数模转换和模数转换.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,8,章,数,/,模转换和模,/,数转换,授课计划,教学内容,教学小结,一、授课计划,1,、教学目标,1,、了解,DAC、ADC,的分类及主要参数；,2,、掌握集成,D/A,转换器芯片,DAC0832,的应用。,3,、掌握集成,A/D,转换器芯片,ADC0809,的应用,2,、重点与难点,1、,重点：掌握,A/D、D/A,转换的典型应用电路,2,、难点：,D/A、A/D,转换器集成芯片的选用,3,、学时分配：共,4,学时,第1、2,学时：,A/D,转换集成芯片及其应用,第3、4,学时：,D/A,转换集成芯片及其应用,8.1,D/A,转换器,（第,1、2,学时）,随着数字电子技术的迅猛发展，特别是计算机在自动控制、自动检测、电子信息处理及许多其他领域的广泛应用，用数字电路来处理模拟信号的方式更加普遍。,称重传,感器,小信号,放大器,A/D,微处理,器,CPU,D/A,放大,驱动,料门,开关,驱动,显示,mg,U,模拟量,数字量,数字量,模拟量,图8.1 电脑包装秤的框图,一,D/A,转换器的基本原理,对于有权码，先将每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总模拟量，从而实现了数字/模拟转换。,8.1.1,权电阻网络,D/A,转换器,一个多位二进制数中每一位上的,1,所代表的数值的大小称为这一位的权。,n,位二进制数,dn,=d,n-1,d,n-2,d,1,d,0,，,从高位到最低位的权依次为,2,n-1,、,2,n-2,2,1,、,2,0,。,电阻网络,D/A,转换的原理图,中,S,3,S,2,S,1,S,0,是四个电子开关，它们是接通地还是接通参考电压,U,REF,，,分别接收输入代码,d,3,d,2,d,1,d,0,的控制。,d,i,=0,时，,S,i,接通地；,d,i,=1,时，,S,2,接通参考电压，支路上有电流,I,i,流向求和放大器,A。,求和放大器,A,的反向输入端,U-,和输出端,U,之间接有负反馈电阻,R,F,（,R/2,），,则,A,工作在线性区有,U-=U+=0,（,虚接地），在认为,A,输入电流,I,b,近似为零的条件下可以得到。,取 代入上式得,（8.2.2）,对于,n,位数权电阻,D/A,转换器，运算放大器的反馈电阻取为,R/2，,时有,U,0,=-(,d,n,-1,2,n-1,+,d,n,-2,2,n-2,+d,1,2,1,+d,0,2,0,),当,Dn,=,d,n,-1,d,n,-2,d,1,d,0,=00.0,时,有,U,0,=0,当,Dn,=,d,n,-1,d,n,-2,d,1,d,0,=11111,时,有,V,0,=-（8.2.3）,从式（8.2.3）中可以看到：,U,REF,为正电压时，输出电压,u,0,始终为负值。要想得到正的输出电压,u,0,，,可以将,U,REF,取为负值。,权电阻网络的,D/A,转换器的优点是结构比较简单，所用的电阻元件数很少。它的缺点是各个电阻的阻值相差很大。按等比数列取值，尤其在输入信号的位数较多时，这个问题就更加突出。如当输入信号达到8位时，取权电阻网络最小的电阻,R=5K，,则最大电阻为2,7,R=0.64M，,两者相差128倍。要想在极为宽的范围内，每个阻值都有很高的精度是十分困难的，尤其制作集成电路十分不利。因此在集成,DAC,中很少单独使用此电路。,8.1.2 倒,T,形电阻网络,D/A,转换器（,4,位）,所以，无论,S,i,处于何种位置，与,S,i,相连的2,R,电阻均接“地”（地或虚地）。,图中,S,0,S,3,为模拟开关，由输入数码,D,i,控制，,当,D,i,=1,时，,S,i,接运算放大器反相输入端（虚地），电流,I,i,流入求和电路；,当,D,i,=0,时，,S,i,将电阻2,R,接地。