电工技术电子技术-清华-35数模变换器(DAC)、模数变换器(ADC)

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1、第35讲第15章 数模变换器（DAC）、模数变换器（ADC）15.1 D/A变换器15.2 A/D变换器15.3 计算机数据采集简介Date电工技术引言模拟信号数字信号：A/D转换器 (ADCAnalog Digital Converter)数字信号模拟信号：D/A转换器 (DAC Digital Analog Converter)Date电工技术引言(续): A/D转换器、D/A转换器的应用放大器传感器(温度、压 力、流量 、应力等 ）采样/ 保持器A/D计算机显示器D/A示波器打印机计算机进行各种 数字处理（如滤 波、计算）、数 据保存、打印等显示器显示字符 、曲线、图形、 图象等Date

2、电工技术15.1 D/A 转换器(1) D/A功能: 将数字量成正比地转换成模拟量 D/An =4位8位10位12位16位n位数字量模拟量05V或010V15.1.1 D/A转换器原理Date电工技术D/A 功能(续)4位数据: 0000 0V1111 5V 分辨率:5V/15=0.333V/每1个最低有效位8位数据: 00000000 0V11111111 5V 分辨率:5V/255=0.0196V/每1个最低有效位Date电工技术(2) D/A的组成由三部分电路组成 电阻网络 模拟电子开关 求和运算放大器Date电工技术D/A的组成(续)输入4位二进制数输出 模拟 电压S0S3:模拟电子开

3、关D=0, S倒向地D=1, S倒向VREF电阻网络求和运算放大器VREF2R2R2R2R2RRRR2RS0S1S2S3精密参 考电压D0D1D2D3+-3R3R/2UODate电工技术VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R+-3R3R/2UO当D3D2D1D0=0000时,S3S2S1S0都倒向地UO=0V(3) D/A转换原理当D3D2D1D0=0000时UO3R2R+-3R/2R等效电路3R0000AV= -1Date电工技术VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R+-3R3R/2UOD/A转换原理(续)当D3D2D1D0=1

4、000 时,S2S1S0都倒向地，S3倒向VREFUO3R+-3R/2等效电路2R2RVREF2RRVREF/2UO=-VREF/2当D3D2D1D0=1000时0001AV= -13RDate电工技术VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R+-3R3R/2UOD/A转换原理(续)当D3D2D1D0=0100时,S3S1S0都倒向地S2倒向VREF当D3D2D1D0=0100时UO=-VREF/4UO3R+-3R/2等效电路2RRVREF2R2R2R3RVREF/40010AV= -1Date电工技术D/A转换原理(续)VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S

5、2S3D0D1D2D32R+-3R3R/2UO同理可推导，当D3D2D1D0=0010时， UO= VREF/8当D3D2D1D0=0001时， UO= VREF/16Date电工技术D/A转换原理(续)D3D2D1D0=1000时，UO= VREF/2= D3VREF/21D3D2D1D0=0100时，UO= VREF/4= D2VREF/22D3D2D1D0=0010时，UO= VREF/8= D1VREF/23D3D2D1D0=0001时，UO= VREF/16= D0VREF/24根据叠加原理:UO= (D3VREF/21+ D2VREF/22 + D1VREF/23 + D0VREF

6、/24 )= (D3/21+ D2/22 + D1/23 + D0/24 ) VREF= (VREF /24) (23 D3 + 22 D2+ 21 D1 + 20 D0)Date电工技术UO = (VREF /24) (23 D3 + 22 D2+ 21 D1 + 20 D0)D/A转换原理(续)此式表明: D/A电路输出模拟电压UO与输入的数字量D3D2D1D0成正比Date电工技术15.1.2 8位D/A转换器电路框图8 D 锁存器求和电路电阻网络电子开关UOD7-D0CPVREFDate电工技术15.2 A/D转换器(1)A/D功能: 将模拟电压成正比地转换成数字量A/DUI输入模拟电

