微机原理第5版周荷琴.pptx

第第第第1010章章章章 A/DA/D和和和和D/AD/A中国科学技术大学中国科学技术大学10.1 10.1 概述概述概述概述本章主要内容本章主要内容:10.1 概述概述 10.2 D/A转换器器 10.3 A/D转换器器第第第第1010章章章章 A/DA/D和和和和D/AD/A中国科学技术大学中国科学技术大学10.1 10.1 概述概述概述概述10.1 概概 述述10.1.1 一个一个实时控制系控制系统10.1.2 采采样、量化和、量化和编码10.1.3 采采样保持器保持器第第第第1010章章章章 A/DA/D和和和和D/AD/A中国科学技术大学中国科学技术大学10.1 10.1 概述概述概述概述u计计计计算算算算机机机机构构构构成成成成数数数数据据据据采采采采集集集集或或或或过过过过程程程程控控控控制制制制系系系系统统统统时时时时，要要要要采采采采集集集集的的的的外外外外部部部部信信信信号号号号或或或或被被被被控控控控制制制制对对对对象象象象的的的的参参参参数数数数，往往往往往往往往是是是是温温温温度度度度、压力、流量、声音和位移等连续变化的模拟量。压力、流量、声音和位移等连续变化的模拟量。压力、流量、声音和位移等连续变化的模拟量。压力、流量、声音和位移等连续变化的模拟量。u模模模模拟拟拟拟量量量量必必必必须须须须由由由由A/D A/D 转转转转换换换换器器器器 （Analog Analog to to Digital Digital ConverterConverter，ADCADC）变变变变成成成成数数数数字字字字量量量量后后后后，才才才才能能能能送送送送入入入入计计计计算机进行处理。算机进行处理。算机进行处理。算机进行处理。u计计计计算算算算机机机机处处处处理理理理后后后后的的的的结结结结果果果果，要要要要经经经经过过过过D/A D/A 转转转转换换换换器器器器 （Digi-Digi-tal tal to to Analog Analog ConverterConverter，DACDAC），转转转转换换换换成成成成模模模模拟拟拟拟量量量量后后后后，才才才才能能能能显显显显示示示示、描描描描记记记记或或或或驱驱驱驱动动动动执执执执行行行行部部部部件件件件，达达达达到到到到控控控控制的目的。制的目的。制的目的。制的目的。第第第第1010章章章章 A/DA/D和和和和D/AD/A中国科学技术大学中国科学技术大学10.1 10.1 概述概述概述概述10.1.1 一个一个实时控制系控制系统一个包含一个包含A/DA/D和和D/AD/A的实时闭环控制系统的实时闭环控制系统若只有若只有若只有若只有A/A/D D转换转换通道，便是一个多路数据采集系通道，便是一个多路数据采集系通道，便是一个多路数据采集系通道，便是一个多路数据采集系统统若只包含若只包含若只包含若只包含D/AD/A转换转换通路，就是一个程序控制系通路，就是一个程序控制系通路，就是一个程序控制系通路，就是一个程序控制系统统第第第第1010章章章章 A/DA/D和和和和D/AD/A中国科学技术大学中国科学技术大学10.1 10.1 概述概述概述概述模拟量输入通路模拟量输入通路uu传传传传感感感感器器器器：将将将将压压力力力力、流流流流量量量量、速速速速度度度度等等等等非非非非电电模模模模拟拟信信信信号号号号，转转换换成成成成电电流或流或流或流或电压电压信号。信号。信号。信号。uu放放放放大大大大器器器器：用用用用高高高高输输入入入入阻阻阻阻抗抗抗抗运运运运放放放放将将将将VV或或或或mVmV量量量量级级的的的的模模模模拟拟信信信信号放大到一定幅度（几号放大到一定幅度（几号放大到一定幅度（几号放大到一定幅度（几V V）。）。）。）。