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1、关于数模和模数转换第1页，此课件共55页哦1、掌握DAC和ADC的定义及应用；2、了解DAC的组成、倒T型电阻网络、集成D/A转换器、转换精度及转换速度；3、了解ADC组成、逐次逼近型A/D转换器、积分型A/D转换器、转换精度及转换速度。第2页，此课件共55页哦11.1 概述概述模数转换（模数转换（A/D转换）：转换）：将模拟信号转换为数字信将模拟信号转换为数字信号。实现号。实现A/D转换的电路称为转换的电路称为A/D转换器，简写为转换器，简写为ADC(Analog-Digital Converter)数模转换（数模转换（D/A转换）：转换）：将数字信号转换为模拟信将数字信号转换为模拟信号。实
2、现号。实现D/A转换的电路称为转换的电路称为D/A转换器，简写为转换器，简写为DAC(Digital-Analog Converter)第3页，此课件共55页哦用途用途Sensor放大器A/DMicrocomputer控制对象D/A温度时间要求要求:！精度！速度电加热炉热电偶第4页，此课件共55页哦 D/A转换器转换器的任务是接收到一个数字量的任务是接收到一个数字量(D)后，输出一个相应的后，输出一个相应的电压电压(A)。11.2 D/A转换器转换器将数字信号转换为模拟信号的电路将数字信号转换为模拟信号的电路。D00111111 D/A转换器转换器A(电压or电流)？第5页，此课件共55页哦电
3、阻网络求和放大器参考电压一、权电阻网络一、权电阻网络D/A转换器转换器电子开关虚短虚短:V-V+=0电子开关由输入数字信电子开关由输入数字信号号D控制；控制；D=d3d2d1d0，；当；当di=1时时Si接到接到VREF；当；当di=0时时Si接到接到地。地。第6页，此课件共55页哦一、权电阻网络一、权电阻网络D/A转换器转换器虚短虚短:V-V+=0第7页，此课件共55页哦 n位权电阻网络位权电阻网络D/A转换器，当反馈电阻取为转换器，当反馈电阻取为R/2时，输出电压的计算公式：时，输出电压的计算公式：输出电压的变化范围输出电压的变化范围:优点：优点：结构简单，所用的电阻元件数很少。结构简单，
4、所用的电阻元件数很少。缺点：缺点：各电阻的阻值相差较大，不能保证有很高各电阻的阻值相差较大，不能保证有很高的精度。的精度。第8页，此课件共55页哦二、倒二、倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器第9页，此课件共55页哦 由于由于V-V+=0,所所以无论开关以无论开关S合到合到哪一边，都相当哪一边，都相当于接到了于接到了“地地”，流过各支路的，流过各支路的电流始终不变。电流始终不变。第10页，此课件共55页哦 n 位输入的倒位输入的倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器，当反馈电转换器，当反馈电阻取为阻取为R时，输出电压的计算公式：时，输出电压的计算公式：优点：优点：（1）只有）只有R和和2R
5、两种阻值的电阻，可达到较高的精度；两种阻值的电阻，可达到较高的精度；（2）各支路电流恒定不变，在开关状态变化时，不需电流建立时间，）各支路电流恒定不变，在开关状态变化时，不需电流建立时间，所以电路转换速度高，使用广泛。所以电路转换速度高，使用广泛。第11页，此课件共55页哦CB7520电路原理图电路原理图习题习题3、4、5第12页，此课件共55页哦三、权电流型三、权电流型D/A转换器转换器恒流源第13页，此课件共55页哦 为减少电阻阻值的种类，在实用的权电流型为减少电阻阻值的种类，在实用的权电流型D/A转换器中，经常利用转换器中，经常利用倒倒T形电阻网络的分流作用产生一组所需的恒流源。形电阻网
6、络的分流作用产生一组所需的恒流源。按比例加大发射结的面积第14页，此课件共55页哦DAC0808电路结构框图电路结构框图第15页，此课件共55页哦已知已知VREF=10V?第16页，此课件共55页哦当输入数字量有当输入数字量有极性时，希望输出的模拟电压也对应为极性时，希望输出的模拟电压也对应为。例：输入为三位二进制补码。最高位为符号位：正数为例：输入为三位二进制补码。最高位为符号位：正数为0，负数为负数为1补码输入对应的十进制要求的输出D2 D1 D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V四、具有双极性输出的
