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1、模拟量和数字量的转换(3)本讲稿第一页，共三十八页第第10章章 模拟量和数字量的转换模拟量和数字量的转换本章要求本章要求本章要求本章要求1.了解数了解数-模、模模、模-数转换的基本概念和转换原理。数转换的基本概念和转换原理。2.2.了解数了解数了解数了解数-模、模模、模-数转换常用芯片的使用方法。数转换常用芯片的使用方法。本讲稿第二页，共三十八页10.1 数数模转换器模转换器随着数字技术，特别是信息技术的飞速发展与普及，在现代控随着数字技术，特别是信息技术的飞速发展与普及，在现代控制、通信及检测等领域，为了提高系统的性能指标，对信号的处理制、通信及检测等领域，为了提高系统的性能指标，对信号的处
2、理广泛采用了数字计算机技术。由于系统的实际对象往往都是一些模广泛采用了数字计算机技术。由于系统的实际对象往往都是一些模拟量拟量(如温度、压力、位移、图像等如温度、压力、位移、图像等),要使计算机或数字仪表能识要使计算机或数字仪表能识别、处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号；而别、处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号；而经计算机分析、处理后输出的数字量也往往需要将其转换为相应模经计算机分析、处理后输出的数字量也往往需要将其转换为相应模拟信号才能为执行机构所接受。这样，就需要一种能在模拟信号与拟信号才能为执行机构所接受。这样，就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作
3、用的电路数字信号之间起桥梁作用的电路模数和数模转换器。模数和数模转换器。1.1.定义定义定义定义本讲稿第三页，共三十八页2.2.转换原理转换原理转换原理转换原理分析输入数字量和输出模拟电压分析输入数字量和输出模拟电压分析输入数字量和输出模拟电压分析输入数字量和输出模拟电压U Uo o o o之间的关系之间的关系之间的关系之间的关系 T T型网络开路时的输出电压型网络开路时的输出电压型网络开路时的输出电压型网络开路时的输出电压U UA A即是反相比例运算电路的即是反相比例运算电路的即是反相比例运算电路的即是反相比例运算电路的输入电压。输入电压。输入电压。输入电压。反相比例反相比例反相比例反相比例
4、运算电路运算电路运算电路运算电路T T型电型电型电型电子网络子网络子网络子网络2 2R RA+URS S2 2S S0 0S S1 1S S3 32 2R R2 2R R2 2R R2 2R Rd d0 0d d1 1d d2 2d d3 30 0R RR RR R1 11 10 0Uo o+-AR RF F2 2R R0 00 01 11 1+本讲稿第四页，共三十八页2.2.2.2.转换原理转换原理转换原理转换原理用戴维宁定理和叠加定理计算用戴维宁定理和叠加定理计算U UAA+URS S2 2S S0 0S S1 1S S3 32 2R R2 2R R2 2R R2 2R Rd d0 0d
5、d1 1d d2 2d d3 30 0R RR RR R1 11 10 02 2R R0 00 01 11 1最低位最低位最低位最低位(LSB)(LSB)最高位最高位最高位最高位(MSB)(MSB)1 0 0 0对应二进制数为对应二进制数为对应二进制数为对应二进制数为0001000100010001本讲稿第五页，共三十八页2.2.转换原理转换原理对应二进制数为对应二进制数为对应二进制数为对应二进制数为0001000100010001时，时，时，时，A2 2R R2 2R R2 2R RR RR RR RR R等效电路如右下图等效电路如右下图等效电路如右下图等效电路如右下图1 11 1 2 22
