的阻值相差较大，输入数字量的位数越多，差别就越大，故很难保证电阻的精确度。大，故很难保证电阻的精确度。8.2 D/A转换器的基本原理

8、转换器的基本原理 第十二页，讲稿共四十三页哦数数字字电电路路与与逻逻辑辑设设计计五邑大学五邑大学解：解：输出电压值为输出电压值为图图11.2.2在下图权电阻网络在下图权电阻网络D/A转换器中，若取转换器中，若取VREF=10V，试求当输入，试求当输入数字量为数字量为d3d2d1d0=1010时输出电压的大小？时输出电压的大小？8.2 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 第十三页，讲稿共四十三页哦数数字字电电路路与与逻逻辑辑设设计计五邑大学五邑大学2 倒倒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转换器电阻阻值相差太大的缺转换器电阻阻值相差太大的缺点

9、，改进电路为倒点，改进电路为倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器，如图所示。转换器，如图所示。8.2 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 第十四页，讲稿共四十三页哦数数字字电电路路与与逻逻辑辑设设计计五邑大学五邑大学 根据根据“虚短虚短”“虚地虚地”，有，有VV，无，无论开关打在哪一面，流论开关打在哪一面，流过每个支路的电流始终过每个支路的电流始终不变。故可等效成图所不变。故可等效成图所示电路。示电路。RRRR8.2 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 第十五页，讲稿共四十三页哦数数字字电电路路与与逻逻辑辑设设计计五邑大学五邑大学则总的电流为则总的电流为RRRR图图11.2.58.2

10、D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 第十六页，讲稿共四十三页哦数数字字电电路路与与逻逻辑辑设设计计五邑大学五邑大学由于由于故输出电压为故输出电压为8.2 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 第十七页，讲稿共四十三页哦数数字字电电路路与与逻逻辑辑设设计计五邑大学五邑大学解：解：输出电压值为输出电压值为P206：8-5在下图倒在下图倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器中，若取转换器中，若取VREF=5V，R=1k试求当输入数字量为试求当输入数字量为d3d2d1d0=0101时输出电压的大小？并计算时输出电压的大小？并计算各个电流与输入数字量之间的关系。各个电流与输入数字量之间的关系。8.2

11、 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 第十八页，讲稿共四十三页哦数数字字电电路路与与逻逻辑辑设设计计五邑大学五邑大学引脚图引脚图 DAC0832是采用是采用CMOS工艺制成的单片直工艺制成的单片直流输出型流输出型8位数位数/模转换器。单电源供电，从模转换器。单电源供电，从+5+l5V均可正常工作。基准电压的范围为均可正常工作。基准电压的范围为10V，电流建立时间为，电流建立时间为ls，低功耗，低功耗20mW。8.2 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 第十九页，讲稿共四十三页哦数数字字电电路路与与逻逻辑辑设设计计五邑大学五邑大学1.转换精度转换精度 D/A转换器的主要技术指标转换器的主

12、要技术指标（1）分分辨辨率率分分辨辨率率用用于于表表示示D/A转转换换器器对对输输入入微微小小量量变变化化敏敏感感程程度度的的，定定义义为为D/A转转换换器器模模拟拟输输出出电电压压可可能能分分成成的的等等级级数数，从从0000到到1111全全部部2n个个不不同同的的状状态态，给给出出2n个个不不同同的的输输出出电电压压，位位数数越越多多，等等级级越越多多，意意味味着着分分辨辨率率越越高高。所所以以在在实实际际应应用用中中，往往用往往用输入数字量的位数输入数字量的位数表示表示D/A转换器的分辨率。转换器的分辨率。8.2 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 另外也用另外也用D/A转换器能够分

13、辨出的最小电压与最大电压之比转换器能够分辨出的最小电压与最大电压之比表示分辨率，即表示分辨率，即如如10位位D/A转换器的分辨率为转换器的分辨率为第二十页，讲稿共四十三页哦数数字字电电路路与与逻逻辑辑设设计计五邑大学五邑大学（2）转换误差）转换误差（实际精度）（实际精度）:由于由于D/A转换器的各个环节在参数及性能上和转换器的各个环节在参数及性能上和理论值存在着差异，如理论值存在着差异，如基准电压不够稳定基准电压不够稳定、运算放、运算放大器的大器的零点漂移零点漂移、模拟开关的导通内阻和导通压降、模拟开关的导通内阻和导通压降、电阻网络中电阻阻值的偏差以及三极管特性不一电阻网络中电阻阻值的偏差以及

