模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換

1、模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換 第第1212章章第第12章章 模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換12.1 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器12.2 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器l了解權(quán)電流型了解權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器的基本結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)換器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和主要技術(shù)指標(biāo)。工作原理和主要技術(shù)指標(biāo)。l了解逐次逼近型了解逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的基本結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)換器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和主要技術(shù)指標(biāo)。工作原理和主要技術(shù)指標(biāo)。 學(xué)習(xí)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo) 數(shù)數(shù)/模與模模與模/數(shù)轉(zhuǎn)換器是計(jì)算機(jī)與外部設(shè)數(shù)轉(zhuǎn)換器是計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備的重要接口備的重要接口,也是數(shù)字測(cè)量和數(shù)字控制系統(tǒng)也是數(shù)字測(cè)量和數(shù)字控制系統(tǒng)的重要部件。的重要部件。D/A

2、 （數(shù)（數(shù)/模）轉(zhuǎn)換器：模）轉(zhuǎn)換器：能將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的裝置。能將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的裝置。A/D （模（模/數(shù)）轉(zhuǎn)換器：數(shù)）轉(zhuǎn)換器：能將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的裝置。能將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的裝置。概述概述D/A （數(shù)（數(shù)/模）轉(zhuǎn)換器：模）轉(zhuǎn)換器：(DAC)輸入：輸入：n位二進(jìn)制數(shù)位二進(jìn)制數(shù)N輸出：與輸入二進(jìn)制數(shù)輸出：與輸入二進(jìn)制數(shù)N成正比的模擬信號(hào)成正比的模擬信號(hào)（電壓或電流）（電壓或電流）A（N）2=d n-12 n-1 + d n-22 n-2 + + d 12 1 + d 02 0 A=KN=K（d n-12 n-1 + d n-22 n-2 + + d 12 1 + d 02 0 ）

3、由于構(gòu)成數(shù)字代碼的每一位都有一定的由于構(gòu)成數(shù)字代碼的每一位都有一定的“權(quán)權(quán)”，因此為，因此為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，就必須將每一位代碼按其了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，就必須將每一位代碼按其“權(quán)權(quán)”轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后再將代表各位的模擬轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后再將代表各位的模擬量相加即可得到與該數(shù)字量成正比的模擬量，這就是構(gòu)量相加即可得到與該數(shù)字量成正比的模擬量，這就是構(gòu)成成D/A變換器的基本思想。變換器的基本思想。12.1 D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器模擬電子開(kāi)關(guān)模擬電子開(kāi)關(guān)倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)運(yùn)放運(yùn)放倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)DACd0d1d2d3+-AuoRFIOIO1+URRS2S3S

4、1001RR2R2R2R2R2RS000111IR電路：電路：基準(zhǔn)電壓源基準(zhǔn)電壓源待轉(zhuǎn)換數(shù)字量待轉(zhuǎn)換數(shù)字量12.1.1 D/A轉(zhuǎn)換器的組成和工作原理轉(zhuǎn)換器的組成和工作原理1、D/A轉(zhuǎn)換器組成轉(zhuǎn)換器組成+-AuoRFIOIO1+URRS2S3S1001RR2R2R2R2R2RS000111IRd0d1d2d3di為為1 Si與運(yùn)放的反相輸入端連接與運(yùn)放的反相輸入端連接 uo = -IO1 RFdi為為0 Si與地連接與地連接IO1 =？與哪些量有關(guān)？與哪些量有關(guān)？2. D/A轉(zhuǎn)換器的原理轉(zhuǎn)換器的原理倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)倒梯形電阻網(wǎng)絡(luò)RI2I3I1RR2R2R2R2R2RI0+URIR00 11 22

5、33 RRRRIR = UR /RI3 = IR 21 =21URRI2 = IR 41 =22URRI1 = IR 81 =23URRI0 = IR 161 =24URRIO1IO1=d3I3+ d2I2+ d1I1+ d0I0+-AuoRFIOIO1+URRS2S3S1001RR2R2R2R2R2RS000111IRd0d1d2d3IO1=d3I3+ d2I2+ d1I1+ d0I0I1I2I3I0= （d323+ d2 22 + d1 21 + d0 20）24URRUO1=-IO1RF= （d323+ d2 22 + d1 21 + d0 20）24UR RFRUO1=-IO1RF=

