数模转换与模数转换课件.ppt

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1、2023/3/21,1,第7章 数/模和模/数转换,返回,任务 数模转换器应用电路测试,专题1数/模转换器（DAC）,专题2模/数转换器（ADC）,2023/3/21,2,第7章 数/模和模/数转换,7.1.3 DAC的转换特性,7.1.1 DAC的基本概念和结构组成,7.1.2 DAC的功能,7.1.4 DAC的主要技术指标,返回,7.1.5 DAC的转换原理,7.1.6 集成D/A转换器,专题1数/模转换器（DAC）,2023/3/21,3,教学目的:,掌握数/模转换的基本概念和工作原理，了解D/A转换器的技术指标。,重点：,掌握数/模转换的工作原理。,难点：,数/模电路的组成及电路特点。

2、,2023/3/21,4,导入新课,在电子系统中，经常用到数字量与模拟量的相互转换。如工业生产过程中的湿度、压力、温度、流量，通信过程中的语言、图像、文字等物理量需要转换为数字量，才能由计算机处理；而计算机处理后的数字量也必须再还原成相应的模拟量，才能实现对模拟系统的控制，如数字音像信号如果不还原成模拟音像信号就不能被人们的视觉和听觉系统接受。因此，数模转换器和模数转换器是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口，是数字电子技术的重要组成部分。,2023/3/21,5,数/模转换器中的文字D代表数字量，A代表模拟量，转换器用C表示。目前常见的D/A转换器中，有权电阻网络D/A转换

3、器，倒梯形电阻网络D/A转换器等。,构成数字代码的每一位都具有一定的“权重”。为了将数字量转换成模拟量，就必须将每一位代码按其“权重”转换成相应的模拟量，然后再将代表各位的模拟量相加，即可得到与该数字量成正比的模拟量，这就是构成D/A变换器的基本思想。,1、DAC的基本概念,7.1.1 DAC的基本概念和结构组成,2023/3/21,6,2、DAC的结构组成,DAC电路的作用是将输入的数字量转换成与输入数字量成正比输出模拟量。在转换过程中，将输入的二进制数字信号转换成模拟信号，以电压或电流的形式输出。,数字量输入,模拟量输出,DAC组成框图,基准电压,数据锁存器,电子开关,电阻网络,求和放大,

4、图中数据锁存器用来暂时存放输入的数字信号。n位锁存器的并行输出分别控制n个模拟开关的工作状态。通过模拟开关，将参考电压按权关系加到电阻解码网络。,2023/3/21,7,如上图所示，DAC的n位数字输入量，以串行或并行方式输入并存储在数码寄存器中；数码寄存器输出的各位二进制代码分别控制对应各位的模拟电子开关，使数码为的位在位权网络上产生与其权值成正比的电压（或电流）量，再由求和放大电路将各位权值所对应的电压（或电流）量相加，即可输出与输入数字量成正比的模拟量。,7.1.2 DAC的功能,2023/3/21,8,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，然后相加，即可得到与数字量成

5、正比的总模拟量，从而实现数字/模拟转换。当输入的数字量是由n位8421BCD码表示的数字信号X时，其从高位到最低位的权依次为依次为2n-1、2n-2 21、20等，其大小可表示为：,DAC电路的输出模拟电压u0（或模拟电流i0）为：,电流转换系数,电压转换系数,7.1.3 DAC的转换特性,2023/3/21,9,当Ru（或Ri）为1、n时，根据上式可得DAC的转换特性曲线如下图所示：,模拟输出,理想特性,数字输入,DAC的转换特性曲线,2023/3/21,10,1、分辨率：用来说明D/A转换器最小输出电压(此时输入的数字代码只有最低有效位为1，其余各位都是 0)与最大输出电压(此时输入的数字

6、代码所有各位全是 1)之比。,例,一个8位和一个10位的两个DAC，其分辨率分别为：,从上式可看出：DAC输入数字量的位数n越多，电路的分辨能力越高。因此，有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率的高低。,7.1.4 DAC的主要技术指标,2023/3/21,11,2、绝对精度(或绝对误差)和非线性度,绝对精度是指输入端加对应满刻度数字量时，DAC输出的实际值与理论值之差。一般绝对误差应低于uLSB/2。,在满刻度范围内，偏离理想转换特性的最大值称为非线性误差。非线性误差与满刻度值之比称非线性度，常用百分比表示。,3、建立时间,指输入变化后，输出值稳定到距最终输出量uLSB所需的时间。建立时间

