电工电子技术与技能第3版第15章.ppt

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1、第15章数-模转换和模-数转换器学习目标 【知识目标】1 1理解数理解数-模和模模和模-数数转换转换的基本概念的基本概念2 2熟悉数熟悉数-模和模模和模-数数转换转换的工作原理的工作原理3 3熟悉数熟悉数-模和模模和模-数数转换转换的特点的特点4 4理解数理解数-模和模模和模-数数转换转换的主要技的主要技术术指指标标5 5了解典型数了解典型数-模和模模和模-数数转换转换集成集成电电路引脚和功能路引脚和功能【技能目标】1 1能根据要求合理能根据要求合理选择选择数数-模和模模和模-数数转换转换器器 2 2会搭接集成数会搭接集成数-模和模模和模-数数转换转换的典型的典型应应用用电电路路主要内容 15

2、.1数-模转换器 15.1.1 DAC的基本概念及转换特性15.1.2 DAC的工作原理15.1.3 集成数-模转换器DAC083215.2模-数转换器15.2.1 ADCD的基本概念和转换原理15.2.2 模-数转换方法15.2.3 集成模-数转换器ADC080915.1 数/模转换器（DAC）15.1.1 DAC15.1.1 DAC的基本概念及的基本概念及转换转换特性特性 1.DAC1.DAC的基本概念的基本概念 能将数字量能将数字量转换转换成模成模拟拟量的器件就是数量的器件就是数/模模转换转换器。如器。如果把数字量用字母果把数字量用字母D D来表示，模来表示，模拟拟量用字母量用字母A A

3、来表示，用字母来表示，用字母C C来表示来表示转换时转换时，数，数/模模转换转换器就可以器就可以简简称称DACDAC。构成数字代构成数字代码码的每一位都有一定的的每一位都有一定的“权权重重”，因此，因此，为为了将数字量了将数字量转换转换成模成模拟拟量，就必需每一位代量，就必需每一位代码码按其按其“权权重重”转换转换成相成相应应的模的模拟拟量，然后再将代表各位的模量，然后再将代表各位的模拟拟量相加，即量相加，即可得到与可得到与该该数字量成正比的模数字量成正比的模拟拟量，量，这这就是构成就是构成D/AD/A变换变换器器的基本思想。的基本思想。2.DAC2.DAC的基本的基本组组成和分成和分类类 D

4、AC DAC通常是由参考通常是由参考电压电压、译码电译码电路和路和电电子开关三个基本子开关三个基本部分部分组组成。成。按解按解码码网网络结络结构的不同，构的不同，DACDAC可分可分为为T T型型电电阻网阻网络络，倒，倒T T型型电电阻网阻网络络、权电权电阻网阻网络络DACDAC等。按模等。按模拟电拟电子开关子开关电电路的路的不同，不同，DACDAC又可分又可分为为CMOSCMOS开关型和双极型开关型。开关型和双极型开关型。3.DAC3.DAC的功能的功能 DAC DAC通常由数通常由数码码寄存器、模寄存器、模拟电拟电子开关子开关电电路、解路、解码电码电阻网阻网络络、求和、求和放大放大电电路及

5、基准路及基准电压电压几部分几部分组组成，如成，如图图15-115-1所示所示。图图15-1 DAC15-1 DAC电电路路组组成框成框图图4.DAC4.DAC的主要技的主要技术术指指标标分辨率：分辨率：分辨率：分辨率：指指转换转换器理器理论论上可以达到的精度。上可以达到的精度。转换误转换误差：差：差：差：DACDAC实际实际能达到的能达到的转换转换精度。精度。线线性度性度性度性度：理想的：理想的D/AD/A转换转换器，器，输输出出电压电压与与输输入数字之入数字之间间有有严严格的格的线线性关系，当性关系，当输输入数字信号作等量增加入数字信号作等量增加时时，其，其输输出的模出的模拟电压拟电压也作也