uu滤滤滤滤波波波波器器器器：选选取取取取信信信信号号号号中中中中一一一一定定定定频频率率率率范范范范围围内内内内的的的的成成成成分分分分，去去去去掉掉掉掉各各各各种干种干种干种干扰扰和噪声。和噪声。和噪声。和噪声。uu多多多多路路路路模模模模拟拟拟拟开开开开关关关关：切切切切换换多多多多路路路路输输入入入入信信信信号号号号，使使使使共共共共用用用用一一一一个个个个ADADC C，降降降降低低低低成成成成本本本本，减减减减小小小小体体体体积积和和和和功功功功耗耗耗耗。也也也也可可可可选选用用用用内内内内部部部部有有有有多路开关的多路开关的多路开关的多路开关的ADCADC，如，如，如，如ADC0809ADC0809。uu采采采采样样样样保保保保持持持持器器器器：信信信信号号号号较较缓缓慢慢慢慢，可可可可直直直直接接接接加加加加到到到到ADADC C；如如如如变变化化化化较较快，快，快，快，还还要用采要用采要用采要用采样样保持器来提高保持器来提高保持器来提高保持器来提高A/DA/D的正确性。的正确性。的正确性。的正确性。第第第第1010章章章章 A/DA/D和和和和D/AD/A中国科学技术大学中国科学技术大学10.1 10.1 概述概述概述概述101 概概 述述10.1.1 一个一个实时控制系控制系统10.1.2 采采样、量化和、量化和编码10.1.3 采采样保持器保持器第第第第1010章章章章 A/DA/D和和和和D/AD/A中国科学技术大学中国科学技术大学10.1 10.1 概述概述概述概述10.1.2 采采样、量化和、量化和编码u模模模模拟拟拟拟信信信信号号号号经经经经预预预预处处处处理理理理后后后后从从从从多多多多路路路路开开开开关关关关输输输输出出出出时时时时，幅幅幅幅度度度度已已已已达达达达到到到到几几几几伏伏伏伏量量量量级级级级，还还还还必必必必须须须须经经经经过过过过采采采采样样样样、量量量量化化化化和和和和编编编编码码码码过过过过程才能成为数字量。程才能成为数字量。程才能成为数字量。程才能成为数字量。1.采样和量化u采采采采样样样样：按按按按相相相相等等等等的的的的时时时时间间间间间间间间隔隔隔隔t t，从从从从电电电电压压压压信信信信号号号号上上上上截截截截取取取取一一一一个个离散的电压瞬时值。个个离散的电压瞬时值。个个离散的电压瞬时值。个个离散的电压瞬时值。u量量量量化化化化：采采采采集集集集下下下下来来来来的的的的电电电电压压压压瞬瞬瞬瞬时时时时值值值值的的的的数数数数字字字字表表表表示示示示。量量量量化化化化只能达到一定精度。只能达到一定精度。只能达到一定精度。只能达到一定精度。第第第第1010章章章章 A/DA/D和和和和D/AD/A中国科学技术大学中国科学技术大学10.1 10.1 概述概述概述概述模模拟信号的量化信号的量化过程程信信号号电电压压被被分分成成7 7层，每层含层，每层含1V;1V;每个采样落在唯每个采样落在唯一的分层；一的分层；根根据据分分层层决决定定它它的量化数值的量化数值;量量化化单单位位q q：每每个个分分层层包包含含的的电电压压范围范围;q q越越小小,采采样样精精度度越高。越高。第第第第1010章章章章 A/DA/D和和和和D/AD/A中国科学技术大学中国科学技术大学10.1 10.1 概述概述概述概述u数数数数字字字字量量量量编编编编码码码码：数数数数字字字字量量量量可可可可用用用用若若若若干干干干种种种种代代代代码码码码来来来来编编编编码码码码。图图图图中中中中为为为为3 3位位位位二二二二进进进进制制制制编编编编码码码码，即即即即用用用用000111000111表表表表示示示示数数数数字字字字量量量量0707。u采采采采样样样样率率率率f fS S：采采采采样样样样间间间间隔隔隔隔t t的的的的倒倒倒倒数数数数，t t越越越越小小小小，f fS S越越越越高高高高，即即即即每每每每秒秒秒秒采采采采集集集集的的的的点点点点数数数数越越越越多多多多，数数数数字字字字信信信信号号号号越越越越接接接接近近近近于于于于原原原原信号。