14、三极管特性不一致等等因素，都会使得实际精度与转换误差有关致等等因素，都会使得实际精度与转换误差有关系。系。8.2 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 第二十一页，讲稿共四十三页哦数数字字电电路路与与逻逻辑辑设设计计五邑大学五邑大学 转换误差是表示由各种因素引起误差的一个综合性的指转换误差是表示由各种因素引起误差的一个综合性的指标，它表示实际的标，它表示实际的D/A转换器特性和理论转换特性之间的最大转换器特性和理论转换特性之间的最大偏差，如图偏差，如图11.2.16所示所示图图11.2.16 *转换误差一般用转换误差一般用最低有最低有效位的倍数效位的倍数表示，如表示，如1LSB，即为输出的模

15、拟电压和，即为输出的模拟电压和理论值之间的理论值之间的绝对误差小绝对误差小于等于于等于输入为输入为0001时的时的输出电压。输出电压。有时也用绝对有时也用绝对误差与输出电压满刻度的误差与输出电压满刻度的百分数来表示百分数来表示8.2 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 第二十二页，讲稿共四十三页哦数数字字电电路路与与逻逻辑辑设设计计五邑大学五邑大学D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标2.转换速度转换速度（2）转换速率（）转换速率（SR）在大信号工作状态下模拟电压的变化率。在大信号工作状态下模拟电压的变化率。（1）建建立立时时间间（tset）当当输输入入的的数数字字量量发发生生变变

16、化化时时，输输出出电电压压变变化到相应稳定电压值所需时间。化到相应稳定电压值所需时间。8.2 D/A转换器的基本原理转换器的基本原理 第二十三页，讲稿共四十三页哦数数字字电电路路与与逻逻辑辑设设计计五邑大学五邑大学一一A/D转换的一般步骤转换的一般步骤 由于由于输入的模拟信号在时间上是连续量，所以一般的输入的模拟信号在时间上是连续量，所以一般的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。8.3 A/D转换器的基本原理转换器的基本原理 第二十四页，讲稿共四十三页哦数数字字电电路路与与逻逻辑辑设设计计五邑大学五邑大学8.2.2 8.2.2 不同类型不同类型ADCA

17、DC的特点的特点 模数转换器的种类很多，按工作原理的不同，可分成间接模数转换器的种类很多，按工作原理的不同，可分成间接ADC和和直接直接ADC。1.1.间接间接ADC ADC 先将输入模拟电压转换成时间或频率，然后再把这些中间量转先将输入模拟电压转换成时间或频率，然后再把这些中间量转换成数字量，常用是双积分型换成数字量，常用是双积分型ADC。双积分型双积分型ADCADC：先对输入采样电压和基准电压进行两次积分，以获得与采先对输入采样电压和基准电压进行两次积分，以获得与采样电压平均值成正比的时间间隔，同时在这个时间间隔内，用样电压平均值成正比的时间间隔，同时在这个时间间隔内，用计数器对标准时钟脉

18、冲（计数器对标准时钟脉冲（CLK）计数，计数器输出的计数结果）计数，计数器输出的计数结果就是对应的数字量。就是对应的数字量。特点：特点：工作性能比较稳定，且抗干扰能力强，其缺点是工作工作性能比较稳定，且抗干扰能力强，其缺点是工作速度低速度低。常用的集成芯片有常用的集成芯片有CB7106CB7127 8.3 A/D转换器的基本原理转换器的基本原理 第三十页，讲稿共四十三页哦数数字字电电路路与与逻逻辑辑设设计计五邑大学五邑大学2.2.直接直接ADC ADC 直接直接ADC是将输入模拟量直接转换成数字量，常用的有并联是将输入模拟量直接转换成数字量，常用的有并联比较型比较型ADC和逐次逼近型和逐次逼近

