《电工电子技术 教学课件 ppt 作者 孙余凯 韦雪洁 第12单元 DA转换与AD转换》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电工电子技术 教学课件 ppt 作者 孙余凯 韦雪洁 第12单元 DA转换与AD转换（73页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第12单元 D/A转换与A/D转换,第一部分 任 务 导 入,通常，数字电路和数字计算机只能对数字信号进行处理，运算的结果是数字量。 当计算机应用于过程控制以及信息处理时，遇到的变量多数是连续变化的物理量，如温度、压力、语音、图像的亮度等，这些物理量可以经过传感器变成电压或电流等模拟量。,只有把这些模拟量转换为数字量，计算机才可以对它们进行运算或处理，处理以后的结果也是数字量。 必须将计算机输出的数字量再转换为模拟量的电压或电流，经过执行元件去进行实时控制。,图12-1所示为巧用ICL7129构成的精确度极高的A/D变换显示电路，该电路中的ICL7129就是一块A/D转换集成电路，用于把模拟信
2、号转换为数字信号。,图12-1 精确度极高的A/D变换显示电路,图12-2所示为一种具有精密基准源的A/D变换显示电路。 该电路中的ICL7107就是一块A/D转换集成电路，用于把模拟信号转换为数字信号。,图12-2 具有精密基准源的A/D变换显示电路,对于本单元的学习有如下要求。 1掌握A/D转换器和D/A转换器的基本原理，以利于正确使用A/D转换器和D/A转换器集成电路芯片。 2了解和熟悉A/D转换器和D/A转换器功能和特性。 3了解和熟悉A/D转换器和D/A转换器类型，以便于正确选择和合理使用它们。,第二部分 相 关 知 识,12.1 D/A转换与A/D转换基本知识 将数字量转换成相应的
3、模拟量称为D/A转换。 完成这种转换的电路系统称为D/A转换器，简称DAC。 将模拟量转换成相应的数字量称为A/D转换。 完成这种转换的电路系统称为A/D转换器，简称ADC。,12.1.1 D/A转换与A/D转换方框图,在数字装置和计算机控制生产过程时，其对象通常是转速、压力、位移、温度等模拟形式的物理量。 控制这些物理量的一般过程可用如图12-3所示的方框图来表示。,图12-3 D/A转换与A/D转换方框图,12.1.2 D/A转换与A/D转换机理,D/A转换与A/D转换电路的基本工作过程可从以下几个方面来说明。 温度等非电的模拟量经过传感器变换为电信号的模拟量A1。, 模拟量A1经过A/D
4、转换变换为数字量D1。 数字量D1送入数字装置或计算机运算处理，其结果仍是数字量D2。, 数字量D2经过D/A转换器，变成模拟量A2，推动执行机构，调整控制对象A1。 由此可见，A/D、D/A转换器是数字系统和模拟系统相互联系的桥梁。,12.2 D/A转换器,D/A转换器（DAC）用于将输入的数字信号转换成与其成正比的模拟量（电压或电流）并输出。,12.2.1 D/A转换工作原理方框图,图12-4所示为由n位DAC组成的方框图。 输入的数字信号是一种二进制编码，通过转换，将该编码按每位权的大小换算成相应的模拟量，最后把代表各位数字的模拟量相加，得到的和就是与输入的数字量成正比的模拟量。 下面以
5、R-2R 倒T型D/A转换器为例进行介绍。,图12-4 由n位DAC组成的方框图,12.2.2 D/A转换器的工作原理,1电路组成 典型的R-2R倒T型DAC的结构原理如图12-5所示。 该电路由运算放大器IC1输出模拟信号Uo，输入信号是D1、D2、D3、D4共4位二进制数字量；UREF为固定的基准电压；开关SA1SA4分别受输入量D1D4的控制。,图12-5 典型的R-2R倒T型DAC的结构原理图,2工作特点,如果D1D4中的某一位为0，则相应的开关置于触点0位（接地）；若D1D4中某一位为1，则开关置于触点1位。 该电路的特点主要有以下几个方面。, 运算放大器连接成反相输入方式，其反相输