信号。信号。信号。u分分分分层层层层数数数数：必必必必须须须须是是是是2 2n n，如如如如2 23 3=8=8，即即即即n=3n=3，n n也也也也是是是是数数数数字量的位数。字量的位数。字量的位数。字量的位数。u分分分分辨辨辨辨率率率率n n：A/DA/D转转转转换换换换器器器器能能能能分分分分辨辨辨辨最最最最小小小小量量量量化化化化信信信信号号号号的的的的能能能能力力力力，用用用用位位位位数数数数n n表表表表示示示示。实实实实际际际际A ADCDC中中中中，n n常常常常取取取取8 8，1010，1212，1616等。等。等。等。第第第第1010章章章章 A/DA/D和和和和D/AD/A中国科学技术大学中国科学技术大学10.1 10.1 概述概述概述概述u最最最最大大大大输输输输入入入入电电电电压压压压范范范范围围围围：A ADCDC允允允允许许许许的的的的输输输输入入入入电电电电压压压压量量量量程，例如程，例如程，例如程，例如0 0 5V5V，-5V-5V +5V+5V，10V10V等。等。等。等。u参参参参考考考考电电电电压压压压V VR R：转转转转换换换换过过过过程程程程采采采采用用用用的的的的电电电电压压压压标标标标准准准准，同同同同时时时时用用用用来来来来设设设设定定定定A ADCDC能能能能转转转转换换换换的的的的电电电电压压压压范范范范围围围围，即即即即指指指指定定定定它的实际量程（满量程）。它的实际量程（满量程）。它的实际量程（满量程）。它的实际量程（满量程）。u量量量量化化化化单单单单位位位位q q：一一一一个个个个8 8位位位位ADCADC，量量量量程程程程05V05V，分分分分成成成成2 28 8=256=256层层层层，它它它它能能能能分分分分辨辨辨辨的的的的最最最最小小小小的的的的量量量量化化化化信信信信号号号号电电电电平平平平即即即即量化单位：量化单位：量化单位：量化单位：q=q=电压量程范围电压量程范围电压量程范围电压量程范围/2/2n n =5.0V/2565.0V/2560.019V=19mV0.019V=19mVu1LSB1LSB：q q是数字量中最低位是数字量中最低位是数字量中最低位是数字量中最低位LSB=1LSB=1时所对应的时所对应的时所对应的时所对应的电压值，因而也称为电压值，因而也称为电压值，因而也称为电压值，因而也称为1LSB1LSB。第第第第1010章章章章 A/DA/D和和和和D/AD/A中国科学技术大学中国科学技术大学10.1 10.1 概述概述概述概述2.编码编码u数数数数字字字字量量量量编编编编码码码码：经经经经采采采采样样样样和和和和量量量量化化化化后后后后，模模模模拟拟拟拟量量量量数数数数字量，数字量要用代码表示。字量，数字量要用代码表示。字量，数字量要用代码表示。字量，数字量要用代码表示。u编编编编码码码码的的的的形形形形式式式式：如如如如，二二二二进进进进制制制制码码码码、BCDBCD码码码码、ASCIIASCII码等。码等。码等。码等。u常常常常用用用用编编编编码码码码形形形形式式式式：自自自自然然然然二二二二进进进进制制制制编编编编码码码码，双双双双极极极极性性性性二二二二进进进进制编码。制编码。制编码。制编码。u选选选选定定定定编编编编码码码码方方方方式式式式：特特特特定定定定器器器器件件件件中中中中编编编编码码码码方方方方式式式式是是是是固固固固定定定定的的的的，有些器件可通过外部连线来选择几种编码方式。有些器件可通过外部连线来选择几种编码方式。有些器件可通过外部连线来选择几种编码方式。有些器件可通过外部连线来选择几种编码方式。