第八章數(shù)模與模數(shù)變換器

第八章數(shù)模與模數(shù)變換器第一頁，共四十二頁，2022年，8月28日數(shù)/模與模/數(shù)變換器是計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備的重要接口,也是數(shù)字測(cè)量和數(shù)字控制系統(tǒng)的重要部件。數(shù)/模變換器：能將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的裝置，簡(jiǎn)稱D/A變換器。下面，對(duì)這兩種器件的工作原理及其簡(jiǎn)單應(yīng)用做一些介紹?！欤?1概述模/數(shù)變換器：能將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的裝置，簡(jiǎn)稱A/D變換器。第二頁，共四十二頁，2022年，8月28日§８.2D/A變換器D/A變換器的基本思想：由于構(gòu)成數(shù)字代碼的每一位都有一定的“權(quán)”，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“權(quán)”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。D/A變換器的電路形式很多，下面只介紹三種。第三頁，共四十二頁，2022年，8月28日８.2.1權(quán)電阻D/A變換器變換器組成：“電子模擬開關(guān)”、“權(quán)電阻求和網(wǎng)絡(luò)”、“運(yùn)算放大器”和“基準(zhǔn)電源”等部分。++-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RF=5kD3D2D1D00011UREFR=80

k第四頁，共四十二頁，2022年，8月28日電子模擬開關(guān)(S0~S3)：是受二進(jìn)制數(shù)D0~D3控制并由電子器件構(gòu)成的開關(guān)。當(dāng)DK

＝1時(shí)，則開關(guān)SK接到位置1上，將基準(zhǔn)電源UREF經(jīng)電阻Rk引起的電流接到運(yùn)算放大器的虛地點(diǎn)；當(dāng)Dk＝0時(shí)，開關(guān)Sk

接到位置0，將相應(yīng)電流直接接地而不進(jìn)運(yùn)放。++-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RF=5kD3D2D1D00011UREFR=80

k第五頁，共四十二頁，2022年，8月28日模擬電子開關(guān)的簡(jiǎn)化原理電路當(dāng)D=1時(shí)，T2管飽和導(dǎo)通，T1管截止，則S與a點(diǎn)通；當(dāng)D=0時(shí)，T1管飽和導(dǎo)通，T2管截止，則S被接地。前者相當(dāng)于開關(guān)S接到“1”端，后者則相當(dāng)于開關(guān)S接到“0”端。T1T2SDa第六頁，共四十二頁，2022年，8月28日根據(jù)反相比例運(yùn)算公式可得：++-AuoS1S0RR/2R1R0RF=5kD3D2D1D011UREFR=80

k第七頁，共四十二頁，2022年，8月28日第八頁，共四十二頁，2022年，8月28日根據(jù)反相比例運(yùn)算公式可得：顯然，輸出模擬電壓的大小直接與輸入二進(jìn)制數(shù)的大小成正比，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。++-AuoS2S3S1S0RR/2R/4R/8R3R2R1R0RF=5kD3D2D1D00011UREFR=80

k第九頁，共四十二頁，2022年，8月28日８.2.2倒T形解碼網(wǎng)絡(luò)D/A變換器由于解碼網(wǎng)絡(luò)的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)匹配，使得上圖中D、C、B、A四點(diǎn)的電位逐位減半，輸入數(shù)字量和輸出模擬電壓uo

之間的關(guān)系:uo++-AS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0RFD3D2D1D00011

UREF2RRRRI3I2I1I0IABCD第十頁，共四十二頁，2022年，8月28日UD

=UREFUC=UREF/2UB=UREF/4UA=UREF/8即：因此，每個(gè)2R支路中的電流也逐位減半。uo++-AS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0RFD3D2D1D00011

UREF2RRRRI3I2I1I0IABCD第十一頁，共四十二頁，2022年，8月28日uo++-AS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0RFD3D2D1D00011

UREF2RRRRI3I2I1I0IABCD第十二頁，共四十二頁，2022年，8月28日++-ARF

UREF2RD3D2D1D0S3RS2S1S02R2R2R2R11I0I2RRRI1I2I3秦曾煌書上畫的倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器，工作原理與前圖同。第十三頁，共四十二頁，2022年，8月28日８.2.3T形解碼網(wǎng)絡(luò)D/A變換器(以4位為例)S2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0++-ARFD3D2D1D00011