19、型ADC。并联比较型并联比较型ADC采用各量级同时并行比较，各位输出码同时并行产生，故转换速采用各量级同时并行比较，各位输出码同时并行产生，故转换速度快，转换速度与输出码位无关。其缺点是成本高、功耗大。度快，转换速度与输出码位无关。其缺点是成本高、功耗大。n位输出的位输出的ADC，需，需要要2n个电阻、（个电阻、（2n1）个比较器和）个比较器和D触发器，以及复杂的编码网络，其元件数量随位触发器，以及复杂的编码网络，其元件数量随位数的增加，以几何级数上升。所以这种数的增加，以几何级数上升。所以这种ADC适用于要求适用于要求高速、低分辩率高速、低分辩率的场合。的场合。并联比较型并联比较型ADC A

20、DC 逐次逼近型逐次逼近型ADC ADC 逐次逼近型逐次逼近型ADC的比较电压，是逐个产生的，逐次与输入电压分别比较，的比较电压，是逐个产生的，逐次与输入电压分别比较，以逐渐逼近的方式进行模数转换的。逐次逼近型以逐渐逼近的方式进行模数转换的。逐次逼近型ADC每次转换都要逐位比较，需每次转换都要逐位比较，需要（要（n+1）个节拍脉冲才能完成，所以它比并联比较型）个节拍脉冲才能完成，所以它比并联比较型ADC 的转换速度慢，比的转换速度慢，比双分积型双分积型ADC要快得多，属于要快得多，属于中速中速ADC器件。另外位数多时，它需用的元器器件。另外位数多时，它需用的元器件比并联比较型少得多，所以它是集

21、成件比并联比较型少得多，所以它是集成ADC中，应用较广的一种。中，应用较广的一种。常用的集成芯片有常用的集成芯片有ADC0804ADC0809 8.3 A/D转换器的基本原理转换器的基本原理 第三十一页，讲稿共四十三页哦数数字字电电路路与与逻逻辑辑设设计计五邑大学五邑大学并联比较型并联比较型A/D转换器转换器图为并联比较型图为并联比较型A/D转换器的电路结构图转换器的电路结构图.1.1.组成：组成：组成：组成：并联比较型并联比较型A/D转换器是由电转换器是由电压比较器、寄存器压比较器、寄存器和代码转换电路三和代码转换电路三部分组成。部分组成。图图8.3.68.3 A/D转换器的基本原理转换器的

22、基本原理 第三十二页，讲稿共四十三页哦数数字字电电路路与与逻逻辑辑设设计计五邑大学五邑大学逐次渐近型逐次渐近型A/D转换器转换器工作原理：工作原理：逐次渐近就如称重物，逐次渐近就如称重物，如如13g的重物，有砝码的重物，有砝码8g、4g、2g、1g。比较过程如。比较过程如表所示表所示8.3 A/D转换器的基本原理转换器的基本原理 第三十三页，讲稿共四十三页哦数数字字电电路路与与逻逻辑辑设设计计五邑大学五邑大学逐次渐近型逐次渐近型A/D转换器的工作原理框图如图所示。转换器的工作原理框图如图所示。它由比较器它由比较器C、D/A转转换器、寄存器、时钟换器、寄存器、时钟脉冲源和控制逻辑等。脉冲源和控制

23、逻辑等。工作原理：工作原理：a.逐次渐近寄存器逐次渐近寄存器清零；清零；b.先设寄存器状态为最高位为先设寄存器状态为最高位为1,其他位为其他位为0（如（如4位位A/D转换转换器为器为1000），经过），经过D/A转换器后，送到比较器比较。转换器后，送到比较器比较。组成组成组成组成:8.3 A/D转换器的基本原理转换器的基本原理 第三十四页，讲稿共四十三页哦数数字字电电路路与与逻逻辑辑设设计计五邑大学五邑大学若若vo vI，则去掉这，则去掉这个个1;若若vo vI，则保，则保留这个留这个1.然后再将次然后再将次高位设置成高位设置成1,再进行再进行比较，逐位比较下比较，逐位比较下去，直到最低位为去