第第第第1010章章章章 A/DA/D和和和和D/AD/A中国科学技术大学中国科学技术大学10.1 10.1 概述概述概述概述自然二进制码自然二进制码uu量量量量化化化化过过过过程程程程将将将将参参参参考考考考电电电电压压压压V VR R设设设设定定定定的的的的满满满满量量量量程程程程（FSRFSR）电电电电压压压压值值值值分分分分成成成成2 2n n等等等等分分分分，然然然然后后后后看看看看采采采采样样样样值值值值落落落落在在在在哪哪哪哪个个个个分分分分层层层层内内内内，便便便便量量量量化化化化成成成成相相相相应应应应的的的的数数数数字字字字量量量量。因因因因此此此此输输输输入入入入模模模模拟拟拟拟量量量量与与与与满满满满量量量量程程程程的的的的比比比比值值值值是是是是小小小小于于于于1 1的的的的小小小小数数数数。用用用用二二二二进进进进制制制制小小小小数数数数形形形形式式式式表表表表示示示示数数数数字字字字量量量量，即即即即自自自自然二进制码。然二进制码。然二进制码。然二进制码。uun n位自然二进制码表示一个小数位自然二进制码表示一个小数位自然二进制码表示一个小数位自然二进制码表示一个小数N N：N=dN=d1 12 2-1-1+d+d2 22 2-2-2+d+dn n2 2-n-n系数系数系数系数d di i=0=0或或或或1 1，是二，是二，是二，是二进进制小数中第制小数中第制小数中第制小数中第i i位上的数位上的数位上的数位上的数码码。2 2-n-n是是是是小小小小数数数数各各各各位位位位上上上上的的的的加加加加权权。第第第第1 1位位位位加加加加权权最最最最大大大大为为1/21/2（最最最最高高高高有有有有效效效效位位位位MSBMSB）；最最最最右右右右边边第第第第n n位位位位加加加加权权最最最最小小小小为为1/21/2n n（最最最最小小小小有效位有效位有效位有效位LSBLSB），等于量化），等于量化），等于量化），等于量化单单位位位位q q。自然二自然二自然二自然二进进制制制制编码编码的的的的小数点小数点小数点小数点不表示出来。不表示出来。不表示出来。不表示出来。第第第第1010章章章章 A/DA/D和和和和D/AD/A中国科学技术大学中国科学技术大学10.1 10.1 概述概述概述概述例例例例 二二二二进进制小数制小数制小数制小数0.110101 0.110101 记记作作作作110101110101，表示，表示，表示，表示1010进进小数：小数：小数：小数：N=N=1 10.5+0.5+1 10.25+0.25+0 00.1250.125 +1 10.0625+0.0625+0 00.03125+0.03125+1 10.0156250.015625 =0.828125 =0.828125 即二即二即二即二进进制制制制码码110101110101表示的模表示的模表示的模表示的模拟拟量是量是量是量是满满量程的量程的量程的量程的82.812582.8125假假假假设设：V VR R为为参考参考参考参考电压电压，即，即，即，即满满量程量程量程量程值值，V VX X是是是是实际实际模模模模拟电压拟电压值值，则则V VX X=V=VR RNN当当当当V VR R=+10V=+10V，数字量，数字量，数字量，数字量110101110101表示模表示模表示模表示模拟电压拟电压：V VX X=10V0.828125=10V0.828125=8.28125V8.28125V当当当当V VR R=+5V=+5V，数字量，数字量，数字量，数字量110101110101表示的模表示的模表示的模表示的模拟电压为拟电压为：V VX X=5V0.828125=5V0.828125=4.140625V4.140625V第第第第1010章章章章 A/DA/D和和和和D/AD/A中国科学技术大学中国科学技术大学10.1 10.1 概述概述概述概述uuA ADCDC的的的的量量量量程程程程不不不不同同同同，同同同同一一一一个个个个数数数数字字字字量量量量所所所所表表表表示示示示的的的的模模模模拟拟拟拟量量量量大大大大小小小小也不一样。