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1、第九章 數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換,9.1 D/A轉(zhuǎn)換器,9.2 A/D轉(zhuǎn)換器,,第九章 數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換,模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器是計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備的重要接口,也是數(shù)字測量和數(shù)字控制系統(tǒng)的重要部件。,將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的裝置稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器(簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC)；,傳感器,模擬控制,,,,,,,模擬信號,數(shù)字計(jì)算機(jī),數(shù)字控制,數(shù)字信號,ADC,DAC,,將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的裝置稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器(簡稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC),,,9.1 D/A轉(zhuǎn)換器,9.1 D/A轉(zhuǎn)換器,9.3 小結(jié),9.2 A/D轉(zhuǎn)換器,9.1 D/A轉(zhuǎn)換器,D/A轉(zhuǎn)換器的作用是將輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成與之成正比的模擬量,D/A轉(zhuǎn)換器組成

2、,,基準(zhǔn)電壓,數(shù)碼輸入,電子模擬開關(guān),解碼電路,求和電路,D/A轉(zhuǎn)換器分類,,按輸入方式分,,并行輸入,串行輸入,按電路結(jié)構(gòu)分,,權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò),T型電阻網(wǎng)絡(luò),倒T型電阻網(wǎng)絡(luò),理想運(yùn)算放大器,1. 理想運(yùn)算放大器,Auo ， rid ， ro 0,2. 電壓傳輸特性 uo= f (ui),線性區(qū)： uo = Auo(u+ u),非線性區(qū)： u+ u 時， uo = +Uo(sat) u+< u 時， uo = Uo(sat),,Auo越大，運(yùn)放的 線性范圍越小，必 須加負(fù)反饋才能使 其工作于線性區(qū)。,3. 理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn),因?yàn)?uo = Auo(u+ u ),所以(1) 差模輸入電

3、壓約等于 0 即 u+= u ,稱“虛短”,(2) 輸入電流約等于 0 即 i+= i 0 ,稱“虛斷”,電壓傳輸特性,O,9.1 D/A轉(zhuǎn)換器,9.1.1權(quán)電阻型D/A轉(zhuǎn)換器,反相比例 運(yùn)算電路,T型電 阻網(wǎng)絡(luò),+VR,模擬量 輸出,輸出的模擬量應(yīng)正比于輸入的數(shù)字量 Vo=VRD,基準(zhǔn)電壓,,,,,,,S1,S3,S2,S0,R0,,d3,d2,d1,d0,0,,,,,,1,,,,,,,1,,,,,,,,0,,,,,,,,,,Vo,,,+,+,-,,,,,,,A,,RF,,0,0,1,1,,,+,,,,,,,,,R1,R2,R3,,,I,IF,,,,R,，,9.1 D/A轉(zhuǎn)換器,9.1

4、.1權(quán)電阻型D/A轉(zhuǎn)換器,電子模 擬開關(guān),電子模擬開關(guān)受數(shù)字量控制，Dn若為1，開關(guān)接基準(zhǔn)電平(“1”)， Dn若為0，接地(“0”)。,根據(jù)疊加原理: I=I3+I2+I1+I0 ,若現(xiàn)在開關(guān)都接“1”,則：,若各權(quán)電阻按以下規(guī)律取值：,9.1.1權(quán)電阻型D/A轉(zhuǎn)換器,,9.1.1權(quán)電阻型D/A轉(zhuǎn)換器,,,,,9.1.1權(quán)電阻型D/A轉(zhuǎn)換器,II3+I1,9.1.2 倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D A轉(zhuǎn)換器,,倒T型電阻網(wǎng)絡(luò),求和運(yùn)算電路,電子模擬開關(guān),為了克服權(quán)電阻電路難以保證精度問題，常采用倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器。,9.1.2 倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D A轉(zhuǎn)換器,,由于運(yùn)放的反相輸入端虛地，所以，無論模擬

5、電子開關(guān)合向哪一邊，T型電阻網(wǎng)絡(luò)與地之間的等效電路都如下圖所示。,,電路等效電阻為R,所以端口電流I =VR/R,其余各支路電流分別是I/2、I/4、I/8、I/16。,當(dāng)模擬開關(guān)控制端Di為高電平時相應(yīng)的電子開關(guān)Si將該支路的電流引入運(yùn)放；當(dāng)控制端為低電平時，對應(yīng)支路電流直接接地。,9.1.2 倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D A轉(zhuǎn)換器,設(shè)輸入的二進(jìn)制數(shù)為1010，如圖：,9.1.2 倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D A轉(zhuǎn)換器,9.1.2 倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D A轉(zhuǎn)換器,將倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)大到N位,9.1.2 倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D A轉(zhuǎn)換器,D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器中的模擬電子開關(guān)S0S4的實(shí)際電路如圖所示,,,圖中N溝道管T1、 T4