6、 2 3 33 3 2 2R R2 2R R2 2R R2 2R RR RR RR R2 2R RURAR RA0 00 0 本讲稿第六页，共三十八页2.转换原理转换原理对应二进制数为对应二进制数为对应二进制数为对应二进制数为0001000100010001时，时，时，时，等效电路如下等效电路如下等效电路如下等效电路如下R RA同理：对应二进制数同理：对应二进制数同理：对应二进制数同理：对应二进制数为为为为0010001000100010时，有时，有时，有时，有同理：对应二进制数同理：对应二进制数为为10001000时，有时，有同理：对应二进制数同理：对应二进制数同理：对应二进制数同理：对应二
7、进制数为为为为0100010001000100时，有时，有时，有时，有AR R本讲稿第七页，共三十八页2.2.2.2.转换原理转换原理转换原理转换原理 T T型网络开路时的输出电压型网络开路时的输出电压型网络开路时的输出电压型网络开路时的输出电压UA A，即等效电源电压，即等效电源电压U UE E。等效电阻为等效电阻为 R R 等效电路如右图等效电路如右图R RAUE本讲稿第八页，共三十八页2.转换原理转换原理 若输入的是若输入的是 n位二进制数，则位二进制数，则2 2R RUo o+-AR RF F+R RUE+A本讲稿第九页，共三十八页2.转换原理转换原理 若取若取若取若取 R RF F=
8、3R=3R，则，则，则，则 若输入的是若输入的是 n位二进制数，则位二进制数，则2 2R RUo o+-AR RF F+R RUE+A本讲稿第十页，共三十八页倒倒T型电阻网络型电阻网络D A转换器转换器分析输入数字量和输出模拟电压分析输入数字量和输出模拟电压分析输入数字量和输出模拟电压分析输入数字量和输出模拟电压u uo o o o之间的关系之间的关系转换原理转换原理倒倒T型解码网络型解码网络uo2RABD+URS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0+-ARFd3d2d1d00RRRI3I1I0I01C110I2IR本讲稿第十一页，共三十八页.Uc =UR/2UB =UR/4UA =
9、UR/8UD =UR 即：即：由于解码网络的电路结构和由于解码网络的电路结构和由于解码网络的电路结构和由于解码网络的电路结构和参数匹配，则图中各点参数匹配，则图中各点参数匹配，则图中各点参数匹配，则图中各点(D D、C C、B B、A)A)电位逐位减半。电位逐位减半。uo2RABD+URS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0+-ARFd3d2d1d00RRRI3I1I0I01C110I2IR本讲稿第十二页，共三十八页 因此，每个因此，每个因此，每个因此，每个2 2R R支路中支路中支路中支路中的电流也逐位减半。的电流也逐位减半。的电流也逐位减半。的电流也逐位减半。即：即：uo2RAB
10、D+URS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0+-ARFd3d2d1d00RRRI3I1I0I01C110I2IR本讲稿第十三页，共三十八页uo2RABD+URS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0+-ARFd3d2d1d00RRRI3I1I0I01C110I2IR本讲稿第十四页，共三十八页10.1.2 D/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 指最小输出电压和最大输出电压之比。指最小输出电压和最大输出电压之比。1.1.分辨率分辨率 2.2.2.2.线性度线性度线性度线性度 通常用非线性误差的大小表示通常用非线性误差的大小表示通常用非线性误差的大小表示通常用非线性误差