,可算出，基准电流,I,=,U,REF,/,R,，,输出电压：,则流过各开关支路（从右到左）的电流分别为,I,/2、,I,/4、,I,/8、,I,/16。,于是得总电流：,将输入数字量扩展到,n,位，则有：,可简写为：,U,O,=,KN,B,其中,N,B,=,，,权电流型,D/A,转换器,为进一步提高,D/A,转换器的转换精度，可采用权电流型,D/A,转换器。,基准电流：,由倒,T,形电阻网络分析可知，,I,E3,=,I,/2,，,I,E2,=,I,/4,，,I,E1,=,I,/8,，,I,E0,=,I,/16,，,于是可得输出电压为,可推得,n,位倒,T,形权电流,D/A,转换器的输出电压：,8.1.3 8位,DAC,集成芯片及其作用,DAC0832,是8,位权电流型,D/A,转换器，其中,D,0,D,7,是数字量输入端。,用,这类器件构成的,D/A,转换器时，需要外接运算放大器和产生基准电流用的电阻,R,1,。,当,U,REF,=10V、,R,1,=5k,、,R,f,=5k,时，,输出电压为：,数 字 输 出,模 拟 输 出,0 0 0 0 0 0 0 0,0 0 0 0 0 0 0 1,0 1 1 1 1 1 1 1,1 0 0 0 0 0 0 0,1 0 0 0 0 0 0 1,1 1 1 1 1 1 1 1,0,V,0.039V,4.96V,5V,5.039V,9.96V,DAC0832D/A,转换器输出与输入的关系（设,V,REF,=10V）,1.,转换精度,D/A,转换器的主要技术指标,此外，也可用,D/A,转换器的最小输出电压与最大输出电压之比来表示分辨率，,N,位,D/A,转换器的分辨率可表示为 1/,2.转换速度,3.温度系数,在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高1,，输出电压变化的百分数作为温度系数。,（2）,转换速率（,SR）,在大信号工作状态下模拟电压的变化率。,（1）分辨率,D/A,转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。,输入数字量位数越多，分辨率越高。所以，在实际应用中，常用字量的位数表示,D/A,转换器的分辨率。,（1）建立时间（,t,set,）,当输入的数字量发生变化时，输出电压变化到相应稳定电压值所需时间。最短可达0.1,S。,8.2,A/D,转换器,（第,3、4,学时）,8.2.1,ADC,的基本原理,由于,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：,取样、保持、量化和编码。,取样定理：,因为每次把取样电压转换为相应的数字量都需要一定的时间，所以在每次取样以后，必须把取样电压保持一段时间。可见，进行,A/D,转换时所用的输入电压，实际上是每次取样结束时的,v,I,值。,式中,f,S,为取样频率，,f,imax,为输入信号,v,I,的最高频率。,取样,保持电路,电路组成及工作原理（取,R,i,=,R,f,）:,当控制信号,v,L,为高电平时，,T,导通，,v,I,经电阻,R,i,和,T,向电容,C,h,充电。,则充电结束后,v,O,=,v,I,=,v,C,。,N,沟道,MOS,管,T,作为开关用。,当控制信号返回低电平后，,T,截止。,C,h,无放电回路，所以,v,O,的数值.可被保存下来。,8.2.2直接,A/D,转换器,1.并行比较型,A/D,转换器（3位）,并行比较型,A/D,转换器真值表,转换原理：,2,逐次比较型,A/D,转换器,输出数字信号,逻辑电路,8.2.3间接,A/D,转换器,1双积分型,A/D,转换器,它由积分器、过零比较器（,C）、,时钟脉冲控制门（,G）,和定时器、计数器（,FF,0,FF,n,）,等几部分组成。,（2）,第一次积分阶段,工作原理：,（,1,）准备阶段,计数器清零，,积分电容放电，,v,O,=0V。