UREF2RRRR2R因電流建立時(shí)間較長(zhǎng)，這種結(jié)構(gòu)已少采用。第十四頁，共四十二頁，2022年，8月28日D/A變換器的主要技術(shù)指標(biāo)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)來表示分辨率。一、分辨率二、線性度通常用非線性誤差的大小表示D/A變換器的線性度。把偏離理想的輸入－輸出特性的偏差與滿刻度輸出之比的百分?jǐn)?shù)定義為非線性誤差。三、輸出電壓(電流)的建立時(shí)間第十五頁，共四十二頁，2022年，8月28日８.2.4集成電路D/A變換器DAC0832及其應(yīng)用D/A變換器集成電路有多種型號(hào)。下面僅以DAC0832為例來介紹集成電路D/A變換器。DAC0832：是八位的D/A變換器，即在對(duì)其輸入八位數(shù)字量后，通過外接的運(yùn)算放大器，可以獲得相應(yīng)的模擬電壓值。第十六頁，共四十二頁，2022年，8月28日DAC0832簡(jiǎn)化電路框圖八位寄存器(1)輸入八位寄存器(2)輸入八位變換器－＋＋URRfbIout1Iout2AGNDUCCuoDGND&ILECSWR1WR2XFERD/AD7D0......11第十七頁，共四十二頁，2022年，8月28日DAC0832管腳分布圖CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCURRfbDGNDLCEXFERIout1Iout21234567891019181716151413121120第十八頁，共四十二頁，2022年，8月28日例1：?jiǎn)尾捷斎氩僮?----適用于單個(gè)DAC工作ILEWR2WR1CSXFERRfbD0D7Iout2Iout1-++...1(a)D7~D0CSWR1數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)鎖定(b)第十九頁，共四十二頁，2022年，8月28日§８.3A/D變換器A/D變換器的功能：將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。它是模擬信號(hào)和數(shù)字儀器的接口。下面介紹兩種A/D變換電路的原理和一種常用的集成電路組件。最后舉例說明其應(yīng)用。根據(jù)其性能不同，A/D變換器的類型也比較多。第二十頁，共四十二頁，2022年，8月28日８.3.1并聯(lián)比較型-++-++-++-++-++-++-++uxERRRRRRRRD2D1D0數(shù)字輸出AGFECDB編碼器7E/86E/85E/84E/83E/82E/8E/8電路如左圖所示。這種A/D變換器的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快；缺點(diǎn)是所需比較器數(shù)目多，位數(shù)越多矛盾越突出。它由三部分組成:

分壓器、比較器和編碼器。E---參考電壓，ux---要轉(zhuǎn)換的模擬電壓第二十一頁，共四十二頁，2022年，8月28日比較器輸入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

>0ABCDEFGD2D0D1編碼器輸出輸入電壓ux11111111111111110000111110000000000000000000000000000000001111111111111111111000邏輯狀態(tài)關(guān)系表第二十二頁，共四十二頁，2022年，8月28日８.3.2逐次逼近型A/D1.工作原理：可用天平秤重過程作比喻來說明。若有四個(gè)砝碼共重15克，每個(gè)重量分別為8、4、2、1克。設(shè)待秤重量Wx=13克，可以用下表步驟來秤量：砝碼重第一次第二次第三次第四次加4克加2克加1克8克砝碼總重<待測(cè)重量Wx，故保留砝碼總重仍<待測(cè)重量Wx，故保留砝碼總重>待測(cè)重量Wx，故撤除砝碼總重＝待測(cè)重量Wx，故保留暫時(shí)結(jié)果8克12克12克13克