6、（d323+ d2 22 + d1 21 + d0 20）24UR RFR若為若為n位二進(jìn)制數(shù)，則位二進(jìn)制數(shù)，則UO1= （dn-12n-1+ dn-2 2n-2 + + d0 20）2nUR RFR若若RF=R，則，則UO1= （dn-12n-1+ dn-2 2n-2 + + d0 20） 2nUR即輸出電壓的大小正比于輸入二進(jìn)制數(shù)即輸出電壓的大小正比于輸入二進(jìn)制數(shù)的大小，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字量和模擬量的轉(zhuǎn)換的大小，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字量和模擬量的轉(zhuǎn)換集成集成DAC集成集成DAC的種類(lèi)：的種類(lèi)：按電路結(jié)構(gòu)分：按電路結(jié)構(gòu)分：權(quán)電阻權(quán)電阻DAC、梯形、梯形DAC 、倒、倒T形形DAC等等按輸入二進(jìn)制數(shù)位數(shù)分：按輸入

7、二進(jìn)制數(shù)位數(shù)分：八位、十位八位、十位 、十二位、十六位等、十二位、十六位等例：例：AD7520：十位倒十位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC特點(diǎn)：特點(diǎn)：管腳排列及外接電路：管腳排列及外接電路：運(yùn)算放大器外接運(yùn)算放大器外接d0d1d2d3d4d9d8d7d6d5GND+UDD321511614正電源端正電源端接地端接地端413十位數(shù)字量輸入端十位數(shù)字量輸入端模擬電流模擬電流IO1輸出端輸出端模擬電流模擬電流IO2輸出端，輸出端，一般接地一般接地參考電壓接線(xiàn)端，參考電壓接線(xiàn)端，UR可正可負(fù)可正可負(fù)內(nèi)部電阻內(nèi)部電阻RF的引出的引出端，另一端在芯片端，另一端在芯片內(nèi)部接內(nèi)部接IO1端端 uo UR5G75

8、2012345678910111213141516指最小輸出電壓和最大輸出電壓之比。指最小輸出電壓和最大輸出電壓之比。 有時(shí)也用輸入數(shù)字量的有效位數(shù)來(lái)表示分辨率。有時(shí)也用輸入數(shù)字量的有效位數(shù)來(lái)表示分辨率。1、分辨率、分辨率 2、轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換精度指輸出模擬電壓的實(shí)際值與理想值之差。即最大靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。指輸出模擬電壓的實(shí)際值與理想值之差。即最大靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。如十位如十位DAC分辨率：分辨率：210-11=102313、輸出電壓、輸出電壓( 電流電流 )的建立時(shí)間的建立時(shí)間 從輸入數(shù)字信號(hào)起，到輸出模擬電壓或電流所需時(shí)間。從輸入數(shù)字信號(hào)起，到輸出模擬電壓或電流所需時(shí)間。12.1.2 D/A轉(zhuǎn)換器的

9、轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)主要技術(shù)指標(biāo) 4、電源抑制比、電源抑制比指輸出電壓的變化和相對(duì)應(yīng)的電源電壓變化之比。指輸出電壓的變化和相對(duì)應(yīng)的電源電壓變化之比。12.2 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的電路。模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的電路。A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器輸入：輸入：連續(xù)變化的模擬量連續(xù)變化的模擬量輸出：輸出：大小與輸入模擬量成正比的數(shù)字量大小與輸入模擬量成正比的數(shù)字量 其工作原理可用天平秤重過(guò)程作比喻來(lái)說(shuō)明。其工作原理可用天平秤重過(guò)程作比喻來(lái)說(shuō)明。若有四個(gè)砝碼共重若有四個(gè)砝碼共重15克，每個(gè)重量分別為克，每個(gè)重量分別為8、4、2、1克。設(shè)待秤重量克。設(shè)待秤重量Wx = 13克，可以用下表步克，可以