6、入端a点为虚地，故无论开关SA1SA4置于何触点，各电阻（不包括Rf）流过的电流均固定不变。, 无论SA1SA4开关置于何触点位置，A、B、C、D各点右边的等效电阻均为2R。 从UREF开始，后级电流均为前一级电流的 ，即,由此可见，DAC可以将输入的二进制数字量D4D1转换成模拟电压Uo。,12.2.3 D/A转换器的分辨率,这项指标用来规定D/A转换器可以接收的输入数字的位数及相应的模拟输出电平。 分辨率通常用输入数字信号的位数来表示。 对于n的分辨率，转换器必须能产生2n个（包括0）离散的模拟输出电平。,有时也用输出电压的最小可能改变量与最大可能输出电压的比值来定义分辨率。 对于n位DA
7、C，也称其分辨率为 。 随着输入数字信号位数的增多，DAC分辨率相应提高。,例如，一个10位的DAC，其分辨率为,12.3 A/D转换器,A/D转换器（ADC）是将模拟量（通常为电压量）转换为二进制数字量的器件。,12.3.1 A/D转换原理方框图,A/D转换的过程可用如图12-6所示的方框图来表示。 由于模拟信号是随时间连续变化的，故进行A/D转换时，应先对模拟信号进行周期性地频繁取样。,而且在每次取样后到下次取样前的时间间隙内，保持取样的值不变，以便通过A/D转换器将取样保持的输出量 化并编码成为数字信号。,图12-6 A/D转换过程方框图,12.3.2 A/D转换机理,在ADC中，模拟量
8、是连续变化的物理量，如要以离散的数字量表示它，必须用一定的计量单位将连续量进行量化。 故将模拟量转换为数字量一般需经过取样、保持、量化、编码，其处理过程可用图12-6所示的方框图表示。,1取样和保持,（1）取样 所谓取样，就是将一个时间上连续变化的模拟量转换为时间上离散的、幅度上连续变化的模拟量。 或者说，是将输入连续模拟量转换为输出一串脉冲。 这些脉冲通常是等间隔的，但其幅度等于该时刻的输入模拟量。 取样过程如图12-7所示。,图12-7 取样过程示意图,在图12-7（a）中，ui（t）为输入的模拟信号，其波形如图12-7（b）所示。 方框内的取样器实际上是一个受脉冲宽度为tw、周期为T的取
9、样脉冲S（t）控制的模拟开关。tw到来期间。,该开关接通，取样器输出uo（t）信号，该信号uo（t）=ui（t）；在两个取样脉冲（见图12-7（d）信号之间，该开关又断开，使uo（t）=0。 取样后的uo（t）信号如图12-7（c）所示。,为了使取样后的信号uo（t）正确地反映输入信号ui（t）而不丢失信息，故应对取样脉冲信号有一定要求，取样脉冲必须要满足取样定理： fs2fmax,式中，fs取样脉冲信号的频率； fmax输入模拟信号ui（t）中的最高频率分量的频率。 实际上，由于电路元件不可能达到理想要求，通常取 fs =（46）fmax 才能保证还原后的信号不失真。,（2）保持,为了保证获
10、得一个稳定的取样值，以便于进行A/D转换过程中的其他工作，故要求取样后得到的模拟信号要保持一段时间，直到下一个取样脉冲的到来。 由此而得到的不再是一串脉冲，而是一个阶梯脉冲信号。,（3）取样与保持电路,取样与保持电路的形式较多，图12-8所示为一种较常见的典型应用电路。 取样与保持在该电路中往往是一次完成。,图12-8 取样与保持典型应用电路,2量化,采用后保持的电压值显然是不连续的，但不一定是整数，也可能是无理数，而计算机只能处理整数，因此还必须将这些数值化为某个最小单位的整数倍，这就称为对采用值的量化。,量化后用二进制数表示此整数的过程，即为编码。 经编码后的结果就是ADC的输出信号。 由
11、于输入的模拟电压是连续变化的，而 n位二进制代码只能表示2n种状态，所以取 样保持后的信号不可能与最小量化单位的 整数倍完全相等，只能接近某一量化电平。,量化的方法通常分为两种，一种是采用只舍不入的方法，另一种是采取有舍有入的方法。,（1）只舍不入法,只舍不入的量化方法是： 当0uo时，uo的量化值近似为0； 当uo2时，uo的量化值近似为； 当2uo3时，uo的量化值近似为2； 依此类推。,（2）有舍有入法,有舍有入的量化方法是采用四舍五入的方法，即 依次类推。,3编码,编码是对量化后的数值予以赋值，就是用一个代码去表示量化后的值，常用的编码是二进制编码。,4量化与编码举例,例12-1 试将