7、反映了DAC电路转换的速度。,除此之外，在选用DAC器件时，还需要考虑其电源电压、输出方式、输出值范围及输入逻辑电平等参数。,2023/3/21,12,1、权电阻网络DAC,模拟电子开关,u0,集成运放,权电阻，从最低位到最高位，每一个位置上的电阻都是相邻高位电阻值的2倍。,反馈网络,n位二进制数字输入,7.1.5 DAC的转换原理,2023/3/21,13,(1)四位二进制权电阻网络D/A转换电路,模拟开关S受输入数字信号控制，若d=0，相应的S合向同相输入端（地）；若d=1，相应的S合向反相输入端。i正比于输入的二进制数，所以实现了数字量到模拟量的转换。,2023/3/21,14,二进制权

8、电阻网络的电阻值是按4位二进制数的位权大小取值的，最低位电阻值最大，为23R，然后依次减半，最高位对应的电阻值最小，为20R。不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端（虚地）还是接到地，也就是不论输入数字信号是1还是0，各支路的电流是不变的。,(2)工作原理,2023/3/21,15,采用运算放大器进行电压转换有两个优点：一是起隔离作用，把负载电阻与电阻网络相隔离，以减小负载电阻对电阻网络的影响；二是可以调节RF控制满刻度值（即输入数字信号为全1）时输出电压的大小，使D/A转换器的输出达到设计要求。,(3)运放求和放大,2023/3/21,16,u0,1,0,1,0,当输入的数字信号为1010时

9、，电子模拟开关的动作受此二进制数控制，相应为“1”的开关接到位置1上；将基准电压UR经电阻引起的电流通入运放的反相输入端，即流入求和电路；相应数字量为“0”的权电阻由开关S直接到“地”。,(4)举例说明权电阻网络DAC工作原理,2023/3/21,17,若RF=5K，R=80K时,2023/3/21,18,u0,1,0,1,1,仍有RF=5K，R=80K,2023/3/21,19,u0,1,1,0,0,仍有RF=5K，R=80K,显然，输出模拟电压的大小直接与输入的二进制数大小成正比，从而实现了数字量到模拟量的转换。,2023/3/21,20,4位R-2R T型网络D/A转换器的电路主要由R-

10、2RT型电阻网络、求和运算放大器和模拟电子开关三部分构成，其中R-2R电阻网络是D/A转换电路的核心，求和运算放大器构成一个电流、电压转换器，它将与输入数字量成正比的输入电流转换成模拟电压输出。,2、R-2R T形电阻网络D/A转换器,2023/3/21,21,(1)四位T型电阻网络D/A转换电路,2023/3/21,22,当只有一个电子模拟开关S合向1，而其余电子模拟开关S均合向0时，从该支路的2R电阻向左、右看去的等效电阻均为2R，该电流流向A点时，每经过一节R-2R电路，电流就减少一半。,(2)工作原理,i正比于输入的二进制数，实现了数字量到模拟量的转换。,(3)求和运算放大器的输出电压

11、 输出电压也与输入数字量成正比。,2023/3/21,23,当只有开关S0合向1，即对应输入的二进制数为d3d2d1d0=0001时，T形电阻网络的等效电路如下:,2023/3/21,24,UR,3、R-2R 倒T形电阻网络D/A转换器,倒T形电阻网络的电阻均为R和2R,u0,模拟电子开关,四位二进制数字输入,基准电压,2023/3/21,25,输出电压：,当R=RF时，输出电压：,2023/3/21,26,R-2R倒T形电阻网络流过各支路的电流恒定不变，在开关状态变化时，不需电流建立时间，而且R-2R倒T型电阻网络DAC转换器中采用了高速电子开关，所以转换速度很高，在数模转换器中被广泛采用。

12、,DAC0832数模转换器采用的是CMOS工艺制成的双列直插式单片8位数模转换器，以电流形式输出。,检验学习结果,学习中一定要勤于思索主动练习，才能掌握已学知识。,2023/3/21,27,作业题：课后习题,小结：,D/A转换器和A/D转换器作为模拟量和数字量之间的转换电路，在信号检测、控制、信息处理等方面发挥着越来越重要的作用。D/A转换的基本思想是权电流相加。电路通过输入的数字量控制各位电子开关，决定是否在电流求和点加入该位的权电流。倒T形电阻网络是应用较广的电路结构。,2023/3/21,28,DAC0832是8位的电流输出型D/A转换器，在对其输入8位数字量后，通过外接运放，即可获得相