11、的大小表示D/AD/A转换器的线性度。转换器的线性度。把偏离理想的输入输出特性的偏差与满刻度输出把偏离理想的输入输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数定义为非线性误差。之比的百分数定义为非线性误差。3.3.3.3.输出电压输出电压输出电压输出电压(电流电流电流电流)的建立时间的建立时间的建立时间的建立时间例例:十位十位D/AD/A转换器转换器 的分辨率为的分辨率为的分辨率为的分辨率为从输入数字信号起，到输出电压或电流到达稳定值所需时间。从输入数字信号起，到输出电压或电流到达稳定值所需时间。从输入数字信号起，到输出电压或电流到达稳定值所需时间。从输入数字信号起，到输出电压或电流到达稳定值所需时间
12、。有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。通常通常D/A转换器的建立时间不大于转换器的建立时间不大于1 S本讲稿第十五页，共三十八页 DAC0832是八位的是八位的D/A转换器转换器,即在对其输入八位数即在对其输入八位数字量后，通过外接的运算放大器，可以获得相应的模拟电字量后，通过外接的运算放大器，可以获得相应的模拟电压值。压值。10.1.3 DAC0832 D/A转换器。转换器。本讲稿第十六页，共三十八页1)1)内部简化电路框图内部简化电路框图内部简化电路框图内部简
13、化电路框图DAC 0832 简化电路框图简化电路框图八位八位寄存器寄存器输入输入八位八位寄存器寄存器DACDAC八位八位转换器转换器UREFRFIout1Iout2AGNDUCCDGND&ILECSWR1WR2XFERD/AD/AD7D0.11本讲稿第十七页，共三十八页2)2)芯片管脚芯片管脚芯片管脚芯片管脚DAC DAC 0832 0832 管脚分布图管脚分布图管脚分布图管脚分布图CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUREFRFDGNDILEXFERIout1Iout21234567891019181716151413121120本讲稿第十八页，共三十八页片选信号，
14、片选信号，低电平有效低电平有效写入控制，写入控制，低电平有效低电平有效模拟地端模拟地端D0 D7数字量输入数字量输入参考电压参考电压输入端输入端DACDAC 0832 0832 管脚分布图管脚分布图管脚分布图管脚分布图CSCSWRWR1WRWR2AGNDAGNDD D4D D5D D6D D7D D0D D1D D2D D3U UCCU UREFR RFDGNDDGNDILEILEXFERXFERIout1I Iout21 12 23 34 45 56 67 78 89 910101919181817171616151514141313121211112020本讲稿第十九页，共三十八页数字地端
15、数字地端反馈电阻反馈电阻外接端外接端CSCSWRWR1 1WRWR2 2AGNDAGNDD D4 4D D5 5D D6 6D D7 7D D0 0D D1 1D D2 2D D3 3U UCCCCU UREFREFR RF FDGNDDGNDILEILEXFERXFERI Iout1out1I Iout2out21 12 23 34 45 56 67 78 89 910101919181817171616151514141313121211112020DACDAC 0832 0832 管脚分布图管脚分布图管脚分布图管脚分布图本讲稿第二十页，共三十八页输入锁存允许信输入锁存允许信号，高电平有效
16、号，高电平有效芯片工作电压芯片工作电压 输入端输入端 写入控制端写入控制端低电平有效，与低电平有效，与 配合使用配合使用XFERCSCSWRWR1 1WRWR2 2AGNDAGNDD D4 4D D5 5D D6 6D D7 7D D0 0D D1 1D D2 2D D3 3U UCCCCU UREFREFR RF FDGNDDGNDILEILEXFERXFERI Iout1out1I Iout2out21 12 23 34 45 56 67 78 89 910101919181817171616151514141313121211112020DAC 0832 管脚分布图管脚分布图本讲稿第二十