10、用下表步驟來(lái)秤量：驟來(lái)秤量：砝碼重砝碼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 克克砝碼總重砝碼總重 待測(cè)重量待測(cè)重量Wx ，故保留，故保留砝碼總重仍砝碼總重仍 待測(cè)重量待測(cè)重量Wx ，故撤除，故撤除砝碼總重砝碼總重 待測(cè)重量待測(cè)重量Wx ，故保留，故保留暫時(shí)結(jié)果暫時(shí)結(jié)果8 克克12 克克12 克克13 克克 結(jié)結(jié) 論論12.2.1 逐次逼近型逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器基本組成和工作原理轉(zhuǎn)換器基本組成和工作原理順序脈沖順序脈沖發(fā)生器發(fā)生器逐次逼近逐次逼近寄存器寄存器DAC電壓比電壓比較器較器輸出數(shù)字量輸出數(shù)字量輸入電壓量輸入電壓量順序脈沖發(fā)生器順序脈沖發(fā)生

11、器產(chǎn)生使電路按一定節(jié)拍工作的順序脈沖產(chǎn)生使電路按一定節(jié)拍工作的順序脈沖逐次逼近寄存器逐次逼近寄存器由雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構(gòu)成。先在順序脈沖的作用下，由雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器構(gòu)成。先在順序脈沖的作用下，由高到低依次將各位置由高到低依次將各位置“1”，再根據(jù)比較器的，再根據(jù)比較器的輸出決定該輸出決定該“1”的取舍。的取舍。數(shù)摸轉(zhuǎn)換器數(shù)摸轉(zhuǎn)換器 將逐次逼近寄存器輸出的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為模擬將逐次逼近寄存器輸出的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為模擬電壓量電壓量電壓比較器電壓比較器 將將DAC輸出的模擬電壓量與待轉(zhuǎn)換的模輸出的模擬電壓量與待轉(zhuǎn)換的模擬電壓量比較，以確定逐次逼近寄存器擬電壓量比較，以確定逐次逼近寄存器中該位的取舍中該位的取舍1.

12、 基本組成基本組成置數(shù)控制邏輯電路置數(shù)控制邏輯電路 逐次逼近寄存器逐次逼近寄存器 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 +-AUx數(shù)字量輸出數(shù)字量輸出Uod0d1dn-1原理圖原理圖設(shè)欲轉(zhuǎn)換量設(shè)欲轉(zhuǎn)換量UX1）給逐次逼近寄存器清零；）給逐次逼近寄存器清零；2）將逐次逼近寄存器最高位置）將逐次逼近寄存器最高位置“1”；即；即dn-1=1；3）DAC將逐次逼近寄存器輸出將逐次逼近寄存器輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量UO；4）當(dāng)）當(dāng)UO UX ，置數(shù)控制邏輯電路使該位，置數(shù)控制邏輯電路使該位“1”去掉；去掉； 5）將逐次逼近寄存器次高位置）將逐次逼近寄存器次高位置“1”；即；即dn-2=1；直至確定直至

13、確定d02.工作原理工作原理置數(shù)控制邏輯電路置數(shù)控制邏輯電路 逐次逼近寄存器逐次逼近寄存器 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 +-AUx數(shù)字量輸出數(shù)字量輸出Uod0d1dn-1例：四位逐次逼近例：四位逐次逼近DAC已知：已知：UX=5.52VDAC的的UR=8V試分析轉(zhuǎn)換過(guò)程。試分析轉(zhuǎn)換過(guò)程。1）清零：）清零： d3 d2 d1 d0=0000 2）將最高位置）將最高位置“1”；即；即d3 d2 d1 d0=1000 ；3）DAC將逐次逼近寄存器輸出的數(shù)字量將逐次逼近寄存器輸出的數(shù)字量1000轉(zhuǎn)換為模擬量轉(zhuǎn)換為模擬量UO；4）UO UX ，置數(shù)控制邏輯電路使，置數(shù)控制邏輯電路使d2=1去掉，使去掉，使d2=

14、0 ； UO=8/16（ 123+ 1 22 + 0 21 + 0 20 ）=6Vd3 d2 d1 d0=10008）將）將d1置置“1”；即；即d3 d2 d1 d0=1010 ；10）UO UX ，置數(shù)控制邏輯電路使，置數(shù)控制邏輯電路使d1=1保留；保留； UO=8/16（ 123+ 0 22 + 1 21 + 0 20 ）=5Vd3 d2 d1 d0=10109）DAC將逐次逼近寄存器輸出的數(shù)字量將逐次逼近寄存器輸出的數(shù)字量1010轉(zhuǎn)換為模擬量轉(zhuǎn)換為模擬量UO；11）將）將d0置置“1”；即；即d3 d2 d1 d0=1011；10）UO UX ，置數(shù)控制邏輯電路使，置數(shù)控制邏輯電路使d