6、作等量增加。等量增加。建立建立建立建立时间时间：在在输输入入变变化后，化后，输输出出值稳值稳定到距最定到距最终输终输出量所需出量所需时间时间，称称为为建立建立时间时间，建立，建立时间时间反反应应了了DACDAC电电路路转换转换的速度。的速度。15.1.2 DAC15.1.2 DAC工作原理工作原理1.1.权电权电阻网阻网络络D/AD/A转换转换器器 4 4位位权电权电阻网阻网络络D/AD/A转换转换器器电电路路结结构如构如图图15-215-2所示。所示。V VREFREF是基准是基准电电源，源，存在于数字寄存器的数存在于数字寄存器的数码码作作为输为输入数入数字量字量D D3 3D D2 2D

7、D1 1D D0 0分分别别控制控制4 4个模个模拟电拟电子开关子开关S S3 3、S S2 2、S S1 1、S S0 0。例如，当。例如，当D D3 3=0=0时时，电电子开关子开关S S3 3投投掷掷向右向右边边，使，使电电阻阻接地；接地；D D3 3=1=1时时，电电子开关子开关S S3 3投投掷掷向左向左边边，使，使R R与与V VREFREF接接通。通。4 4个个电电阻称阻称为权电为权电阻。阻。权电权电阻的阻阻的阻值值大小与大小与该该位的位的权权值值成反比，如成反比，如D D2 2位的位的权值权值是是D D1 1的两倍，而所的两倍，而所应应的的权电权电阻阻值值却是却是D D1 1的

8、的1/21/2。2.R-2R2.R-2R倒倒T T形电阻网络形电阻网络D/AD/A转换器转换器 4位R-2R倒T形电阻网络D/A转换器电路结构如图16-3所示。VREF是基准电源，输入数字量D3D2D1D0分别控制4个模拟电子开关S3、S2、S1、S0。由图15-3可见T形电阻网络中电阻类型少，只有R和2R两种，电路构成比较方便,从而克服了权电阻阻值多且阻值差别大的缺点。由电路结构可得，D、C、B、A四点电位逐位减半。15.1.3 15.1.3 集成数集成数/模模转换转换器器DAC0832DAC0832 DAC0832 DAC0832引脚引脚图图如如图图15-415-4所示，它是一个所示，它是

9、一个8 8位的位的A/DA/D转换转换器，即器，即在在对对其其输输入入8 8位数字量后，通位数字量后，通过过外接的运算放大器，可以外接的运算放大器，可以获获得相得相应应的的模模拟电压值拟电压值。DAC0832 DAC0832的分辨率的分辨率为为8 8位，位，转换时间为转换时间为1us1us，满满量程量程误误差差为为 ，参，参考考电压为电压为+10V+10V-10V-10V，供，供电电电电源源为为+5V+5V+15V+15V，逻辑电逻辑电平平输输入与入与TTLTTL兼容。兼容。DAC0832 DAC0832内部内部结结构构图图如如图图15-515-5所示。所示。15-4 DAC0832 15-5

10、 DAC0832内部结构DAC0832DAC0832各引脚的功能定各引脚的功能定义义如下如下 D D7 7D D0 0：8 8位数据位数据输输入端。入端。I IOUT1OUT1：模：模拟电拟电流流输输出端出端1.1.当当DACDAC寄存器中数据全寄存器中数据全为为1 1时时，输输出出电电流最大；当流最大；当DACDAC寄存寄存器中数据全器中数据全为为0 0时时，输输出出电电流流为为0 0。I IOUT2OUT2:模模拟电拟电流流输输出端出端2 2。I IOUT1OUT1+I+IOUT2OUT2=常数常数 R RFBFB:反反馈电馈电阻引入端阻引入端DAC0832DAC0832内部已内部已经经有

11、反有反馈电馈电阻，所以阻，所以R RFBFB端可以直接接到外部运端可以直接接到外部运算放大器的算放大器的输输出端，出端，这样这样相当于将一个反相当于将一个反馈电馈电阻接在运算放大器的阻接在运算放大器的输输出端和出端和输输入端之入端之间间 V VREFREF:参考参考电压输电压输入端。此端可接一个正入端。此端可接一个正电压电压，也可接一个，也可接一个负电压负电压，范，范围为围为+10V+10V-10V10V VCC:VCC:芯片供芯片供电电压电电压，范，范围为围为+5V+5V+15V+15V AGND:AGND:模模拟拟地地 DGND:DGND:数字地数字地15.2模模/数转换器（数转换器（AD

