《数字电子技术教学课件 卜锡滨 07》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字电子技术教学课件 卜锡滨 07（31页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第7章 数模转换与模数转换,实现模拟量转换成数字量的电路称为模数转换器（简称A/D转换器或ADC）。实现数字量转换为模拟量的电路称为数模转换器（简称D/A转换器或DAC）。A/D和D/A转换器是数字控制系统中不可缺少的组成部分，是用计算机实现工业过程控制的重要接口电路。本章主要介绍集成数模转换器的识别与应用，集成模数转换器的识别与应用。,第7章 数模转换与模数转换,本章要点 数模转换的原理及应用 模数转换的原理及应用,7.1 数模转换,将数字量的每一位代码按其位权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加得到与数字量成正比例的总模拟量，从而实现数字量模拟量的转换。能将数字量转换为模拟量的电
2、路称为数模转换器，简称D/A转换器或DAC。ADC和DAC是沟通数字电路和模拟电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口。,7.1.1 数模转换演示,按图连接电路，拨动开关S7S0 设置数字量输入，观察发光二极管的发光情况。,每个模拟开关受输入数字量对应位的di控制，即每一个开关对应一只权电阻。当di=1时，对应的权电阻通过模拟开关与基准电压VREF接通；当di=0时，对应的权电阻接地。,7.1.2 数模转换电路的类型,1.权电阻型D/A转换电路,当输入代码的某一位di0时，开关接地，对应的权电阻上无电流通过。 当输入代码的某一位时，开关接基准电压，则通过该电阻上的电流为 若 ，则流过电阻R上的电流
3、为 若 ，则流过电阻2R上的电流为 同理， 时， ； 时， 。 显然，通过各电阻上的电流与对应位电阻的权值成正比。而汇集到集成运算放大器反向端的总电流为,上式表明，集成运放反向端的总电流 与输入数字量N的大小成正比关系。 集成运算放大器与权电阻网络构成反向求和放大电路，在输出端得到一个与输入数字量的大小成正比关系的输出电压uo，完成了D/A的转换过程。它的输出电压为,2. R-2R网络型D/A转换电路,从模拟开关S0向左看，等效电阻为R，再从模拟开关S1向左看，等效电阻也是R。 因此，流入电阻网络的总电流为 各支路上的电流分别为： 、 、 、 。 在输入数字量的作用下，流入集成运算放大器反向输
4、入端的电流为 进而求出集成运算放大器的输出电压为,7.1.3数模转换电路的性能指标,1. 分辨率 分辨率指D/A转换电路输出的最小电压变化量与满刻度输出电压之比。最小输出电压变化量就是对应于输入数字量最低位（LSB）为1，其余各位为0时的输出电压，记为ULSB。满度输出电压就是对应于输入数字量的各位全是1时的输出电压，记为UFSR。对于一个n位的D/A转换电路，分辨率可表示为 例如，一个n=10位的D/A转换电路，其分辨率是0.000978。 2. 转换精度 转换精度指D/A转换电路实际输出的模拟电压与理论输出模拟电压间的最大误差。它是一个综合指标，包括零点误差、增益误差等，它不仅与D/A转换
5、电路中元件参数的精度有关，而且还与环境温度、集成运算放大器的温度漂移以及输入数字量的位数有关。所以，要获得较高精度的D/A转换结果，除了正确选用D/A转换电路的数字量位数外，还要选用低漂移高精度的集成运算放大器。通常要求D/A转换电路的误差小于1/2 ULSB 。 3. 转换时间 转换时间指D/A转换电路在输入数字信号开始转换，到输出的模拟电压达到稳定值所需的时间。它是反映D/A转换电路工作速度的指标。转换时间越小，工作速度就越高。,7.1.4集成模数转换器,1.集成D/A转换器DAC0808 如图示DAC0808为8位数模转换器，其中：D7D0为8位输入数字量，D7为最高位（MSB），为最低