,t,=0,时，开关,S,1,与,A,端,接通，输入电压,v,I,加到,积分器的输入端。积分,器从0开始积分：,由于,v,O,0V，,比较器输出,v,C,=0，,控制门,G,被,闭，计数停止。,在此阶段结束时,v,O,的表达式可写为：,设,T,2,=,t,2,t,1,，,于是有：,设在此期间计数器所累计的时钟脉冲个数为,，,则：,可见，,T,2,与,V,I,成正比，,T,2,就是双积分,A/D,转换过程的中间变量。,上式表明，计数器中所计得的数,（,=,Q,n,-1,Q,1,Q,0,），,与在取,样时间,T,1,内输入电压的平均值,V,I,成正比。只要,V,I,V,REF,，,转换器就,能将输入电压转换为数字量。,T,2,=,T,C,2、,V-F,变换型的,A/D,转换器,V-F,变换型,A/D,转换器的电路结构框图，它由压控振荡器（,VCO），,寄存器、计数器及其时钟信号,CP,的控制闸门,G,组成。,VC0,输出脉冲的频率,f,OVT,随输入模拟电压,Vi,的变化而改变，且在一定的变化范围内,f,OUT,与,Vi,之间保持较好的线性关系。,VC0,的输出信号是一种调频信号，而这种调频信号不仅易于传输和检出，还有很强的抗干扰能力，所以,V-F,变换型,A/D,转换器非常适合应用在遥测、遥控系统中。,闸门,G,由信号,VG,控制。当,U,G,为高电平时，,VC0,的输出脉冲通过闸门,G,给计数器计数。由于,VG,是固定宽度的脉冲信号，所以在,TG,时间里通过闸门的脉冲,N,与,f,OVT,成正比，因此也就与,Vi,成正比。因此，每个,U,G,周期结束时计数器里数字就是所需要的转换结果。,输出端的寄存器是为了避免输出端的数字跳动。每当转换结束时用,U,G,的下降沿将计数器的状态置于寄存器中。,V-F,变换精度取决于线性度和稳定度。,8.2.4集成芯片,ADC0809,及其应用,在单片集成,A/D,转换器中，逐次比较型使用较多，下面以,ADC0808/0809,为例介绍,A/D,集成芯片及其应用。,1、,ADC0808/0809,引脚及使用说明,ADC0808/0809,是,CMOS,集成工艺制成的逐次比较型,A/D,转换芯片。分辨率10位，转换时间100,S，,输入模拟电压范围0至6.5,V，,片内含8通道多路开关，锁存逻辑控制调制器，具有三态输出锁存缓冲器，能与微机兼容，输出电平与,TTL、CMOS,兼容。单电源+5,V6.5V,工作。引脚排列见图8.20所示，各引脚功能为：,1）,IN0,IN7（,第15 脚，第26 28脚）：8路模拟量输入脚，可以从8个脚输入,OV,至+5,V,待转换模拟电,。,2）,CLOCK（,第10脚）：时钟,CP,输入端，,ADC0808/0809,只有在,CP,信号同步下,才能进行,A/D,转换。时钟频率的上限是640,KHZ。,3）ALE（,第22脚）：地址锁存允许端。,ALE=1,时地址锁存和译码部分把上面所述的,CBA,的值输入和译码并接通,IN0 IN7,之一。,当,ALE=0,时，把,CBA,的值锁存起来。,4）,START（,第6脚）：启动脉冲输入端，启动脉冲的上升沿清除逐次逼近寄存器,SAR，,下跳沿启动,ADC,开始转换。,5）,VDD(,第11脚)：电源输入端：+5,V +6.5V。,6）GND（,第13脚）：地,7）,V,REF,（+）,（,第12脚）,V,REF,-,（,第16脚）：分别为基准电压的高电平和低电平端。,8）,EOC（,第7脚）：转换结束信号端。,EOC=0，,表示转换正在进行，输出数据不可信。,EOC=1,表示转换已完成，输出数据可信。,9）,BOB7（,第8、14、15、1721脚）：转换所得八位输出数据，,B7,是最高位，,BO,是最低位。,10）,OE（,第9脚）：允许输出端。,OE,端控制输出锁存器的三态门。当,OE=1,时，转换所得的数据送到,B0B7,端，当,OE=0,时，,B0B7,脚对外呈高阻状态。