13、应的模拟电压。,片选信号输入端,输入锁存允许信号端,输入数据选通信号,数据传送选通信号,写信号2,基准电源输入端,反馈电阻,D为数字量输入端,电流输出端1和2,电源515V输入端,模拟“地”,数字“地”,7.1.6 集成D/A转换器,2023/3/21,29,当DAC0832的控制端恒处于有效电平时，芯片为直通工作方式。DAC0832中无运算放大器，且为电流输出，使用时须外接运算放大器。芯片中已设置了RF，只要将9脚接到运算放大器的输出端即可。若运算放大器增益不够，还须外加反馈电阻。,DAC0832内部结构原理图,2023/3/21,30,R-2R倒T形电阻网络流过各支路的电流恒定不变，在开关

14、状态变化时，不需电流建立时间，而且R-2R倒T型电阻网络DAC转换器中采用了高速电子开关，所以转换速度很高，在数模转换器中被广泛采用。,DAC0832数模转换器采用的是CMOS工艺制成的双列直插式单片8位数模转换器，以电流形式输出。,检验学习结果,学习中一定要勤于思索主动练习，才能掌握已学知识。,2023/3/21,31,作业题：课后习题,小结：,D/A转换的基本思想是权电流相加。电路通过输入的数字量控制各位电子开关，决定是否在电流求和点加入该位的权电流。倒T形电阻网络是应用较广的电路结构。,2023/3/21,32,第7章 数/模和模/数转换,7.3 ADC的主要技术参数,7.1 A/D转换

15、基本原理,7.2 A/D转换器工作原理,7.4 集成A/D转换器及其应用举例,返回,专题2模/数转换器（ADC）,2023/3/21,33,教学目的:,掌握模/数转换的基本概念和工作原理，了解A/D转换器的技术指标。,重点：,掌握模/数转换的工作原理。,难点：,模/数电路的组成及电路特点。,2023/3/21,34,复习导入,数/模转换与模/数转换是计算机与外部设备的重要接口，也是数字测量和数字控制系统的重要部件。,1、怎样将数字量转换成模拟量,用哪种电路实现？2、组成D/A转换器的基本思想？DAC的主要技术参数有哪些？,2023/3/21,35,A/D转换目标：将时间连续、幅值也连续的模拟信

16、号转换为时间离散、幅值也离散的数字信号。四个步骤：采样、保持、量化、编码。,返回,7.2 A/D转换,1.采样与保持,（1）将一个时间上连续变化的模拟量转换成时间上离散的模拟量称为采样。,7.2.1 A/D转换基本原理,2023/3/21,36,采样过程示意图,取样定理：设取样脉冲s(t)的频率为fS，输入模拟信号x(t)的最高频率分量的频率为fmax，必须满足 fs 2fmaxy(t)才可以正确的反映输入信号(从而能不失真地恢复原模拟信号)。,2023/3/21,37,（2）由于A/D转换需要一定的时间，在每次采样以后，需要把采样电压保持一段时间。,s(t)有效期间，开关管VT导通，uI向C

17、充电，uO(=uc)跟随uI的变化而变化；s(t)无效期间，开关管VT截止，uO(=uc)保持不变，直到下次采样。（由于集成运放A具有很高的输入阻抗，在保持阶段，电容C上所存电荷不易泄放。）,采样保持电路及输出波形,2023/3/21,38,2.量化和编码,数字量最小单位所对应的最小量值叫做量化单位。将采样保持电路的输出电压归化为量化单位的整数倍的过程叫做量化。用二进制代码来表示各个量化电平的过程，叫做编码。一个n位二进制数只能表示2n个量化电平，量化过程中不可避免会产生误差，这种误差称为量化误差。量化级分得越多（n越大），量化误差越小。,2023/3/21,39,划分量化电平的两种方法（a）