7、四、具有双极性输出的D/A转换器转换器第17页，此课件共55页哦原码输入对应的输出偏移后的输出D2 D1 D0111+7V+3V110+6V+2V101+5V+1V100+4V0V011+3V-1V010+2V-2V001+1V-3V0000V-4V补码输入对应的十进制要求的输出D2 D1 D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V*将符号位反相后接至高位输入将符号位反相后接至高位输入*将输出偏移将输出偏移,使输入为使输入为100100时，输出为时，输出为0 01双极性输出双极性输出单极性输出单极性输出如何将
8、单极性的如何将单极性的D/A转换器改造成双极性转换器改造成双极性D/A转换器？转换器？第18页，此课件共55页哦接偏置电流符号位求反*将符号位反相后接至高位输入将符号位反相后接至高位输入*将输出偏移将输出偏移,使输入为使输入为100100时，输出为时，输出为0 0电路实现：电路实现：第19页，此课件共55页哦*将符号位反相后接至高位输入将符号位反相后接至高位输入*将输出偏移将输出偏移,使输入为使输入为100100时，输出为时，输出为0 0电路实现：电路实现：偏移偏移-4V,使输入使输入D=100时时,v0=0V选择合适的选择合适的VB和和RB可实现双极性输出可实现双极性输出习题习题6、7第20
9、页，此课件共55页哦五、五、D/A转换器的主要参数转换器的主要参数（1 1）分辨率：）分辨率：D/A转换器理论上可达到的精度。转换器理论上可达到的精度。1.D/A转换器的转换精度转换器的转换精度 分辨率也可用分辨率也可用D/A转换器能够分辨出来的最小输出电压与最大输转换器能够分辨出来的最小输出电压与最大输出电压的比值来表示。例如：出电压的比值来表示。例如：10位位D/A转换器的分辨率为：转换器的分辨率为：分辨率可以用输入二进制数码的位数表示。分辨率可以用输入二进制数码的位数表示。分辨率也可以用分辨率也可以用D/A转换器能够分辨出来的最小输出电压表示转换器能够分辨出来的最小输出电压表示（1LSB
10、）。）。第21页，此课件共55页哦（2）转换误差：）转换误差：D/A转换器实际上能达到的转换精度（误差）转换器实际上能达到的转换精度（误差）。可可以以用用输输出出电电压压满满刻刻度度值值的的百百分分数数表表示示，也也可可用用最最低低位位有有效效值值的倍数（的倍数（m LSB）表示。）表示。第22页，此课件共55页哦（1）建立时间）建立时间tset：指指输入数字量各位由全输入数字量各位由全0变为全变为全1或或由全由全1变为全变为全0时时,输出电压达到某一规定值所需要的时输出电压达到某一规定值所需要的时间。间。通常建立时间在通常建立时间在100 ns 几十几十 s之间。之间。2.D/A转换器的转换
11、速度转换器的转换速度（2）转换速率）转换速率SR：习题习题13、11第23页，此课件共55页哦11.3 AD转换器转换器A/D转换器转换器 UI输入模拟电压输入模拟电压D7D0输出数字量输出数字量0 V 5 V0000000011111111第24页，此课件共55页哦一、一、A/D转换的基本原理转换的基本原理 A/D转换的三个过程：转换的三个过程：采样量化编码采样量化编码 第25页，此课件共55页哦采样采样 采样是对模拟信号进行周期性地抽取样值采样是对模拟信号进行周期性地抽取样值的过程。的过程。把模拟信号把模拟信号 vI 转换成时间上断续、幅度等于采样时模拟信号转换成时间上断续、幅度等于采样时
12、模拟信号值的离散信号值的离散信号 vS。采样定理：采样定理：fs2fi(max)输入模拟信号中的最高频率采样频率由采样由采样-保持电路完成保持电路完成第26页，此课件共55页哦量化量化 将采样保持电路的输出电压，按某种近似方式归化到将采样保持电路的输出电压，按某种近似方式归化到与之相应的离散电平上，这一转化过程称为与之相应的离散电平上，这一转化过程称为数值量化数值量化，简称，简称量量化化。量化后的数值用一个二进制代码表示出来，这一过程称为量化后的数值用一个二进制代码表示出来，这一过程称为编码编码。将采样输出电压表示为一个最小单位的整数倍，所取将采样输出电压表示为一个最小单位的整数倍，所取的最小