6、位（LSB）；Io是输出的模拟电流；VREF(+)和VREF(-)为正、负基准电压，接基准电流发生电路中运算放大器的反相输入端和同相输入端；COMP（Compensation）为补偿端，外接补偿电容。,DAC0808内部示意图,DAC0808引脚排列图,2.集成D/A转换器DAC0832,如图示DAC0832也是一个8位数模转换器，其内部还集成了1个8位输入寄存器、1个8位DAC寄存器。DAC0832的两个寄存器可以进行双缓冲操作，即在对某个数据转换的同时，又可以进行下一个数据的采集，故转换速度较高。,DAC0832内部示意图,DAC0832引脚排列图,DAC0832采用二次缓冲方式，除了能在
7、输出的同时采集下一个数据外，还 可以在多个转换器同时工作时，实现多通道D/A的同步输出。,7.1.5集成数模转换器的应用,1.DAC0808的应用 如图示，在基准电压输入端和基准电源之间需要外接电阻R1。在基准电压VREF=10V、R1 = 5.1、Rf = 5.1的情况下，输出电压为,当输入数字量在全0和全1之间变化时，输出模拟电压的变化范围是09.96V。,2.DAC0832的应用,DAC0832内部的2个寄存器使其应用时有较大的灵活性，可以根据需要接成多种 工作方式，也可以简化某些应用中的电路设计。,（1）直通工作方式 直通工作方式指：将1、2、17、18脚均接地，ILE保持高电平，如图
8、所示。这种工作方式中，两个内部寄存器的数据均随输入数据的变化而变化，此时D/A转换器的输出也同时跟随变化。,（2）单缓冲工作方式 如图所示两个寄存器之中任一个处于始终常通的状态，亦可以使两个寄存器同时选通或锁存。,DAC寄存器处于常通状态,两个寄存器同时选通或锁存,（3）二级缓冲工作方式 如图所示，利用、两个控制信号，分两次完成数字量的传送及转换。这种工作方式中，第一次当与有效时，完成输入的数字量（D7D0）存入输入寄存器中；第二次当与有效时，将输入寄存器中的数据存入DAC寄存器中，并完成数字量到模拟量的转换。,3.在锯齿波发生器中的应用,如图示，利用数模转换器，配合二进制计数器和集成运算放大
9、器可以组成锯齿波发生器。图中：8位二进制加法计数器在计数脉冲（CP）作用下实现从全0到全1计数，计数器的输出作为DAC0808的数字量输入，经DAC0808转换后输出相应的模拟量。在计数器计数过程中，每来一个CP，计数器输出的数字量增1，经DAC0808转换后输出的模拟量增加一个LSB对应的电压。当计数器输出全1时，DAC0808输入的数字量最大，经转换后输出的模拟量达到最大值。此时，若再来一个CP，则计数器的值由全1变为全0，相应的模拟输出电压也从最大值跳变为0V，输出波形又开始一个新的周期。如果计数脉冲不断，则可在电路的输出端得到周期性的锯齿波。,7.2 模数转换,自然界中存在的物理量如温
10、度、时间、速度、流量、压力等等大都是连续变化的，要用数字电路特别是计算机来处理这些物理量，必须先将这些物理量转换成模拟量（由其它课程介绍），再将模拟量转换成计算机能够识别的数字量，才能实现对受控对象的有效控制。对模拟信号进行采样、保持、量化和编码，将其转换成相应的数字量就叫模数转换。能实现模数转换的电路称为模数转换器，简称A/D转换器或ADC。ADC是模拟系统到数字系统的接口电路。,7.2.1 模数转换演示,按图连接电路，将热敏电阻放入温度约4的水中，开关S先置于位置1，接着置于位置2，观察发光二极管的发光情况；升高水温20，再将开关S先置于位置1、接着置于位置2，观察发光二极管的发光情况。,
11、7.2.2 模数转换的基本概念,模数转换器（A/D转换器）是模拟系统到数字系统的接口电路。一个完整的模数转换过程通常包括采样保持量化编码等四个部分。在实际电路中，有些过程是合并进行的，如采样和保持，量化和编码在转换过程中可以同时实现。 1. 采样定理 如图示是某一输入模拟信号经采样后得出的波形。为了保证能从采样信号中将原信号恢复，必须满足条件,fs2fi(max),式中，fs为采样频率，fi(max)为输入信号ui中最高次谐波分量的频率。这一 关系通常称为采样定理。,2采样保持电路 A/D转换器在进行模数转换期间，要求输入的模拟信号有一段稳定的保持时间，以便对模拟信号进行离散处理，即对输入的模