18、量化误差大；（b）量化误差小,2023/3/21,40,直接A/D转换器：并行比较型A/D转换器 逐次比较型A/D转换器 间接A/D转换器：双积分型A/D转换器 电压转换型A/D转换器,1.逐次比较型A/D转换器,天平称重过程：砝码（从最重到最轻），依次比较，保留/移去，相加。逐次比较思路：不同的基准电压砝码。,返回,7.2 A/D转换器工作原理,2023/3/21,41,逐次逼近型ADC电路框图,基准电压UREF,n位A/D转换器,电路启动后:,2023/3/21,42,实例,8位A/D转换器，输入模拟量uI=6.84V，D/A转换器基准电压 UREF=10V。,相对误差仅为0.06%。转换

19、精度取决于位数。,uIuO为1否则为0,2023/3/21,43,8位逐次比较型A/D转换器波形图,2023/3/21,44,2.双积分型A/D转换器,基本原理：对输入模拟电压uI和基准电压-UREF分别进行积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔T2，然后在这个时间间隔里对固定频率的时钟脉冲计数，计数结果N就是正比于输入模拟信号的数字量信号。,（1）电路组成,2023/3/21,45,双积分型ADC电路,2023/3/21,46,时钟脉冲控制门G1：当uC=1时，门G1打开，CP脉冲通过门G1加到计数器输入端。,计数器：为n1位异步二进制计数器。第一次计数，是从0开始直到2n对CP脉

20、冲计数，形成固定时间T12nTc（Tc为CP脉冲的周期），T1时间到时Qn1，使S1从A点转接到B点。第二次计数，是将时间间隔T2变成脉冲个数N保存下来。,检零比较器C：当uO0时，uC0；当uO0时，uC1。,积分器：Qn=0，对被测电压uI进行积分；Qn=1，对基准电压-UREF进行积分。,2023/3/21,47,积分器：Qn=0，对被测电压uI进行积分；Qn=1，对基准电压-UREF进行积分。检零比较器C：当uO0时，uC0；当uO0时，uC1。计数器：为n1位异步二进制计数器。第一次计数，是从0开始直到2n对CP脉冲计数，形成固定时间T12nTc（Tc为CP脉冲的周期），T1时间到时

21、Qn1，使S1从A点转接到B点。第二次计数，是将时间间隔T2变成脉冲个数N保存下来。时钟脉冲控制门G1：当uC=1时，门G1打开，CP脉冲通过门G1加到计数器输入端。,（1）电路组成,2023/3/21,48,（2）工作原理,双积分型ADC的工作波形,先定时（T1）对uI正向积分，得到Up，UpuI；,再对UREF积分，积分器的输出将从Up线性上升到零。这段积分时间是T2，T2UpuI；,在T2期间内计数器对时钟脉冲CP计得的个数为N，NT2UpuI。,由于这种转换需要两次积分才能实现，因此称该电路为双积分型ADC。,2023/3/21,49,工作过程：,准备阶段：转换控制信号CR0，将计数器

22、清0，并通过G2接通开关S2，使电容C放电；同时，Qn0使S1接通A点。,2023/3/21,50,采样阶段：当t0时，CR变为高电平，开关S2断开，积分器从0开始对uI积分，积分器的输出电压从0V开始下降，即,2023/3/21,51,与此同时，由于uO0，故uC1，G1被打开，CP脉冲通过G1加到FF0上，计数器从0开始计数。直到当tt1时，FF0FFn-1都翻转为0态，而Qn翻转为1态，将S1由A点转接到B点，采样阶段到此结束。若CP脉冲的周期为Tc，则T12nTc。,2023/3/21,52,设UI为输入电压在T1时间间隔内的平均值，则第一次积分结束时积分器的输出电压为,2023/3/

23、21,53,比较阶段：在t=t1时刻，S1接通B点，-UREF加到积分器的输入端，积分器开始反向积分，uO开始从Up点以固定的斜率回升，若以t1算作0时刻，此时有,2023/3/21,54,当tt2时，uO正好过零，uC翻转为0，G1关闭，计数器停止计数。在T2期间计数器所累计的CP脉冲的个数为N，且有T2NTC。,2023/3/21,55,若以t1算作0时刻，当tT2时，积分器的输出uO0，此时则有,2023/3/21,56,可见，T2UI。,由于T12nTc，所以有,2023/3/21,57,结论：,可见，NUIuI，实现了A/D转换，N为转换结果。,第一，如果减小uI（即图中的uI），则