13、数量单位称为量化单位的最小数量单位称为量化单位(1LSB），用），用 表示。表示。编码编码 量化编码过程量化编码过程第27页，此课件共55页哦取量化间隔取量化间隔:=0.5V双极性信号量化编码过程双极性信号量化编码过程第28页，此课件共55页哦量化误差：量化误差：当采样电压不能被当采样电压不能被当采样电压不能被当采样电压不能被 整除时，将引入量化误差整除时，将引入量化误差整除时，将引入量化误差整除时，将引入量化误差0V第29页，此课件共55页哦第30页，此课件共55页哦二、直接二、直接A/D转换器转换器 并联比较型并联比较型0vi VREF/15时时，7个个比比较较器器输输 出出 全全 为为
14、0 0，CP 到到来来后后，7个个触触发发器器都都置置0 0。经经编编码码器器编编码码后后输输出出的的二二进进制制代代码码为为d2d1d0000。第31页，此课件共55页哦时，时，7个比较器个比较器中只有中只有C1输出输出为为1，CP到来到来后，只有触发后，只有触发器器FF1置置1，其，其余触发器仍为余触发器仍为0。经编码器编码经编码器编码后输出的二进后输出的二进制代码为制代码为d2d1d0=001。第32页，此课件共55页哦时，比较器中时，比较器中C1、C2输出为输出为1，CP到来后，到来后，触发器触发器FF1、FF2置置1，其余，其余触发器仍为触发器仍为0。经编码器编码经编码器编码后输出的
15、二进后输出的二进制代码为制代码为d2d1d0=011。第33页，此课件共55页哦第34页，此课件共55页哦*快快:CP:CP触发信号到达到输出稳定建立只需几十触发信号到达到输出稳定建立只需几十nsns*精度精度:受参考电压、分压网络等因素影响受参考电压、分压网络等因素影响*电路规模电路规模:n:n位需要位需要2n-12n-1比较器，触发器。比较器，触发器。并联比较型并联比较型特点特点第35页，此课件共55页哦逐次比较型逐次比较型AD转换器转换器 其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四个砝码共重其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四个砝码共重15克，克，每个重量分别为每个重量分别为8、4、2、1克。
16、设待秤重量克。设待秤重量Wx=13克，可以用克，可以用下表步骤来秤量下表步骤来秤量：砝码重砝码重第一次第一次第二次第二次第三次第三次第四次第四次加加4克克加加2克克加加1克克8 克克砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx，故保留，故保留砝码总重仍砝码总重仍 待测重量待测重量Wx，故撤除，故撤除砝码总重砝码总重 待测重量待测重量Wx，故保留，故保留暂时结果暂时结果8 克克12 克克12 克克13 克克 结结 论论反馈比较型反馈比较型 第36页，此课件共55页哦！电路不太复杂！较快反馈比较型反馈比较型 第37页，此课件共55页哦1 0 0 0 0逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器电路原理图电路
17、原理图0 0 000 0 01 1第38页，此课件共55页哦1 0 0 0 03位：5个CPN位:(n+2)个CP逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器电路原理图电路原理图0 0 000 0 01 110 1 0 0 00 0110第39页，此课件共55页哦三、间接三、间接A/D转换器转换器双积分型双积分型A/D转换器转换器又称为电压时间变换型（又称为电压时间变换型（VT变换型）变换型）第40页，此课件共55页哦双积分型双积分型A/D转换器转换器0，t=T1时时第41页，此课件共55页哦双积分型双积分型A/D转换器转换器第42页，此课件共55页哦 先将先将Vi转换成与之成转换成与之成正比的时间
18、信号，然后正比的时间信号，然后在这个时间内用固定频在这个时间内用固定频率脉冲计数率脉冲计数.双积分型双积分型A/D转换器原理转换器原理:（VT变换型）变换型）A/D转换器转换器第43页，此课件共55页哦控制电路的实现控制电路的实现第44页，此课件共55页哦V-F 变换型变换型fout=k1vI;计数器在计数器在TG时间里对时间里对fout计数，计数，则则 D=TG fout=TGk1vID适合远距离传输适合远距离传输第45页，此课件共55页哦不同的不同的A/D转换器的比较转换器的比较第46页，此课件共55页哦四、四、A/D转换器的主要参数转换器的主要参数 A/DA/D转转换换器器的的分分辨辨率