結(jié)論第二十三頁，共四十二頁，2022年，8月28日++-++-11控制邏輯時(shí)鐘CP電阻網(wǎng)絡(luò)及電子開關(guān)數(shù)據(jù)寄存器移位寄存器八位三態(tài)輸出鎖存器Uin(+)Uin(-)UccUR/2AGND......D7D0WRCSINTRRDCSADC0804內(nèi)部電路框圖2.逐次逼近型電路框圖第二十四頁，共四十二頁，2022年，8月28日８.3.3積分型A/D邏輯控制電路標(biāo)準(zhǔn)脈沖發(fā)生器主控門計(jì)數(shù)器2134第二十五頁，共四十二頁，2022年，8月28日Tt1t2utUi1Ui2t=標(biāo)準(zhǔn)脈沖周期×脈沖個(gè)數(shù)T固定不變斜率固定不變積分型A/D的工作原理第二十六頁，共四十二頁，2022年，8月28日８.3.4壓頻變換型A/D-UREFSCUOUCUO=“0”,S打開UO=“1”,S閉合第二十七頁，共四十二頁，2022年，8月28日-UREF0ttuCucT原理圖上開關(guān)合上是沒有電阻的,而實(shí)際電路放電總是要時(shí)間的.想象一下時(shí)間軸的單位是ns就可理解了。第二十八頁，共四十二頁，2022年，8月28日８.3.5A/D變換器的主要技術(shù)指標(biāo)

一、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。二、轉(zhuǎn)換速度：完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時(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)字量輸出所需要的時(shí)間。三、相對(duì)精度：實(shí)際轉(zhuǎn)換值和理想特性之間的最大偏差。四、其它：功率、電源電壓、電壓范圍等。第二十九頁，共四十二頁，2022年，8月28日８.3.6ADC0804及其應(yīng)用ADC0804：

是分辨率為八位的模數(shù)轉(zhuǎn)換組件,采用逐次逼近型工作原理。A/D變換組件也有多種型號(hào)可供選擇，如：高速的，高分辨率的，高速且高精度的等等。使用者可根據(jù)任務(wù)要求進(jìn)行選擇。下面以ADC0804為例，介紹集成電路A/D變換器。第三十頁，共四十二頁，2022年，8月28日CSWRAGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUR/2DGND1234567891019181716151413121120RDCLKRCLKinINTRUin(+)Uin(-)ADC0804管腳分布圖第三十一頁，共四十二頁，2022年，8月28日~~轉(zhuǎn)換時(shí)間約100微秒~~~~~~~~~~CSWRINTRRD數(shù)據(jù)讀出ADC0804工作時(shí)序圖第三十二頁，共四十二頁，2022年，8月28日控制端CSWRRDINTR對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行A/D變換在WR

上升沿后約100微秒變換完成。RD=0

時(shí)三態(tài)門接通外部總線,RD=1

時(shí)三態(tài)門處于高阻態(tài)。讀出輸出數(shù)字信號(hào)中斷請(qǐng)求功能說明00當(dāng)A/D變換結(jié)束時(shí)，INTR自動(dòng)變低以便通知其它設(shè)備(如計(jì)算機(jī))取結(jié)果，在RD

前沿后INTR自動(dòng)變高。第三十三頁，共四十二頁，2022年，8月28日A/D變換類型的比較:1.并聯(lián)型:快轉(zhuǎn)換速度與位數(shù)無關(guān),但所用元器件多,功耗大2.逐次比較型:中速

位數(shù)越多速度越慢3.雙積分型:慢

但精度高,抗干擾能力強(qiáng)同一電路做正反兩次積分,消除了電路的線性誤差,并且輸入信號(hào)中的瞬時(shí)干擾和高頻噪聲因積分而被抑制第三十四頁，共四十二頁，2022年，8月28日4.壓頻轉(zhuǎn)換型:這種方式的取樣電壓值是取樣時(shí)間內(nèi)的平均值,這樣就可以消除掉輸入信號(hào)所帶周期為T/n(n=1,2,3..)對(duì)稱干擾。所以抗干擾能力比較強(qiáng)。第三十五頁，共四十二頁，2022年，8月28日有關(guān)A/D變換的一些基本概念1.香農(nóng)定理(采樣定理)又稱為奈奎斯特準(zhǔn)則fs--采樣頻率(sample)fmax--模擬信號(hào)的頻譜中最高次諧波的頻率-第三十六頁，共四十二頁，2022年，8月28日2.保持(Hold)由于將一個(gè)采樣值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出需要時(shí)間,所以要將采到的值保持一定的時(shí)間,以便能完成轉(zhuǎn)換一般保持到下一個(gè)采樣