24、当tT1时，uOUp，显然UpUp，从而有T2T2；第二，T1的时间长度与uI的大小无关，均为2nTc；第三，第二次积分的斜率是固定的，与Up的大小无关。由于T2NTc，所以,2023/3/21,58,优点1：抗干扰能力强。积分采样对交流噪声有很强的抑制能力；如果选择采样时间T1为20ms的整数倍时，则可有效地抑制工频干扰。,缺点：转换速度较慢。完成一次A/D转换至少需要（T1T2）时间，每秒钟一般只能转换几次到十几次。因此它多用于精度要求高、抗干扰能力强而转换速度要求不高的场合。,优点2：具有良好的稳定性，可实现高精度。由于在转换过程中通过两次积分把UI和UREF之比变成了两次计数值之比，故

25、转换结果和精度与R、C无关。,2023/3/21,59,7.3 ADC的主要技术参数,1.分辨率 分辨率是指A/D转换器输出数字量的最低位变化一个数码时，对应输入模拟量的变化量。通常以ADC输出数字量的位数表示分辨率的高低，因为位数越多，量化单位就越小，对输入信号的分辨能力也就越高。例如，输入模拟电压满量程为10V，若用8位ADC转换时，其分辨率为10V/2839mV，10位的ADC是9.76mV，而12位的ADC为2.44mV。,返回,2023/3/21,60,2.转换误差,转换误差表示A/D转换器实际输出的数字量与理论上的输出数字量之间的差别。通常以输出误差的最大值形式给出。转换误差也叫相

26、对精度或相对误差。例如：某ADC的相对精度为(1/2)LSB，这说明理论上应输出的数字量与实际输出的数字量之间的误差不大于最低位为的一半。,2023/3/21,61,3.转换速度,完成一次A/D转换所需要的时间叫做转换时间，转换时间越短，则转换速度越快。双积分ADC的转换时间在几十毫秒至几百毫秒之间；逐次比较型ADC的转换时间大都在1050s之间；并行比较型ADC的转换时间可达10ns。,2023/3/21,62,7.4 集成A/D转换器及其应用举例,集成A/D转换器规格品种繁多，常见的有ADC0804、ADC0809、MC14433等。,1.ADC0804 A/D转换器 ADC0804是一种

27、逐次比较型A/D转换器。,返回,2023/3/21,63,（1）ADC0804的主要功能及参数如下：,分辨率为8位。线性误差为1/2LSB。三态锁存输出，输出电平与TTL兼容。+5V单电源供电，模拟电压输入范围05V。功耗小于20mW。不必进行零点和满度调整。转换速度较高，可达100S。,2023/3/21,64,ADC0804引脚图,UIN+、UIN-：模拟信号输入端，可接收单极性、双极性和差模输入信号。UREF：基准电压输入端。CLK：时钟信号输入端。CLKR：内部时钟发生器外接电阻端，与CLK端配合可由芯片产生时钟脉冲。,（2）ADC0804各引脚功能说明如下：,D0D7：数据输出端，有

28、三态功能，能与微机总线相接。AGND：模拟信号地。DGND：数字信号地。,2023/3/21,65,WR：写信号输入端，低电平有效。当CS和WR同时有效时，启动A/D转换。,INTR：转换结束信号输出端，低电平有效。转换开始后，INTR为高电平，转换结束时，该信号变为低电平。因此该信号可作为转换器的状态查询信号，也可作为中断请求信号，以通知CPU取走转换后的数据。,CS：片选信号输入端，低电平有效。,RD：读信号输入端，低电平有效。当CS和RD均有效时，可读取转换后的输出数据。,2023/3/21,66,作业题：课后习题,小结：,A/D转换须经过采样、保持、量化、编码四个步骤才能完成。采样、保持由采样保持电路完成；量化和编码须在转换过程中实现。逐次比较型ADC是将输入模拟信号和DAC依次产生的比较电压逐次比较。双积分型ADC则是通过两次积分，将输入模拟信号转换成与之成正比的时间间隔，并在该时间间隔内对时钟脉冲进行计数来实现转换的。,2023/3/21,67,返回首页,下 课！,任务 数模转换器应用电路测试,2023/3/21,68,吃力。,课后总结,2023/3/21,69,返回首页,下 课！,2023/3/21,70,吃力。,课后总结,