通过改变参考电压，可改变量程。也不一样。通过改变参考电压，可改变量程。也不一样。通过改变参考电压，可改变量程。也不一样。通过改变参考电压，可改变量程。uu 若已知参考电压若已知参考电压若已知参考电压若已知参考电压V VR R和模拟电压和模拟电压和模拟电压和模拟电压V VX X，也可以计算出，也可以计算出，也可以计算出，也可以计算出V VX X的数字量的数字量的数字量的数字量N N来。来。来。来。例如，例如，例如，例如，当当当当V VR R=+5V=+5V，V VX X=1.0V=1.0V时时，V VX X的数字量的数字量的数字量的数字量为为：N=VN=VX X/V/VR R=1.0V/5.0V=0.2=1.0V/5.0V=0.2 二二二二进进制制制制小小小小数数数数0.2=0.001100100.2=0.00110010，由由由由于于于于在在在在机机机机器器器器中中中中小小小小数数数数点点点点不不不不表表表表示出来，所以用示出来，所以用示出来，所以用示出来，所以用0011001000110010或或或或32H32H来表示来表示来表示来表示V VX X的数字量。的数字量。的数字量。的数字量。第第第第1010章章章章 A/DA/D和和和和D/AD/A中国科学技术大学中国科学技术大学10.1 10.1 概述概述概述概述FSR=5VFSR=5V和和和和10V10V时，时，时，时，4 4位二进制小数码的表示方法位二进制小数码的表示方法位二进制小数码的表示方法位二进制小数码的表示方法数字量全数字量全数字量全数字量全1 1（满码），等于（满码），等于（满码），等于（满码），等于FSR(1-2FSR(1-2-n-n)，比满量程小，比满量程小，比满量程小，比满量程小1LSB1LSB。例如例如例如例如 FSR=+5VFSR=+5V，满码，满码，满码，满码11111111表示表示表示表示5V(1-25V(1-2-4-4)=4.6875V)=4.6875V。第第第第1010章章章章 A/DA/D和和和和D/AD/A中国科学技术大学中国科学技术大学10.1 10.1 概述概述概述概述10.1 概概 述述10.1.1 一个一个实时控制系控制系统10.1.2 采采样、量化和、量化和编码10.1.3 采采样保持器保持器第第第第1010章章章章 A/DA/D和和和和D/AD/A中国科学技术大学中国科学技术大学10.1 10.1 概述概述概述概述10.1.3 采样保持器采样保持器1.采样过程 将模拟信号转换成离散信号的采样过程的形象表示将模拟信号转换成离散信号的采样过程的形象表示第第第第1010章章章章 A/DA/D和和和和D/AD/A中国科学技术大学中国科学技术大学10.1 10.1 概述概述概述概述采样过程采样过程u模模模模拟拟拟拟信信信信号号号号x(t)x(t)加加加加到到到到采采采采样样样样器器器器输输输输入入入入端端端端,采采采采样样样样脉脉脉脉冲冲冲冲S(t)S(t)控控控控制制制制开关开关开关开关S S的通断。的通断。的通断。的通断。S S合上合上合上合上,x(t)x(t)送到输出端；送到输出端；送到输出端；送到输出端；S S断开断开断开断开,采样器无输出。采样器无输出。采样器无输出。采样器无输出。u采样脉冲采样脉冲采样脉冲采样脉冲S(t)S(t)是周期是周期是周期是周期、宽度、宽度、宽度、宽度t t0 0的矩形脉冲序列。的矩形脉冲序列。的矩形脉冲序列。的矩形脉冲序列。u采样脉冲出现时采样脉冲出现时采样脉冲出现时采样脉冲出现时,S S接通接通接通接通t t0 0秒秒秒秒,其余时间断开。