19、率用用输输出出二二进进制制数数的的位位数数表表示示，位位数数越越多，误差越小，转换精度越高。多，误差越小，转换精度越高。分辨率也可以用分辨率也可以用1LSB的电压表示，是的电压表示，是 A/D转换器能够分辨出来的转换器能够分辨出来的最小输出电压。最小输出电压。例例如如：输输入入模模拟拟电电压压的的变变化化范范围围为为0 05V5V，输输出出1010位位二二进进制制数数可可以以分分辨的最小模拟电压为辨的最小模拟电压为5V2104.88mV。(1)分辨率：分辨率：1.A/D转换器的转换精度转换器的转换精度（2）转换误差）转换误差 通通常常以以输输出出误误差差最最大大值值的的形形式式给给出出，表表表
20、表示示示示实实实实际际际际输输输输出出出出的的的的数数数数字量和理论上应有的输出数字量之间的差别。字量和理论上应有的输出数字量之间的差别。字量和理论上应有的输出数字量之间的差别。字量和理论上应有的输出数字量之间的差别。第47页，此课件共55页哦2.A/D转换器的转换速度转换器的转换速度 A/DA/D转转换换速速度度是是指指完完成成一一次次转转换换所所需需的的时时间间。转转换换时时间间是是指指从从接接到到模模拟拟输输入入信信号号开开始始，到到输输出出端端得得到到稳稳定定的的数数字字输输出出信信号号所所经过的这段时间。经过的这段时间。A/D转换速度转换速度取决于电路结构类型取决于电路结构类型取决于
21、电路结构类型取决于电路结构类型:并联比较型：并联比较型：并联比较型：并联比较型：1uS1uS逐次逼近型：几逐次逼近型：几逐次逼近型：几逐次逼近型：几100uS100uS双积分型：几十双积分型：几十双积分型：几十双积分型：几十mS/mS/次次次次第48页，此课件共55页哦AD7767是高速、低功耗、单电源供电、高精度的是高速、低功耗、单电源供电、高精度的24位位AD转换器，它采转换器，它采用逐次逼近结构。芯片内部还集成了跟踪保持电路，此器件广用逐次逼近结构。芯片内部还集成了跟踪保持电路，此器件广泛的应用于多通道系统中。其特点如下：泛的应用于多通道系统中。其特点如下：(1)功耗为功耗为15mw，1
22、09.5dB动态范围，转换速率动态范围，转换速率128kbs。(2)高精度：高精度：24位內无误编码位內无误编码(No Missing Codes；NMC)。(3)温度漂移性低，零误差漂移为温度漂移性低，零误差漂移为15nV/度度(摄氏摄氏)。(5)工作温度范围：工作温度范围：-40至至105。(6)片内自带低通片内自带低通FIR滤波器滤波器:带通纹波：带通纹波：0.005dB，带阻衰减：，带阻衰减：100dB*A/D转换器芯片介绍转换器芯片介绍第49页，此课件共55页哦AD7767的主要引脚及功能：的主要引脚及功能：VREF：基准输入端基准输入端,电压值范围是电压值范围是2.4V5VMCLK
23、：主时钟输入主时钟输入。AD7767的采样频率的采样频率 等于主时钟频率。等于主时钟频率。DVDD：数字电源输入端。数字电源输入端。CS ：片选端。在它的下降沿，转换结果片选端。在它的下降沿，转换结果 放到数据总线上放到数据总线上。SDI：串行数据输入端。用于多片串行数据输入端。用于多片D7767 级联的输入。级联的输入。SDO：24位串行数据输出端，高位先出。位串行数据输出端，高位先出。DRDY：数据准备输出端。它的下降沿表示有新的数据准备输出端。它的下降沿表示有新的转换数据已经存在输出寄存器中转换数据已经存在输出寄存器中SCLK：串行时钟输入。串行时钟输入。V in+：模拟差分输入的正端模
24、拟差分输入的正端。V in-：模拟差分输入的负端。模拟差分输入的负端。：多片同步及掉电输入端。：多片同步及掉电输入端。第50页，此课件共55页哦功能框图如图功能框图如图 第51页，此课件共55页哦AD7767时序图AD7767与单片机接口与单片机接口3.03.1第52页，此课件共55页哦第53页，此课件共55页哦ADS1271内部结构图 ADS1271:高带宽的24位模/数转换器（ADC）ADS1271接收差分接收差分模拟信号，要测量模拟信号，要测量的输入信号接到引的输入信号接到引脚脚AINP和和AINN。AINP为正信号输入为正信号输入端，端，AINN为负信号为负信号输入端。输入端。第54页，此课件共55页哦感谢大家观看第55页，此课件共55页哦