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1、第8章 模数和数模转换器2022/9/231本讲稿第一页，共三十六页复习复习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？2022/9/232本讲稿第二页，共三十六页A/D转换目标：将时间连续、幅值也连续的模拟信号转换为时间离散、幅值也离散的数字信号。四个步骤：采样、保持、量化、编码。8.3 A/D8.3 A/D转换转换 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。8.3.1 A/D8.3.1 A/D转换基本原理转换基本原理2022/9/233本讲稿第三页，共三十六页图8-7 采样过程示意图 取
2、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)。2022/9/234本讲稿第四页，共三十六页（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。）图8-8 采样保持电路及输出波形2022/9/235本讲稿第
3、五页，共三十六页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。2022/9/236本讲稿第六页，共三十六页划分量化电平的两种方法（a）量化误差大；（b）量化误差小 2022/9/237本讲稿第七页，共三十六页 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.
4、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。8.3.2 A/D8.3.2 A/D转换器工作原理转换器工作原理2022/9/238本讲稿第八页，共三十六页图8-9 逐次逼近型ADCADC电路框图 CPD n-1D n-2 D n-3D1D0u0(V)uI与与uO比较比较01 0 0 000.5UREF1（D n-1为1）/0（D n-1为0）1D n-1 1 0 000.75/0.25UREF1（D n-2为1）/0（D n-2为0）2D n-1 D n-2 1 001（D n-3为1）/0（D n-3为0）n-1D n
5、-1D n-2 D n-3D111（D 0为1）/0（D 0为0）基准电压UREFn位A/D转换器 电路启动后:2022/9/239本讲稿第九页，共三十六页实例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%。转换精度取决于位数。CPD7D6D5D4D3D2D1D0u0(V)uIuO010000000511110000007.502101000006.2513101100006.87504101010006.562515101011006.7187516101011106.79687517101011116.83593751uIuO为
6、1否则为0 2022/9/2310本讲稿第十页，共三十六页图8-10 8位逐次比较型A/D转换器波形图 2022/9/2311本讲稿第十一页，共三十六页2.2.双积分型双积分型A/DA/D转换器转换器 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2022/9/2312本讲稿第十二页，共三十六页图8-11 双积分型ADCADC电路 2022/9/2313本讲稿第十三页，共三十六页 时钟脉冲控制门G1：当uC=1时，门G1打开，
7、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。2022/9/2314本讲稿第十四页，共三十六页积分器：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
8、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2022/9/2315本讲稿第十五页，共三十六页 （2）工作原理 图8-12 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，NT2U
9、puI。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。2022/9/2316本讲稿第十六页，共三十六页工作过程：工作过程：准备阶段：转换控制信号CR0，将计数器清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。2022/9/2317本讲稿第十七页，共三十六页 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2022/9/2318本讲稿第十八页，共三十六页 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，
10、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。2022/9/2319本讲稿第十九页，共三十六页设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 2022/9/2320本讲稿第二十页，共三十六页 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2022/9/2321本讲稿第二十一页，共三十六页当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T2NT
11、C。2022/9/2322本讲稿第二十二页，共三十六页 若以t1算作0时刻，当tT2时，积分器的输出uO0，此时则有2022/9/2323本讲稿第二十三页，共三十六页可见，T2UI。由于T T1 12 2n nTcTc，所以有2022/9/2324本讲稿第二十四页，共三十六页 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7-12中的uI），则当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 2022/9/2325本讲稿第二十五页，共三
12、十六页 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，故转换结果和精度与R、C无关。2022/9/2326本讲稿第二十六页，共三十六页8.3.3 ADC8.3.3 ADC的主要技术参数的主要技术参数1.分辨率 分辨率是指A/DA/D转换器输出数字量的最低
13、位变化一个数码时，对应输入模拟量的变化量。通常以ADCADC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10V10V，若用8 8位ADCADC转换时，其分辨率为10V/210V/28 839mV39mV，1010位的ADCADC是9.76mV9.76mV，而1212位的ADCADC为2.44mV2.44mV。2022/9/2327本讲稿第二十七页，共三十六页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。转换误差也叫相对精度或相对误差。例如：某ADC
14、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。2022/9/2328本讲稿第二十八页，共三十六页3.转换速度 完成一次A/DA/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ADCADC的转换时间在几十毫秒至几百毫秒之间；逐次比较型ADCADC的转换时间大都在10105050s s之间；并行比较型ADCADC的转换时间可达10ns10ns。2022/9/2329本讲稿第二十九页，共三十六页8.3.4 8.3.4 集成集成A/DA/D转换器及其应用举例转换器及其应用举例 集成A/DA/D转换器规格品种繁多，常见的有
15、ADC0804、ADC0809、MC14433等。1.ADC0804 A/D转换器 ADC0804是一种逐次比较型A/D转换器。2022/9/2330本讲稿第三十页，共三十六页（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。2022/9/2331本讲稿第三十一页，共三十六页图8-13 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
16、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，有三态功能，能与微机总线相接。AGND：模拟信号地。DGND：数字信号地。2022/9/2332本讲稿第三十二页，共三十六页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。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
17、断请求信号，以通知CPU取走转换后的数据。2022/9/2333本讲稿第三十三页，共三十六页本章小结本章小结 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。2022/9/2334本讲稿第三十四页，共三十六页 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。可供我们选择使用的集成ADC和DAC芯片种类很多，应通过查阅手册，在理解其工作原理的基础上，重点把握这些芯片的外部特性以及与其它电路的接口方法。2022/9/2335本讲稿第三十五页，共三十六页作业题作业题8-18-22022/9/2336本讲稿第三十六页，共三十六页