24、，直到最低位为止。这是寄存器所止。这是寄存器所存的数码即为输出存的数码即为输出的数字量。的数字量。特点：电路不太复杂，速度较快特点：电路不太复杂，速度较快8.3 A/D转换器的基本原理转换器的基本原理 第三十五页，讲稿共四十三页哦数数字字电电路路与与逻逻辑辑设设计计五邑大学五邑大学ADC0809ADC0809引脚及使用说明引脚及使用说明 ADC0809采样频率为采样频率为8位，以位，以CMOS集成工艺制成。单个集成工艺制成。单个5V电电源供电，模拟输入电压范围源供电，模拟输入电压范围05V，不需零点和满刻度校准，输出电，不需零点和满刻度校准，输出电压范围为压范围为05V，转换时间为，转换时间为

25、100s。功耗低，约为。功耗低，约为15mW。管脚图管脚图8.3 A/D转换器的基本原理转换器的基本原理 第三十六页，讲稿共四十三页哦数数字字电电路路与与逻逻辑辑设设计计五邑大学五邑大学ADC0809ADC0809的典型应用的典型应用8通道数据采集系统通道数据采集系统8.3 A/D转换器的基本原理转换器的基本原理 第三十七页，讲稿共四十三页哦数数字字电电路路与与逻逻辑辑设设计计五邑大学五邑大学A/D转换器的主要技术指标（1）分辨率）分辨率说明说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。转换器对输入信号的分辨能力。一一般般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。因因为为，

26、在在最最大大输入电压一定时，输出位数愈多，量化单位愈小，分辨率愈高。输入电压一定时，输出位数愈多，量化单位愈小，分辨率愈高。1.转换精度转换精度例如，相对误差例如，相对误差LSB/2，就表明实际输出的数字量和理论上应得到的，就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。（2）转转换换误误差差它它表表示示A/D转转换换器器实实际际输输出出的的数数字字量量和和理理论论上上的的输输出出数数字字量量之之间间的的差差别别。常常用用最最低低有有效效位位的的倍倍数数表表示。示。8.3 A/D转换器的基本原理转换器的基本原理 第三十八页，

27、讲稿共四十三页哦数数字字电电路路与与逻逻辑辑设设计计五邑大学五邑大学A/D转换器的主要技术指标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得到到稳稳定的数字信号所经过的时间。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转转换换器器次次之；间接之；间接A/D转换器的速度最慢。转换器的速度最慢。8.3 A/D转换器的基本原理转换器的基本原理 第三十九页，讲稿共四十三页哦数数字字电电路路与与逻逻辑辑设设计计五邑大学五邑大学解：解：其温度的分辨率为其温度的分辨率为例例11.3.1 某信号采集

28、系统要求一片某信号采集系统要求一片A/D转换器集成芯片对转换器集成芯片对热电偶的输出电压分时进行热电偶的输出电压分时进行A/D转换。已知热电偶输出电压转换。已知热电偶输出电压范围为范围为00.025V（对应（对应0450o温度范围），需要分辨的温度为温度范围），需要分辨的温度为0.1oC，试问选用多少位的，试问选用多少位的A/D转换器？转换器？12位位A/D转换器的分辨率为转换器的分辨率为故应选故应选13位位A/D转换器。转换器。8.3 A/D转换器的基本原理转换器的基本原理 第四十页，讲稿共四十三页哦数数字字电电路路与与逻逻辑辑设设计计五邑大学五邑大学8.4 8.4 模数转换和数模转换的典型应用模数转换和数模转换的典型应用-数字录音机数字录音机数字录音机的原理框图数字录音机的原理框图话筒话筒MIC带通滤波器，带通滤波器，3003400Hz信号变为单极信号变为单极性性05V采用采用0809采用采用8051采用采用08328.4 典型应用典型应用 第四十一页，讲稿共四十三页哦数数字字电电路路与与逻逻辑辑设设计计五邑大学五邑大学A/D转换电路与单片机相连转换电路与单片机相连8.4 典型应用典型应用 第四十二页，讲稿共四十三页哦数数字字电电路路与与逻逻辑辑设设计计五邑大学五邑大学感感谢谢大大家家观观看看第四十三页，讲稿共四十三页哦