17、一页，共三十八页电流输出端电流输出端单极性输出时。单极性输出时。Iout2接模拟地接模拟地 传送控制端传送控制端低电平有效，与低电平有效，与WR2配合使用配合使用CSCSWRWR1 1WRWR2 2AGNDAGNDD D4 4D D5 5D D6 6D D7 7D D0 0D D1 1D D2 2D D3 3U UCCCCU UREFREFR RF FDGNDDGNDILEILEXFERXFERI Iout1out1I Iout2out21 12 23 34 45 56 67 78 89 910101919181817171616151514141313121211112020DAC 0832
18、 管脚分布图管脚分布图本讲稿第二十二页，共三十八页 DAC 0832 实验电路图实验电路图本讲稿第二十三页，共三十八页10.2 模模数转换器数转换器 模模模模数数(A/D)转换器的任务是将模拟量转换成数字量转换器的任务是将模拟量转换成数字量转换器的任务是将模拟量转换成数字量转换器的任务是将模拟量转换成数字量,它是模拟信号和数字仪器的接口。根据其性能不同，类型它是模拟信号和数字仪器的接口。根据其性能不同，类型它是模拟信号和数字仪器的接口。根据其性能不同，类型它是模拟信号和数字仪器的接口。根据其性能不同，类型也比较多。也比较多。也比较多。也比较多。下面介绍逐次逼近式下面介绍逐次逼近式A/D转换电路
19、的原理和一种常转换电路的原理和一种常转换电路的原理和一种常转换电路的原理和一种常用的集成电路组件。最后举例说明其应用。用的集成电路组件。最后举例说明其应用。用的集成电路组件。最后举例说明其应用。用的集成电路组件。最后举例说明其应用。本讲稿第二十四页，共三十八页10.2.1 逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器转换器 其工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明。若有其工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明。若有四个砝码共重四个砝码共重1515克，每个重量分别为克，每个重量分别为克，每个重量分别为克，每个重量分别为8 8、4 4、2 2、1 1克。设克。设克。设克。设待秤重量待秤重量待秤重量待秤重量Wx=1
20、3Wx=13克，可以用下表步骤来秤量：克，可以用下表步骤来秤量：克，可以用下表步骤来秤量：克，可以用下表步骤来秤量：28 g+4 g3 38 g+4 g+2 g4 48 g+4 g+1 g 1 18 g8g 13g，12g 13g，13g 13g，8 g12 g12 g12 g12 g13g暂时结果暂时结果砝砝 码码 重重比比 较较 判判 断断顺顺 序序保留保留保留保留保留保留保留保留撤去撤去撤去撤去保留保留保留保留本讲稿第二十五页，共三十八页QF3SRRF2SQRF1SQRF0SQ&d3&d2&d1&d0读出读出“与门与门”&111d3d0E读出控制端读出控制端U1UA电压电压比较器比较器逐
21、次逼近逐次逼近寄存器寄存器控制逻辑门控制逻辑门时钟脉冲时钟脉冲五位顺序脉冲发生器五位顺序脉冲发生器四位逐次逼近型模四位逐次逼近型模-数转换器的原理电路数转换器的原理电路四位四位D/A转换器转换器CQ4Q3Q2Q1Q0d2d1本讲稿第二十六页，共三十八页1.1.转换原理转换原理转换原理转换原理(待转换的模拟电压待转换的模拟电压)UI 数码寄存器数码寄存器数码寄存器数码寄存器 顺序脉冲发生器顺序脉冲发生器顺序脉冲发生器顺序脉冲发生器D/AD/AD/AD/A转换器转换器转换器转换器u0控控制制逻逻辑辑时钟时钟清清清清0 0 0 0、置数、置数、置数、置数清清清清0 0 0 0、置数、置数、置数、置数