12、拟信号进行采样。 如图所示是一个实用的采样保持电路。图中：A1、A2是两个集成运算放大器， S是电子模拟开关，L是控制S工作状态的逻辑单元电路，二极管VD1、VD2组成保护电路。保护电路的工作原理是：当 比 u o所保持的电压高出一个二极管的正向压降时，VD1管导通，被箝位于u o+UVD1（UVD1为VD1的正向导通压降）；同理，当 比u o低一个二极管的压降时，VD2管导通，被箝位于u oUVD2。保护电路的作用就是防止在S再次接通以前，ui发生变化而引起 的更大变化，导致 与ui不再保持线性关系，并使开关电路有可能因承受过高的 电压而损坏。,3量化与编码 用数字量表示输入模拟电压ui的大
13、小时，首先要确定一个单位电压值，然后用ui与事先确定的单位电压值进行比较，并取比较结果的整数倍值来表示输入模拟电压ui的大小，这样的一个过程称为量化。 如果把比较结果的整数倍值用二进制数表示，就称为二进制编码，它就是A/D转换输出的数字信号。这里用作比较的单位电压值叫做量化单位，用表示。 由于采样得到的样值脉冲的幅度是模拟信号在某些时刻的瞬时值，它们不可能都正好是量化单位的整数倍，在量化时要舍去小数部分，因此会产生一定的误差，这个误差称为量化误差。 将模拟信号划分为不同的量化等级时，通常有两种方法，如图所示。,7.2.3 模数转换电路的类型,1.逐次逼近型A/D转换电路 逐次逼近型A/D转换电
14、路一般由顺序脉冲发生器、逐次逼近寄存器、D/A转换器和电压比较器等部分组成，其原理框图如图示。 转换开始后，顺序脉冲发生器输出的顺序脉冲先将逐次逼近寄存器的最高位置1，经D/A转换器转换为相应的模拟电压UA送入比较器，与待转换的输入模拟电压ui进行比较。若UAui，说明数字信号过大，则将最高位的1除去，次高位置1；若UAui，说明数字信号不够大，则将该位的1保留，并将下一位置1，这样逐次比较下去，一直到最低位为止。此时，逐次逼近寄存器的逻辑状态就是对应于输入模拟电压ui的数字量，取出该数字量即得模数转换后的数字信号。,2.并行比较型 A/D 转换电路 3位并行比较型A/D转换电路的原理电路如图
15、示，由电阻分压器、电压比较器、寄存器及代码转换网络组成。图中的8个电阻将参考电压VREF分成8个等级，其中7个等级的电压分别作为7个比较器C1C7的参考电压，其数值分别为1/15VREF、3/15VREF、13/15VREF。输入电压为ui，它的大小决定各比较器的输出状态，当0 ui 1/15VREF时，C1C7的输出状态都为0；当3/15VREF ui 5/15VREF时，比较器C1和C2的输出C01= C02=1, 其余各比较器的输出状态都为0。根据各比较器的参考电压值，可以确定输入模拟电压值与各比较器输出状态之间的关系。比较器的输出状态由D触发器存储，CP作用后，触发器的输出状态Q7Q1
16、与对应的比较器的输出状态C07C01相同。经代码转换网络 ( 优先编码器 ) 输出数字量D2D1D0。优先编码器Q7的优先级别最高，Q1最低。,3.双积分型A/D转换电路 双积分型A/D转换电路的原理电路如图所示，由积分器、比较器、计数器、逻辑控制电路等组成。转换开始前，先将计数器清零，接通S0使电容C完全放电；转换开始时，断开S0。,7.2.4 模数转换电路的性能指标,1分辨率 分辨率通常用数字量的位数表示，如8位、10位、12位、16位分辨率等。若分辨率为8位，表示它可以对全量程的1/256的增量作出反应。分辨率越高，转换时对输入量的微小变化的反应越灵敏。 2量程 量程即所能转换的电压范围，如5V、10V等。 3转换时间 转换时间指ADC接到启动命令到获得稳定的数字信号输出所需的时间，它反映ADC的转换速度。不同ADC转换时间差别很大。 4转换精度 转换精度分为绝对精度与相对