7、压 D7D0输出数字量0 5V0000000011111111分辨率:5V/255=0.0196V/每1个最低有效位15.2.1 A/D功能及分类Date电工技术(2)A/D转换器分类 并联比较型特点: 转换速度快,转换时间 10ns 1s 逐次逼近型特点: 转换速度中,转换时间 几s 100 s 双积分型 特点: 转换速度慢,转换时间 几百s 几ms根据内部电路不同,分为以下三类:Date电工技术15.2.2并联比较型A/D转换器（三位）原理DQDQDQDQDQDQDQ7VR/86VR/85VR/84VR/83VR/82VR/8VR/8VRRRRRRRRRUIUI 6VR/8时，输出=1UI

8、 7VR/8时，输出=1 UI 7VR/8时，输出=0UI 6VR/8时，输出=0电压比较器D锁存器编 码 器QBQAQGQFQEQCQDD2D1D0输入模拟电压精密 参 考电压精密电阻网络（23个电阻 ）输出数字量CPUI VR/8时，输出=1UI VR/8时，输出=0 Date电工技术并联比较型A/D转换器中的编码器真值表UI QA QB QC QD QE QF QG D2 D1 D06VR/8 UI 5VR/8 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 5VR/8 UI 4VR/8 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 7VR/8 UI 6VR/8 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0

9、 VR UI 7VR/8 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4VR/8 UI 3VR/8 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 3VR/8 UI 2VR/8 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 2VR/8 UI VR/8 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 VR/8 UI 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 特点：输入电压UI每增加VR/8 ，输出数字量增加1根据以上真值表设计编码器的组合逻辑电路（设计略 ）Date电工技术15.3计算机数据采集原理简介 A/D转换器内部组成A/D 电路模拟 输入三态门数字 输出寄存器精密稳 压电源电源计算机读 取命令时序控 制电路A/

10、D转换命令（来自计算机）转换完成信号（由计算机检测或 申请计算机中断）A/D转换器Date电工技术计算机数据采集原理简介(续) A/D转换器与计算机的连接A/D转换器转换完成信号采样/ 保持器模拟 输入读取数据命令计算机接口A/D板A/D转换命令模拟输入电压在A/D转换期间应保持不变，否则A/D的输出 数据总随输入电压而变，所以需要采样/保持器。Date电工技术计算机数据采集原理简介(续) 采样/保持器采样/ 保持器A/D转换器u1u2模拟 输入数字 输出A/D转换 命令采样/保持器的功能：在A/D转换期间，使A/D 的输入电压u2保持不变。Date电工技术t计算机数据采集原理简介(续) 采样

11、/保持器输入输出波形图A/D转换 命令高电平期间 u2跟随u1低电平期间u2保持不变，同时A/D进行转换u1 输入 模拟信号u2采样/保持器 输出信号Date电工技术计算机数据采集原理简介(续) 采样/保持器电路原理C模拟电子开关电压跟随器电压跟随器采样保持电容输入输出KA/D转换命令高电平期间，K合上，C采样低电平期间，K打开，C保持Date电工技术计算机数据采集原理简介(续) 采样周期 采样频率A/D转换命令TT：采样周期，相邻两次采样之间的时间间隔 单位 s，ms，sf=1/T：采样频率，每秒采样的数据个数单位 HzDate电工技术A/D转换器将脉冲下降沿时的 模拟电压转换为数字量计算机数据采集原理简介(续) 在计算机屏幕上波形的恢复显示tt1t2t3t4t5t6t7模拟信号信号幅度时间数字信号t1t2t3t4t5t6t7A/D转 换命令计算机 屏幕Date电工技术计算机数据采集原理简介(续) 在计算机屏幕上波形的恢复显示 结论 ：因为计算机屏幕波形显示是用不连续的点 组成，所以，若将被采样波形恢复显示， 必须有足够大的采样率。t1ms1kHz 1 2kHz 2 8kHz 8 16kHz 16频率为1kHz的正弦波4kHz 4采样率 每周期采样点数Date电工技术