12、C）15.2.1 ADC15.2.1 ADC的基本概念和的基本概念和转换转换原理原理 模模/数数转换转换器是将模器是将模拟电压拟电压（或（或电电流）流）转换为转换为数字量的数字量的电电路。模路。模/数数转换转换广泛广泛应应用于用于计计算机算机实时实时控制系控制系统统中。中。模模/数数转换转换一般要分采一般要分采样样、保持和量化、保持和量化、编码编码两步两步进进行。采行。采样过样过程是程是按一定的按一定的时间间时间间隔隔对对模模拟拟量抽取一个量抽取一个样值样值；将采；将采样值转换为样值转换为相相应应的数字的数字量需要一定的量需要一定的时间时间，为为了保了保证证在在转换转换的的过过程中，所采的程中

13、，所采的样值样值没有没有变变化，化，就必就必须须要将要将样值样值保持到下一个采保持到下一个采样样脉冲到来的脉冲到来的时时候，候，这这个个过过程就是保持程就是保持的的过过程。在程。在样值样值保持的保持的这这段段时间时间内，将取内，将取样值编样值编程离散的量程离散的量值值，就是量，就是量化化过过程；量化后的离散量程；量化后的离散量值转换值转换成数字量，就是成数字量，就是编码过编码过程。程。经过经过采采样样、保持和量化、保持和量化、编码编码后就可以将在后就可以将在时间时间上和量上和量值值上是上是连续连续的模的模拟拟信号信号变为变为在在时间时间和量和量值值上都是离散的数字信号，并将其上都是离散的数字信

14、号，并将其对应对应的数字量的数字量输输出。出。1.1.采样保持电路采样保持电路 采样保持的基本原理如图15-6所示。模拟电子开关S在采样脉冲fs 的控制下重复接通、断开的过程。当S接通时，uI(t)对CH充电，为采样过程；当S断开时，CH上的电压保持不变，为保持过程。在保持过程中，采样的模拟电压经数字化编码电路转换成一组n位的二进制数输出。采样-保持器最主要的作用是将连续的模拟信号离散化，即在采样脉冲的控制下完成对输入模拟量的定时采样。2.2.量化编码电路量化编码电路 过采样、保持而得到的取样电压值仍然是模拟量，这时就需要对其进行量化、编码。数字量的大小一定是某个最小数量单位的整数倍。将取样电

15、压化为这个最小单位的整数倍的过程称为量化。所取的最小数量单位叫做量化单位，用表示，数字信号最低有效位（LSB）的1所代表的数量大小就等于。把量化的结果用代码（二进制或其他进制等）表示出来，称为编码。这个编码值就是ADC的输出结果。3.ADC3.ADC的主要技术指标的主要技术指标 分辨率分辨率:它是指转换器能分辨最小的量化信号的能力。转换误差转换误差:它是指转换后所得结果相对应于实际值的准确程度。转换速度转换速度:转换速度可用完成一次A/D转换需要得时间来衡量，从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定得数字输出信号所经过的时间称为转换时间。15.2.2 A/D15.2.2 A/D转换转换方法方法

16、1 1并行比并行比较较型型A/DA/D转换转换器器 并行比并行比较较型型A/DA/D转换转换器器结结构框构框图图如如图图15-715-7所示。所示。转换转换器由器由2 2n n-1-1个比个比较较器、器、2 2n n-1-1位寄存器、位寄存器、优优先先编码编码器及能器及能产产生生2 2n n-1-1个个基准基准电压电压的的2 2n n个精密个精密电电阻阻组组成。成。输输入模入模拟电压拟电压u uI I与各比与各比较较器器参考参考电电平比平比较较，产产生的生的2 2n n-1-1位二位二进进制制码码，通，通过过寄存器寄存，寄存器寄存，并被并被译码译码成成n n位二位二进进制数（制数（D Dn-1