12、01V的模拟电压转换为3位二进制代码。 解：下面利用上述两种量化的方法对01V的模拟电压进行量化。,（1）只舍不入法,取= V，0 V的模拟电压用二进制代码000表示； V的模拟电压用二进制代码001表示它们之间的对应关系如图12-9（a）所示。 这种量化方法存在的最大量化误差为= V。,图12-9 两种量化方法及编码举例,（2）有舍有入法,利用有舍有入法时，取= V，0 V的模拟电压用二进制代码000表示； V的模拟电压用二进制代码001表示它们之间的对应关系如图12-9（b）所示。 这种量化方法存在的最大量化误差为 = V。,由图12-9中可看出，有舍有入法的量化误差比只舍不入法要小。 由
13、此可见，量化单位不同，分成的量化级别也不一样。 A/D转换器有两大类，一类为逐次逼近型，另一类为双积分型。,12.3.3 逐次逼近型A/D转换器工作原理,1电路组成 图12-10所示为逐次逼近型A/D转换器的组成原理方框图。 该电路主要由顺序脉冲发生器、逐次逼近寄存器、D/A转换器及电压比较 器构成。,2电路原理,电路开始工作时，寄存器先置0，接着顺序脉冲发生器输出脉冲，将寄存器的最高位置1；与此同时，寄存器的该状态送到D/A转换器，并被转换为电压量Uo。,图12-10 逐次逼近型A/D转换器的组成原理方框图,这样，Uo与外部待转换的模拟电压Ui经电压比较器比较。 当UoUi时，说明预置的数字
14、量太大，应将寄存器的最高位重新置0，改为置次高位为1。, 当UoUi时，说明预置的数字量不足，还应将次高位置1。 依此类推，反复进行，直到寄存器中的数字量转换值Uo与待转换的模拟电压Ui相等为止，由此达到了A/D转换的目的。,12.3.4 双积分型A/D转换器工作原理,1电路组成 图12-11所示为双积分型A/D转换器的 组成原理方框图。 该电路主要由积分器IC1、比较器IC3、控制门IC4、计数器、逻辑控制电路及转换开关SA1、SA2等组成。,2工作原理,在图12-11中，Ui为待转换的电压，UREF为已知的参考电压值；CP为已知的时钟脉冲信号。 该电路的工作原理如下。,图12-11 双积分
15、型A/D转换器的组成原理方框图, 逻辑控制电路先对计数器进行清零处理，并使SA2开关闭合，为电容器C提供放电回路，以保证积分电路IC1的初始输出电压为0，即 Uo（t0）=0, 逻辑控制电路将SA1的、触点接通，使待转换电压Ui进入转换电路，由IC1构成的积分器进行积分。由于输出的信号Uo0，故比较器IC2输出高电平，使IC3控制门被打开，CP脉冲就可通过IC3加到计数器上，以使计数器开始计数。, 计数器的最大计数值为2n1，当计数到2n个数时，计数器将产生进位信号并复位，同时也使SA1开关的、触点之间接通，此时刻即为t1，相关波形如图12-12所示。假设计数脉冲的周期为tc，则在t0t1时间
16、段内，Ui的积分时间tC1为 tC1=2nt, 由IC1构成的积分器从t1时刻开始反向积分，直到t2时刻时，Uo降至0V。, 当Uo=0时，比较器IC2输出低电平，使控制IC3关闭，CP脉冲不再进入计数器，计数器保留反向计数值，反向积分时间tC2为 tC2=t2 - t1=(N)DtC,式中，(N)D用十进制数表示的计 数值。 通过对U0值的计算，可以得到如下关系式，即 Ui= (N)D,当使用10位计数器并取参考电压UREF=1.024V时，计数值(N)D就等于待转换电压Ui的毫伏数。 在图12-12所示电路中，由于A/D转换器Uo的积分曲线是由两段不同直线构成的，故又称为双斜率积分型A/D转换器。,图12-12 双积分型A/D转换器的原理波形图,12.3.5 A/D转换器的分辨率,分辨率也称为分解度，以输出二进制码的位数来表示A
