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1、课题5数-模和模-数转换电路,实训5. 1数字电压表电路的设计,实训5. 1数字电压表电路的设计,5.1.1数-模转换电路 能够实现D/A转换的电路常见的有三种:权电阻网络型、倒T形电阻网络型和权电流型。由于权电阻网络的电阻相差很大，在集成电路中很难保证大范围电阻的精度，实际权电阻网络型的D/A转换的电路极少应用。,下一页,返回,实训5. 1数字电压表电路的设计,5. 1. 1. 1 D/A转换器的基本原理 数字量是用代码按数位组合起来表示的，对于有权码，每位代码都有一定的权。为了将数字量转换成模拟量，必须将每位的代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比
2、的总模拟量，从而实现了数字一模拟转换 图5一2所示是D/A转换器的输入、输出关系框图，D0一Dn-1是输入的n位二进制数，V0是与输入二进制数成比例的输出电压。 图5一3所示是一个输入为三位二进制数时D/ A转换器的转换特性，它形象地反映了D/A转换器的基本功能。 5.1.1.2倒T形电阻网络D/A转换器 四位倒T形电阻网络D/A转换器的原理图如图5一4所示,下一页,上一页,返回,实训5. 1数字电压表电路的设计,5. 1. 1. 3 D/A转换器的主要技术指标 1.转换精度 D/A车令换器的转换精度通常用分辨率和转换误差来描述。 1)分辨率 分辨率指D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数
3、。 2)车令换误差 转换误差的来源很多，如转换器中各元件参数值的误差，基准电源不够稳定和运算放大器的零漂的影响等。 2.转换速度 1)建立时间(tset) 建立时间指输入数字量变化时，输出电压变化到相应稳定电压值所需时间。,下一页,上一页,返回,实训5. 1数字电压表电路的设计,2)转换速率(SR) 转换速率指大信号工作状态下模拟电压的变化率 3.温度系数 温度系数指在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化而变化产生的变化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高1 ,输出电压变化的百分数作为温度系数。 5.1.1.4常用的D/A转换器 集成DAC通常只将倒T形电阻网络(或权电流型网络)、模拟电子
4、开关等集成到一块芯片上，较多集成DAC芯片不包含运算放大器。构成DAC电路是还要外接运算放大器以及电阻。,下一页,上一页,返回,实训5. 1数字电压表电路的设计,DAC7520是一种不含寄存器、基准电源和运算放大器、采用CMOS工艺、10位倒T形电阻网络D/A转换器集成芯片，电路结构如图5一5所示，引脚排列如图5一6所示。 其特点有以下几点： 采用CMOS电子开关 与TTL电平兼容 电源电压范围:+515V 采用R一2R电阻网络 低功耗，200 mW 转换时间约500 ns,下一页,上一页,返回,实训5. 1数字电压表电路的设计,5. 1 .2模一数转换电路 5. 1 .2. 1A/D转换的一
5、般步骤和采样定理 在A/ D转换器中，输入的模拟信号在时间上是连续量，而输出的数字信号是离散量，在进行A/ D转换时必须对输入的模拟信号采样，然后再把这些采样值转换为输出的数字量。一般的A/ D转换过程是通过采样、保持、量化和编码这四个步骤完成的，如图5一8所示为基本的模拟量到数字量的转换过程。 1.采样定理 采样定理是采样脉冲频率大于或等于输人模拟信号频谱中最高频率的两倍。用图5一9中所示的采样信号VS表示输人模拟信号VI，必须满足,下一页,上一页,返回,实训5. 1数字电压表电路的设计,2.采样一保持电路 最简单的采样一保持电路组成如图5-11所示。 3.量化和编码 数字信号不仅在时间上是
6、离散的，而且在幅值上的变化也不是连续的。这就是说，任何一个数字量的大小，都是以某个最小数量单位的整倍数来表示的。因此，在用数字量表示采样电压时，也必须把它化成这个最小数量单位的整倍数，这个转化过程就叫做量化。所规定的最小数量单位叫做量化单位，用表示把量化的数值用二进制代码表示，称为编码。这个二进制代码就是A/D转换的输出信号。,下一页,上一页,返回,实训5. 1数字电压表电路的设计,5.1.2.2常用的A/D转换技术 1.并行比较型A/D转换器 三位并行比较型A/D转换原理电路如图5一12所示，它由电压比较器、寄存器和代码转换器三部分组成。 并行A/D转换器具有如下特点。 转换是并行的，其转换
7、时间只受比较器、触发器和编码电路延迟时间限制，因此转换速度最快(ns级) 随着分辨率的提高，元件数目要按几何级数增加。 使用这种含有寄存器的并行A/ D转换电路时，可以不用附加采样一保持电路，因为比较器和寄存器这两部分也兼有采样一保持功能。这也是该电路的一个优点。,下一页,上一页,返回,实训5. 1数字电压表电路的设计,2.逐次比较型A/ D转换器 逐次比较型A/D转换器，就是将输人模拟信号与不同的参考电压做多次比较，使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输人模拟量的对应值。 逐次逼近式ADC的转换电路原理，如图5 -13所示。由比较器、D/ A转换器、寄存器、时钟脉冲源和控制逻辑(环形计数器)五
8、个部分组成。,下一页,上一页,返回,实训5. 1数字电压表电路的设计,3.双积分型A/ D转换器 双积分型A/ D转换器是一种间接A/D转换器。它的基本原理是，对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后在这个时间间隔里对固定频率的时钟脉冲计数，进而得到相应的数字量输出。该转换电路具有很强的抗工频干扰能力，在数字测量中得到广泛应用。 图5一14是这种转换器的原理电路，它由积分器(由集成运放A组成)、过零比较器(C)、时钟脉冲控制门(G)和定时器/计数器( FF0FFn )等几部分组成。,下一页,上一页,返回,实训5. 1数字电压表电路的设计,5.
