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1、第15章模拟量和数字量的转换1第1页，本讲稿共16页第第15章章 数数/模与模模与模/数变换器数变换器15.1 数模数模(D/A)转换器转换器15.2 模数模数(A/D)转换器转换器2第2页，本讲稿共16页 数数/模（模（D/A）与模）与模/数（数（A/D）转换器是）转换器是计算机与外部设备的重要接口计算机与外部设备的重要接口,也是数字测量也是数字测量和数字控制系统的重要部件。和数字控制系统的重要部件。能将数字量转换为模拟量的装置称能将数字量转换为模拟量的装置称为数为数/模变换器模变换器(简称简称D/A变换器变换器);能将能将模拟量转换为数字量的装置称为模模拟量转换为数字量的装置称为模/数变数
2、变换器换器(简称简称A/D变换器变换器)。下面，对这两个器件的工作原理及下面，对这两个器件的工作原理及 其简其简单应用做一些介绍是十分必要的。单应用做一些介绍是十分必要的。3第3页，本讲稿共16页15.1 数模数模(D/A)转换器转换器 由于构成数字代码的每一位都有由于构成数字代码的每一位都有一定的一定的“权权”，因此为了将数字量转换，因此为了将数字量转换成模拟量，就必须将每一位代码按其成模拟量，就必须将每一位代码按其“权权”转换成相应的模拟量，然后再将代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，量成正比的模拟量，这就是
3、构成这就是构成D/A变变换器的基本思想换器的基本思想。D/A变换器的电路形式很多，这里只介变换器的电路形式很多，这里只介绍两种。绍两种。4第4页，本讲稿共16页15.1.1 权电阻权电阻D/A变换器变换器 这种变换器由这种变换器由“电子模拟开关电子模拟开关”、“权电阻求和网络权电阻求和网络”、“运算放大器运算放大器”和和“基准电源基准电源”等部分组成。等部分组成。+-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RFD3D2D1D00011 UR5 kR=80 k5第5页，本讲稿共16页 电子模拟开关电子模拟开关(S0 S3 )是受二进制数是受二进制数D0 D3 控制并控制并由电子
4、器件构成的开关。当由电子器件构成的开关。当 Di 1 时，则开关时，则开关Si 接到接到位置位置1上，将基准电源上，将基准电源UR经电阻经电阻 Ri 引起的电流接到运算引起的电流接到运算放大器的虚地点；当放大器的虚地点；当 Di 0 时，开关时，开关 Si 接到位置接到位置0 ，将，将相应电流直接接地而不进运放。相应电流直接接地而不进运放。+-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RFD3D2D1D00011 UR5 kR=80 k00116第6页，本讲稿共16页T1T2SDa模拟电子开关的模拟电子开关的简化原理电路简化原理电路 当当 D=1 时，时，T2 管饱和管饱和导通
5、，导通，T1 管截止，则管截止，则 S 与与 a 点通点通；当当 D=0 时，时，T1 管饱和管饱和导通，导通，T2 管截止，则管截止，则 S 被被接地接地。前者相当于开关前者相当于开关S 接接到到“1”端端，后者则，后者则 相相当于开关当于开关S 接到接到“0”端端。7第7页，本讲稿共16页根据反相比例运算公式可得：根据反相比例运算公式可得：显然，输出模拟电压的大小直接与输入显然，输出模拟电压的大小直接与输入 二二进制数的大小成正比，从而实现了数字量进制数的大小成正比，从而实现了数字量 到模到模拟量的转换拟量的转换。+-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RFD3D2D
6、1D00011 UR5 kR=80 kUo =URRFR（）D3D0D1D2232021228第8页，本讲稿共16页15.1.2 T形解码网络形解码网络D/A变换器变换器(以以4位为例位为例)+-AuoS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0RFD3D2D1D00011 US2RRRRI3I2I1I0IABCD 由于解码网络的电路结构和参数匹配，使得上图由于解码网络的电路结构和参数匹配，使得上图中中D、C、B、A四点的电位逐位减半，四点的电位逐位减半，下面分析输入数字量和输出模拟电压下面分析输入数字量和输出模拟电压 uo 之间的之间的关系关系:9第9页，本讲稿共16页UD =USUc
7、=US/2UB =US/4UA =US/8即：即：因此，每个因此，每个 2R支路中的电支路中的电流也逐位减半。流也逐位减半。+-AuoS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0RFD3D2D1D00011 US2RRRRI3I2I1I0IABCD10第10页，本讲稿共16页I=I3 +I2 +I1 +I0US2R=D3US16RD0US8RD1US4RD2+=US16R(8D3 +4D2 +2D1 +1D0)=US RF16R(8D3 +4D2 +2D1 +1D0)uo-+-AuoS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0RFD3D2D1D00011 US2RRRRI3I2I1I0
8、IABCD11第11页，本讲稿共16页15.2 模数模数(A/D)转换器转换器 A/D变换器的任务是将模拟变换器的任务是将模拟量转换成数字量量转换成数字量,它是模拟信号它是模拟信号和数字仪器的接口。根据其性和数字仪器的接口。根据其性能不同，类型也比较多。能不同，类型也比较多。下面介绍两种下面介绍两种A/D变换电路的变换电路的原理和一种常用的集成电路组件。原理和一种常用的集成电路组件。最后举例说明其应用。最后举例说明其应用。12第12页，本讲稿共16页 15.2.1 并联比较型并联比较型-+-+-+-+-+-+-+uxUsRRRRRRRRD2D1D0数字输出数字输出AGFECDB编编码码器器7E
9、/86E/85E/84E/83E/82E/8E/8 电路如左图电路如左图所示。它由三所示。它由三部分组成部分组成:分压分压器器、比较器比较器和和编编码器码器。这种这种A/D 变变换器的优点是转换器的优点是转换速度快，缺点换速度快，缺点 是所需比较器数是所需比较器数目多，位数越多目多，位数越多矛盾越突出。矛盾越突出。13第13页，本讲稿共16页比较器输入比较器输入E ux 7E/87E/8 ux 6E/86E/8 ux 5E/85E/8 ux 4E/84E/8 ux 3E/83E/8 ux 2E/82E/8 ux 1E/81E/8 ux 0A B C D E F G D2D0D1编码器输出编码器
10、输出输入电压输入电压ux1 1 1 1 1 1 11111 1 1 1 1 1 0000111110 0 0 0 0 0 00000000 0 0 0 0 0000 0 00000 0 000 01111111111111111111000逻辑状态关系表逻辑状态关系表14第14页，本讲稿共16页 15.2.2 逐次逼近型逐次逼近型 其工作原理可用天平秤重过程作比其工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明。若有四个砝码共重喻来说明。若有四个砝码共重15克，每克，每个重量分别为个重量分别为8、4、2、1克。设待秤重克。设待秤重量量Wx=13克，可以用下表步骤来秤量：克，可以用下表步骤来秤量：砝码重砝码
11、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15第15页，本讲稿共16页10001000D /Aux(待转换的模拟电压待转换的模拟电压)uouc控控制制逻逻辑辑数码寄存器数码寄存器移位寄存器移位寄存器时钟时钟清清 0、置数、置数清清 0、置数、置数CP、(移位命令移位命令)“1”状态是否保状态是否保留留控制端控制端16第16页，本讲稿共16页