,11）,ADDA、ADDB、ADDC（,第2523脚）：通道地址输入端。例如当,CBA=001,时，模拟量,IN,1,输至,ADC0808/0809，CBA=010,时,IN,2,输入,ADC0809,依次类推。,图8.20,ADC0808/0809,引脚端排列图,图8.21,ADC0808/0809,的功能框图,表8.4,ADC0808/0809,真值表,2、,ADC0808/0809,真值表和功能框图,（表8.4和图8.21）,ALE,C B A,接通信号,1,0 0 0,IN0,1,0 0 1,IN1,1,0 1 0,IN2,1,0 1 1,IN3,1,1 0 0,IN4,1,1 0 1,IN5,1,1 1 0,IN6,1,1 1 1,IN7,0,X X X,均不通,3、典型应用线路图（见图8.22）,图8.22,ADC 0808/0809,典型应用接线图,A/D,转换器的主要技术指标,（1）分辨率说明,A/D,转换器对输入信号的分辨能力。,一般以输出二进制（或十进制）数的位数表示。因为，在最大输入电压一定时，输出位数愈多，量化单位愈小，分辨率愈高。,1.转换精度,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输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。,（2）,转换误差它表示,A/D,转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。,2.转换时间指从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。,并行比较,A/D,转换器转换速度最高；逐次比较型,A/D,转换器次之；间接,A/D,转换器的速度最慢。,本章小结,1、,DAC,和,ADC,模拟信号与数字设备、数字系统之间不可缺少的接口部件,DAC,的原理是利用线性电阻网络来分配数字量各位的权，使输出电流与数字量成正比，然后利用运算放大器转换成模拟的电压输出。在,DAC,中，本章介绍了运用很广泛的倒,T,型电阻网络的,DAC,的工作原理。,2、,A/D,转换的过程是采样,/,保持,/,量化,/,编码的过程；构成,ADC,的基本思想是将输入的模拟电压与基准电压相比较（直接或间接比较），转换成数字量输出。在,ADC,中，介绍了逐次逼近型、双积分两种,ADC。,3、,使用,DAC,和,ADC,时最关心的是转换精度和转换时间。转换精度受芯片外部影响的因素主要有：电源电压和参考电压的稳定度、运算放大器的稳定性、环境温度等，受芯片本身影响因素有：分辨率、量化误差、相对误差、线性误差等。,4,、为了能对单片集成芯片,ADC,和,DAC,有感性认识，分别解剖了,DAC0832,型、,ADC0808/0809,型集成芯片。对于单片集成芯片，只要求掌握其外部特性，引脚功能，使用方法等即可。,课后作业,T,8.2、,常用的,DAC,有哪几种，其特点分别是什么？,T,8.3、,什么是,A/D,转换？常见的,ADC,有哪几种？其特点分别是什么？,T,8.5、,有一个八位倒,T,型电阻网络,DAC,中，已知,U,REF,=10V，,试求如下输入数,字时的输出电压值。,（,1,）各位全为,1,；（,2,）仅最高位为,1,；,（,3）10011000,；（,4）0111101,T,8.7、,某,8位,ADC,电路满值输入电压变,12,V，,当输入电压值分别为,63.9,mv，,6.93V、11.7V,时，输出数字量是多少？,T,8.8、,一个位逐次逼近型,ADC，,满值输入电压为,10,V，,时钟频率约,2.5,MHZ，,试求,（,1,）转换时间是多少？,（,2）,Vi=8.5v，,输出数字量是多少？,（,3）,Vi=2.4v,输出数字量是多少？,