22、CP(CP(CP(CP(移位命令移位命令移位命令移位命令)“1 1 1 1”状态是否保状态是否保状态是否保状态是否保留留留留控制端控制端控制端控制端UA试探电压试探电压放哪一放哪一放哪一放哪一个砝码个砝码个砝码个砝码砝码是砝码是砝码是砝码是否保存否保存否保存否保存本讲稿第二十七页，共三十八页2.转换过程转换过程转换过程转换过程2 23 34 4 1 11 0 0 0U UA A U UI6V UA A U UI I5VU UA U UI I“1”“1”留否留否留否留否d3 d2 d1 d0UA(V)顺顺顺顺 序序序序比比比比 较较较较 判判判判 断断断断1 1 0 01 0 1 01 0 1
23、1 例：例：例：例：U UR R=8V=8V，U UI I=5.52V=5.52VD/A转换器输出转换器输出UA为正值为正值本讲稿第二十八页，共三十八页转换数字量转换数字量1011 4+1+0.5=5.5V转换误差为转换误差为转换误差为转换误差为 0.02V 0.02V例：例：U UR R=8V=8V，U UI I=5.52V=5.52V若输出为若输出为 8位数字量位数字量转换数字量转换数字量转换数字量转换数字量1011000110110001 4+1+0.5+0.03125=5.53125V4+1+0.5+0.03125=5.53125V转换误差为转换误差为转换误差为转换误差为+0.0112
24、5V+0.01125V位数越多误差越小位数越多误差越小位数越多误差越小位数越多误差越小本讲稿第二十九页，共三十八页逐次逼近转换过程示意图逐次逼近转换过程示意图逐次逼近转换过程示意图逐次逼近转换过程示意图t0t1t310001100101010001011t2U UA A U UI IU UA A U UI I(转换误差转换误差转换误差转换误差:0.02V):0.02V)本讲稿第三十页，共三十八页FF1 FF2 FF3 FF4 FF5QA QB QC QD QECPuI(t)uOCOCOCO1 uI uO3位码位码D/AC电路电路补偿电压补偿电压=（1/2）LSB=0.5V逐次比较型逐次比较型A
25、/DA/D转换器转换器10004V3.5V4.9V0 模数为模数为5的的环型计数器。环型计数器。例：例：uI(t)=4.9V10000G3 G2 G1RdQ3 Q2 Q1G4G5G6D2D1D03位码位码D/AC电路电路000本讲稿第三十一页，共三十八页FF1 FF2 FF3 FF4 FF5QA QB QC QD QECPuI(t)uOCOCOCO1 uI uO3位码位码D/AC电路电路补偿电压补偿电压=（1/2）LSB=0.5VG3 G2 G1RdQ3 Q2 Q1G4G5G6D2D1D04.9V6V5.5V0逐次比较型逐次比较型A/DA/D转换器转换器 第二个第二个时钟脉冲到时钟脉冲到来时。
26、来时。0100010001101 第三个第三个时钟脉冲到时钟脉冲到来时。来时。001001010 第五个第五个时钟脉冲到时钟脉冲到来时。来时。000011015V4.5VG4、G5、G6门开，门开，Q3、Q2、Q1数据传数据传出。出。本讲稿第三十二页，共三十八页转转换换开开始始前前先先将将所所有有寄寄存存器器清清零零。开开始始转转换换以以后后，时时钟钟脉脉冲冲首首先先将将寄寄存存器器最最高高位位置置成成1，使使输输出出数数字字为为1000。这这个个数数码码被被D/A转转换换器器转转换换成成相相应应的的模模拟拟电电压压uo，送送到到比比较较器器中中与与ui进进行行比比较较。若若u0ui，说说明明
27、数数字字过过大大了了，故故将将最最高高位位的的1清清除除；若若uoui，说说明明数数字字还还不不够够大大，应应将将这这一一位位保保留留。然然后后，再再按按同同样样的的方方式式将将次次高高位位置置成成1，并并且且经经过过比比较较以以后后确确定定这这个个1是是否否应应该该保保留留。这这样样逐逐位位比比较较下下去去，一一直直到到最最低低位位为为止止。比比较较完完毕毕后后，寄寄存存器器中中的的状状态态就就是是所所要要求求的的数数字量输出。字量输出。原原原原理理理理框框框框图图图图基基基基本本本本原原原原理理理理本讲稿第三十三页，共三十八页3 3位逐次逼近型位逐次逼近型位逐次逼近型位逐次逼近型A/DA/