15、0=1保留；保留； UO=8/16（ 123+ 0 22 + 1 21 + 1 20 ）=5.5Vd3 d2 d1 d0=101112）DAC將逐次逼近寄存器輸出的數(shù)字量將逐次逼近寄存器輸出的數(shù)字量1011轉(zhuǎn)換為模擬量轉(zhuǎn)換為模擬量UO；ADCUX=5.52Vd3 d2 d1 d0=1011轉(zhuǎn)換誤差轉(zhuǎn)換誤差=0.02V，輸出位數(shù)越多，誤差越小，輸出位數(shù)越多，誤差越小 2、相對(duì)精度：、相對(duì)精度： 以輸出二進(jìn)制代碼的位數(shù)表示分辨率。以輸出二進(jìn)制代碼的位數(shù)表示分辨率。位數(shù)越多，量化誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高。位數(shù)越多，量化誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高。完成一次完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。即從它接到轉(zhuǎn)換所需要

16、的時(shí)間。即從它接到轉(zhuǎn)換命令起直到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字量輸出轉(zhuǎn)換命令起直到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字量輸出所需要的時(shí)間所需要的時(shí)間實(shí)際轉(zhuǎn)換值和理想特性之間的最大偏差。實(shí)際轉(zhuǎn)換值和理想特性之間的最大偏差。1、分辨率：、分辨率：3、轉(zhuǎn)換速度：、轉(zhuǎn)換速度：4、其它：電源抑制、功率、電壓范圍等。、其它：電源抑制、功率、電壓范圍等。 12.2.2 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 的主要技術(shù)指標(biāo)的主要技術(shù)指標(biāo)ADC0809 是八通道八位逐次逼近型模數(shù)是八通道八位逐次逼近型模數(shù) 轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。 A/D變換組件也有多種型號(hào)可供選擇，變換組件也有多種型號(hào)可供選擇，使用者可根據(jù)任務(wù)要求進(jìn)行選擇。下面以使用者可根據(jù)任務(wù)要求進(jìn)行選擇。

17、下面以 ADC0809 為例為例 ，介紹集成電路，介紹集成電路A/D變換器。變換器。集成集成ADCADC0809 是是28腳雙列直插式模數(shù)轉(zhuǎn)換器腳雙列直插式模數(shù)轉(zhuǎn)換器八通道模擬量輸入八通道模擬量輸入結(jié)構(gòu)框圖結(jié)構(gòu)框圖8選選1 模擬量模擬量選擇器選擇器8位逐次位逐次逼近逼近ADC三態(tài)輸三態(tài)輸出鎖存出鎖存器器地址地址鎖存器鎖存器IN0IN7D0D7ABCALESTARTUR（-）UR（+）OECLOCKEOC8選選1模擬選擇器的地址選擇輸入端模擬選擇器的地址選擇輸入端八位數(shù)字量輸出八位數(shù)字量輸出地址鎖存信號(hào)輸入端地址鎖存信號(hào)輸入端 高電平有效高電平有效輸出允許端輸出允許端高電平有效高電平有效啟動(dòng)信號(hào)

18、輸入端啟動(dòng)信號(hào)輸入端啟動(dòng)脈沖下降沿啟動(dòng)脈沖下降沿開(kāi)始轉(zhuǎn)換開(kāi)始轉(zhuǎn)換外部時(shí)鐘脈沖輸入端外部時(shí)鐘脈沖輸入端轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)端轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)端 高電平有效高電平有效正負(fù)參考電壓輸入正負(fù)參考電壓輸入端該電壓確定模擬端該電壓確定模擬量的輸入電壓范圍量的輸入電壓范圍管管腳腳功功能能D5D4D6UCCUR（+）OE1234567891014131211191817161520CLKSTARTUR(-)2122232425262728D1D2D7D3D0ALECBAIN0IN1IN2IN5IN4IN3IN7IN6EOCGNDADC0809選中通道與選中通道與地址碼關(guān)系地址碼關(guān)系選中選中通道通道地址碼地址碼C B AIN0IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN70 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1本章要點(diǎn)本章要點(diǎn) 一、一、T型電阻網(wǎng)絡(luò)型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器基本結(jié)構(gòu)和工作原理轉(zhuǎn)換器基本結(jié)構(gòu)和工作原理 +-AuoRFIOIO1+UR