9、1. 2. 3 A/D转换器的主要技术指标 1.转换精度 单片集成A/D转换器的转换精度是用分辨率和转换误差来描述的。 1)分辨率 分辨率说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。 2)转换误差 转换误差表示A/ D转换器实际输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。 2.转换时间 转换时间指完成一次时间A/ D转换所需要的时间,下一页,上一页,返回,实训5. 1数字电压表电路的设计,5.1.2.4常用A/D转换器 图5一15是芯片ADC0809。它是采用CMOS工艺制成的8位8通道A/D转换器，采用28只引脚的双列直插封装。ADC0809主要组成部分:256个电阻组成的电阻阶梯及树状开关、逐次
10、比较寄存器SAR和比较器。电阻阶梯和树状开关是ADC0809的特点。ADC0809与一般逐次比较ADC另一个不同点是，它含有一个8通道单端信号模拟开关和一个地址译码器。地址译码器选择8个模拟信号之一送入ADC进行A/ D转换，因此适用于数据采集系统。 常见集成ADC见表5一2,下一页,上一页,返回,实训5. 1数字电压表电路的设计,5.1.3 A/D、D/A转换器的选用 5. 1. 3. 1 A/D转换器的选用 A/D转换器常采用并行比较型、反馈比较型、逐次比较型和双积分型几种类型的电路。在选用A/D转换器时，主要根据A/ D转换性能指标(转换时间、分辨率、精度、输人模拟电压范围等)来进行选用
11、。 5. 1. 3. 2 D/A转换器的选用 应根据D/ A转换集成电路芯片的主要性能指标来进行选用。D/ A转换器的主要性能指标有:转换速度、转换精度、抗干扰能力等。在选用D/ A转换器时，一般从以上几个性能指标综合进行考虑。,下一页,上一页,返回,实训5. 1数字电压表电路的设计,1.从转换速度上选用 如在转换速度要求较低的场合下，可选用AD7224 D/A转换集成电路芯片，AD7224 D/A车令换集成电路芯片的转换时间是5 ms, 在速度要求较高的场合下，可选用DAC0808 , AD1508 , MC1408 , AM1408 ,uA0802，DAC 1408、HA17408、DAC
12、一IC0BC、 DAC0808、DAC0807、DAC0806、DAC0832等。这些器件都采用双极型工艺制作，工作速度较高，它们的转换时间在(110 s)之间。 2.从转换精度上选用 D/A车令换器的分辨率和转换精度都与D/ A转换器的位数有关，位数越多，分辨率和精度越高。,下一页,上一页,返回,实训5. 1数字电压表电路的设计,3.从抗干扰能力上考虑 在考虑抗干扰能力要求较高的场合下，可选用AD561那一类D/A转换器，因AD561 D/A车令换器内含高稳定基准电压、消噪脉冲输出范围设定电阻，建立时间250 s等指标。,上一页,返回,图5 -2 D/A转换器的输人、输出关系框图,返回,图5一3位D/A转换器的转换特性,返回,图5一4倒T形电阻网络D/A转换器,返回,图5一5 DAC7520电路结构,返回,图5一6 DAC7520芯片外引线排列图,返回,图5一8基本的模拟量到数字量的转换过程,返回,图5一9对输入模拟信号的采样,返回,图5一11最简单的采样一保持电路,返回,图 5一12并行比较型A/ D转换器,返回,图5一13三位逐次逼近型A/ D转换原理图,返回,图5一14双积分型A/D转换器,返回,图5一15 ADC0809原理图和引脚图,返回,表5一2常用ADC,返回,