其余时间断开。其余时间断开。其余时间断开。u结结结结果果果果,输输输输出出出出宽宽宽宽度度度度t t0 0、周周周周期期期期 的的的的脉脉脉脉冲冲冲冲序序序序列列列列x(n),x(n),序序序序列列列列幅幅幅幅度被度被度被度被x(t)x(t)所调制所调制所调制所调制,这个过程就是采样。这个过程就是采样。这个过程就是采样。这个过程就是采样。ux(n)x(n)序列即为采样所得的离散模拟量。序列即为采样所得的离散模拟量。序列即为采样所得的离散模拟量。序列即为采样所得的离散模拟量。u采样率采样率采样率采样率f fS S：离散量出现的重复频率，：离散量出现的重复频率，：离散量出现的重复频率，：离散量出现的重复频率，f fS S=1/=1/。第第第第1010章章章章 A/DA/D和和和和D/AD/A中国科学技术大学中国科学技术大学10.1 10.1 概述概述概述概述量化过程量化过程u采采采采样样样样器器器器输输输输出出出出的的的的是是是是特特特特定定定定时时时时间间间间点点点点的的的的信信信信号号号号幅幅幅幅值值值值，依依依依然然然然是是是是模拟量，须由模拟量，须由模拟量，须由模拟量，须由ADCADC转换成计算机认识的数字量。转换成计算机认识的数字量。转换成计算机认识的数字量。转换成计算机认识的数字量。u模模模模数数数数转转转转换换换换包包包包含含含含量量量量化化化化、编编编编码码码码等等等等操操操操作作作作，完完完完成成成成这这这这些些些些操操操操作作作作的时间即为模数转换时间的时间即为模数转换时间的时间即为模数转换时间的时间即为模数转换时间t tC C。u若若若若在在在在t tC C内内内内输输输输入入入入信信信信号号号号变变变变化化化化量量量量xx很很很很小小小小，采采采采样样样样过过过过程程程程引引引引入入入入的的的的误误误误差差差差可可可可忽忽忽忽略略略略不不不不计计计计。采采采采样样样样开开开开关关关关就就就就可可可可制制制制作作作作在在在在ADCADC内内内内部，部，部，部，ADCADC直接连到采样器输出端。直接连到采样器输出端。直接连到采样器输出端。直接连到采样器输出端。u若若若若输输输输入入入入信信信信号号号号变变变变化化化化速速速速率率率率较较较较高高高高，必必必必须须须须在在在在采采采采样样样样开开开开关关关关和和和和A/DA/D间加采样保持器（间加采样保持器（间加采样保持器（间加采样保持器（Sample and Hold,S/HSample and Hold,S/H）。）。）。）。第第第第1010章章章章 A/DA/D和和和和D/AD/A中国科学技术大学中国科学技术大学10.1 10.1 概述概述概述概述采样保持采样保持采样保持器包含开关采样保持器包含开关采样保持器包含开关采样保持器包含开关S S、保持电容、保持电容、保持电容、保持电容C CHH和缓冲放大器和缓冲放大器和缓冲放大器和缓冲放大器A A。V VC C采采采采样样样样控控控控制制制制命命命命令令令令，=1 1采采采采样样样样，S S合合合合上上上上，模模模模拟拟拟拟信信信信号号号号V Vi i经经经经S S向向向向C CHH充电。充电。充电。充电。A A的跟随特性使输出电压的跟随特性使输出电压的跟随特性使输出电压的跟随特性使输出电压V VOO跟随跟随跟随跟随V Vi i变化。变化。变化。变化。当当当当V VC C=0 0，S S断断断断开开开开，C CHH上上上上的的的的电电电电压压压压将将将将保保保保持持持持一一一一定定定定时时时时间间间间，输输输输出出出出电电电电压压压压V VOO被被被被保保保保持持持持在在在在S S断断断断开开开开前前前前瞬瞬瞬瞬间间间间的的的的值值值值，实实实实现现现现了了了了采采采采样样样样和和和和保保保保持功能。持功能。持功能。持功能。