17、n-1D D0 0）,完成模完成模拟拟信号的数字信号的数字信号的信号的转换转换。2.2.逐次比逐次比较较型型A/DA/D转换转换器器 逐次比逐次比较较型型A/DA/D转换转换器如器如图图15-815-8和和计计数型数型A/DA/D转换转换器都器都属于反属于反馈馈比比较较型型A/DA/D转换转换器。逐次比器。逐次比较较型型A/DA/D转换转换器是在器是在计计数数型型A/DA/D转换转换器基器基础础上用寄存器和控制上用寄存器和控制逻辑电逻辑电路取代路取代计计数器而数器而成。逐次比成。逐次比较较型用最快的方法逼近型用最快的方法逼近输输入模入模拟拟量，而量，而计计数型数型则则用用计计数器数器递递增方式

18、逼近模增方式逼近模拟拟量。量。逐次比逐次比较较型型A/DA/D转换转换器开始器开始转换时计转换时计数器最高位数器最高位为为1 1，D/AD/A转换转换器的器的输输出出电压电压u uA A=u=uAMAXAMAX/2/2与与输输入入电压电压u uI I进进行比行比较较；若；若u uA A大于大于u uI I则则下个下个CPCP脉冲后，脉冲后，计计数器高位数器高位为为0 0，本位，本位为为1 1；若；若u uA A小于小于u uI I，则则CPCP脉冲来到后，脉冲来到后，计计数器高位保持而本位数器高位保持而本位为为1 1，也，也即第二个即第二个CPCP后后u uA A=u=uAMAXAMAX/4/

19、4，依次，依次类类推，最推，最终计终计数器各位数数器各位数值值被逐一确定。确定被逐一确定。确定n n位位计计数器各位数数器各位数值值至少需要至少需要n n个个时钟时钟周期周期（T TCPCP），一般一次），一般一次转换转换需要需要n+2n+2个个T TCPCP。15.2.3ADC080915.2.3ADC0809 ADC0809 ADC0809是是带带有有8 8位位A/DA/D转换转换器、器、8 8路多路开关以及微路多路开关以及微处处理机兼容的控制理机兼容的控制逻辑逻辑的的CMOSCMOS组组件。它是逐次逼近式件。它是逐次逼近式A/DA/D转转换换器，可以和器，可以和单单片机直接接口。片机直接

20、接口。ADC0809ADC0809由一个由一个8 8路模路模拟拟开开关、一个地址关、一个地址锁锁存与存与译码译码器、一个器、一个A/DA/D转换转换器和一个三器和一个三态输态输出出锁锁存器存器组组成。多路开关可成。多路开关可选选通通8 8个模个模拟拟通道，允通道，允许许8 8路模路模拟拟量分量分时输时输入，共用入，共用A/DA/D转换转换器器进进行行转换转换。三。三态输态输出出锁锁器用于器用于锁锁存存A/DA/D转换转换完的数字量，当完的数字量，当OEOE端端为为高高电电平平时时，才可以从三，才可以从三态输态输出出锁锁存器取走存器取走转换转换完的数据。完的数据。ADC0809ADC0809各脚

21、功能如下各脚功能如下 D7-D0 D7-D0：8 8位数字量位数字量输输出引脚。出引脚。IN0-IN7 IN0-IN7：8 8位模位模拟拟量量输输入引脚。入引脚。VCC VCC：+5V+5V工作工作电压电压。GND GND：地。：地。REF REF（+）：参考）：参考电压电压正端。正端。REF REF（-）：参考）：参考电压负电压负端。端。START START：A/DA/D转换转换启启动动信号信号输输入端。入端。ALE ALE：地址：地址锁锁存允存允许许信号信号输输入端。入端。EOC EOC：转换结转换结束信号束信号输输出引脚，开始出引脚，开始转换时为转换时为低低电电平，当平，当转换结转换结束束时时为为高高电电平。平。OE OE：输输出允出允许许控制端，用以打开三控制端，用以打开三态态数据数据输输出出锁锁存器。存器。CLK CLK：时钟时钟信号信号输输入端（一般入端（一般为为500KHz500KHz）。）。A A、B B、C C：地址：地址输输入入线线。