6、、T6、T8、T9的 柵極為高電平時 導(dǎo)通，P溝道管T2、 T3、T5、T7的柵極 為低電平時導(dǎo)通。 當(dāng)Di=0時，T2通T1 截止，輸出高電平 T4通，輸出低電平 T7通，輸出高電平 T8通，將倒T型電阻 網(wǎng)絡(luò)的電流引向Io2,當(dāng)Di=1時，T1通輸出低電平T5通，輸出高電平，T9通將倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)的電流引向Io1。,,9.1.4 集成D A轉(zhuǎn)換器,集成D/A轉(zhuǎn)換器AD7520的管腳及內(nèi)部電路如圖所示，它是10位倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器。,,在下式中N =10，RF =R =10K,,,,輸入的數(shù)字量與輸出的模擬量之間的關(guān)系如表9.1.1所示。,9.1.4 集成D A轉(zhuǎn)換器,若把倒T型電阻

7、網(wǎng)絡(luò)作為運(yùn)放的反饋電阻，如圖所示,,9.1.4 集成D A轉(zhuǎn)換器,由虛地的概念得：,反相比例放大電路,A/D轉(zhuǎn)換器的作用是將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量,A/D轉(zhuǎn)換器組成,,采樣保持,量化,編碼電路,D/A轉(zhuǎn)換器分類,,并行式,逐次逼進(jìn)式,雙積分式,9.2 A/D 轉(zhuǎn)換器,計(jì)數(shù)式,輸入的模擬量通常要先經(jīng)過采樣保持電路，再送入A/D轉(zhuǎn)換器。,9.2.1采樣保持電路,所謂采樣保持電路就是在控制信號的作用下，對輸入信號進(jìn)行間歇性采樣，并在兩次采樣之間的時間內(nèi)保持前一次采樣瞬時值的電路。,,為減小采樣信號的失真，采樣開關(guān)S的控制信號CPs的頻率fs必須滿足fs2fimax。(fimax 為輸入電壓頻

8、譜中的最高頻率),9.2.2并行A/D轉(zhuǎn)換器,,,,,分壓器,比較器,寄存器,編碼器,1.分壓器,分壓器由7個電阻串聯(lián)而成，將基準(zhǔn)電壓VR分成1/15VR13/15VR和VR8個參考電壓，其中前7個電壓分別接的7個比較器的反相輸入端，輸入ui同時接到比較器的同相輸入端，與參考電壓比較。 VR是轉(zhuǎn)換器能夠測量的最大值， 1/15VR是轉(zhuǎn)換器可以分辨的模擬量的最小值。,9.2.2并行A/D轉(zhuǎn)換器,,2.比較器,比較器C1C7反相輸入端分別接7個參考電壓，同相輸入端接輸入信號ui。若輸入信號大于參考電壓，比較器輸出高電平“1”，分之輸出低電平“0”。,,,9.2.2并行A/D轉(zhuǎn)換器,,3.寄

9、存器和編碼器,C1C7的輸出在寄存器F1F7寄存并送到3位二進(jìn)制編碼器G1G6。編碼器輸出D0D2與其輸入Q0Q7的邏輯表達(dá)式為：,9.2.2并行A/D轉(zhuǎn)換器,,,轉(zhuǎn)換開始前先將所有寄存器清零。開始轉(zhuǎn)換以后，時鐘脈沖首先將寄存器最高位置成1，使輸出數(shù)字為1000。這個數(shù)碼被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓uo，送到比較器中與ui進(jìn)行比較。若uiuo，說明數(shù)字過大了，故將最高位的1清除；若uiuo，說明數(shù)字還不夠大，應(yīng)將這一位保留。然后，再按同樣的方式將次高位置成1，并且經(jīng)過比較以后確定這個1是否應(yīng)該保留。這樣逐位比較下去，一直到最低位為止。比較完畢后，寄存器中的狀態(tài)就是所要求的數(shù)字量輸出。,原