28、D转换器转换器转换器转换器本讲稿第三十四页，共三十八页转转换换开开始始前前，先先使使Q1=Q2=Q3=Q4=0，Q5=1，第第一一个个CP到到来来后后，Q1=1，Q2=Q3=Q4=Q5=0，于于是是FFA被被置置1，FFB和和FFC被被置置0。这这时时加加到到D/A转转换换器器输输入入端端的的代代码码为为100，并并在在D/A转转换换器器的的输输出出端端得得到到相相应应的的模模拟拟电电压压输输出出uo。uo和和ui在在比比较较器器中中比比较较，当当若若uiuo时时，比较器输出比较器输出uc=1；当；当uiuo时，时，uc=0。第第 二二 个个CP到到 来来 后后，环环 形形 计计 数数 器器
29、右右 移移 一一 位位，变变 成成Q2=1，Q1=Q3=Q4=Q5=0，这这时时门门G1打打开开，若若原原来来uc=1，则则FFA被被置置0，若若原原来来uc=0，则，则FFA的的1状态保留。与此同时，状态保留。与此同时，Q2的高电平将的高电平将FFB置置1。第第三三个个CP到到来来后后，环环形形计计数数器器又又右右移移一一位位，一一方方面面将将FFC置置1，同同时时将将门门G2打打开开，并并根根据据比比较较器器的的输输出出决决定定FFB的的1状状态态是是否否应应该该保保留。留。第第四四个个CP到到来来后后，环环形形计计数数器器Q4=1，Q1=Q2=Q3=Q5=0，门门G3打打开开，根据比较器
30、的输出决定根据比较器的输出决定FFC的的1状态是否应该保留。状态是否应该保留。第第五五个个CP到到来来后后，环环形形计计数数器器Q5=1，Q1=Q2=Q3=Q4=0，FFA、FFB、FFC的状态作为转换结果，通过门的状态作为转换结果，通过门G6、G7、G8送出。送出。工作原理工作原理工作原理工作原理本讲稿第三十五页，共三十八页10.2.2 A/D 变换器的主要技术指标变换器的主要技术指标1.分辨率分辨率 以输出二进制数的位数表示分辨率。以输出二进制数的位数表示分辨率。位数越多，误差越小，转换精度越高。位数越多，误差越小，转换精度越高。2.转换速度转换速度 完成一次完成一次A/DA/D转换所需要
31、的时间，即从它转换所需要的时间，即从它 接到转换控制信号起，到输出端得到稳定接到转换控制信号起，到输出端得到稳定 的数字量输出所需要的时间。的数字量输出所需要的时间。3.相对精度相对精度 实际转换值和理想特性之间的最大偏差。实际转换值和理想特性之间的最大偏差。4.4.其它其它 功率、电源电压、电压范围等。功率、电源电压、电压范围等。本讲稿第三十六页，共三十八页 ADC0809八位八位八位八位A/DA/D转换器转换器转换器转换器GNDGNDC CB B A A8 通通 道道 模模 拟拟 开开 关关 比较器比较器逻辑控制逻辑控制逐次逼近逐次逼近 寄存器寄存器 D/A转换器转换器地址锁存地址锁存 译
32、译 码码 器器三三态态输输出出锁锁存存器器U UDDDDU UR R(+)(+)U UR R(-)(-)D D7 7D D0 0D D6 6D D5 5D D4 4D D3 3D D2 2D D1 1ININ7 7ININ6 6ININ5 5ININ4 4ININ3 3ININ2 2ININ1 1ININ0 0 ALEALEEOCEOCSTARTSTARTCLOCKCLOCKEOUTEOUT本讲稿第三十七页，共三十八页ADC 0809管脚分布图管脚分布图管脚分布图管脚分布图U UR R(-)(-)B BD D4 4D D0 0D D2 2D D7 7D D6 6D D5 51 12 23 34 45 56 67 78 89 91010191918181717161615151414131312121111202025252424232322222121262627272828ININ2 2ININ1 1ININ0 0 GNDGNDD D1 1 ALE ALEEOCEOC START STARTCLOCKCLOCKD D3 3 IN IN3 3 IN IN4 4 IN IN5 5 IN IN6 6 IN IN7 7EOUTEOUTA AC CU UR R(+)(+)U UDDDD本讲稿第三十八页，共三十八页