10、理框圖,基本原理,9.2.3逐次逼進(jìn)A/D轉(zhuǎn)換器,9.2.3逐次逼進(jìn)A/D轉(zhuǎn)換器,9.2.3逐次逼進(jìn)A/D轉(zhuǎn)換器,,右循環(huán)移位寄存器的作用是將產(chǎn)生的節(jié)拍脈沖送入數(shù)據(jù)寄存器，使其產(chǎn)生不同的數(shù)字代碼給D/A轉(zhuǎn)換器。,啟動脈沖,,F,,QEQDQCQBQA=01111,串行輸入端S與QA接，然后在下一個CP到來時把QA的狀態(tài)移至QE ,形成右循環(huán)移位。當(dāng)QA 0時，將Q5置0，與非門關(guān)閉，完成一個轉(zhuǎn)換周期。,9.2.3逐次逼進(jìn)A/D轉(zhuǎn)換器,,數(shù)據(jù)寄存器的作用是輸出相應(yīng)的數(shù)碼給D/A轉(zhuǎn)換器，使之產(chǎn)生參考電壓與輸入模擬量比較；保存比較結(jié)果并決定下一次參考電壓，再次進(jìn)行比較，逐次提高精度，直至比較結(jié)束。,

11、9.2.3逐次逼進(jìn)A/D轉(zhuǎn)換器,設(shè)ui=11.5V,設(shè)VR=16V,8V,uc=1,9.2.3逐次逼進(jìn)A/D轉(zhuǎn)換器,,設(shè)ui=11.5V,設(shè)VR=16V,uc=1,12V,uc=0,9.2.3逐次逼進(jìn)A/D轉(zhuǎn)換器,,設(shè)ui=11.5V,設(shè)VR=16V,uc=0,10V,uc=1,9.2.3逐次逼進(jìn)A/D轉(zhuǎn)換器,,設(shè)ui=11.5V,設(shè)VR=16V,11V,uc=1,9.2.3逐次逼進(jìn)A/D轉(zhuǎn)換器,,設(shè)ui=11.5V,設(shè)VR=16V,uc=1,1,11V,CP=0, 移位脈沖CP不能進(jìn)入移位寄存器，轉(zhuǎn)換結(jié)束。D3D2D1D0=1011是最后轉(zhuǎn)換結(jié)果。,9.2.4 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器,雙積分式

12、A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理是：先將模擬電壓ui轉(zhuǎn)變成與它大小成正比的時間T,再在時間間隔T內(nèi)利用計(jì)數(shù)器對時鐘脈沖計(jì)數(shù)，所計(jì)數(shù)值N也正比于模擬電壓ui。,9.2.4 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器,(1) 積分器A的輸入接電子開關(guān)S1,S1受觸發(fā)器輸出端Qn控制，Qn=0時，S1與ui接，A對ui積分，Qn=1時，S1與(VR)接，積分器對(VR)積分。所以稱為雙積分。,(2) 過零比較器C的輸入端接積分器輸出uo ,uo<0時,uc=1,與非門G開啟，計(jì)數(shù)器對CP脈沖計(jì)數(shù)。顯然，計(jì)數(shù)器所計(jì)數(shù)值和與非門開啟時間T成正比。,(3) 計(jì)數(shù)器和定時器：它由n+1個觸發(fā)器構(gòu)成二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。G開啟時，它對CP計(jì)數(shù)，將與

13、ui成正比的時間間隔T變成數(shù)字信號輸出。,9.2.4 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器,設(shè)ui為正直流電壓,CF的初始電壓為0,S1ui,<0,,uc =1,,FG =CP,,計(jì)數(shù)開始直至Qn=1,,第一階段積分時間：T1=2nTCP,1,第一階段 積分電壓,uo0,FG =0,第二階段計(jì)數(shù)停止,,開始第二階段積分,,,,Qn=1使 S1-VR,第二階段計(jì)數(shù)時間T2,所計(jì)時鐘個數(shù)為N,則:T2= tT1=NTCP代入uo式得：,,9.2.4 雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器,若取VR=2nV,則N=ui,由此可見第二階段計(jì)數(shù)器輸出的二進(jìn)制數(shù)就等于輸入電壓。電路各部分的工作波形如圖9.2.7所示。,,若輸入電壓ui是變化的,可令Vi為ui在T1時間間隔內(nèi)的平均值，則uo1=(2nTcp/)Vi ，數(shù)字量輸出為N=2nVi/VR 。,,五、A/D 變換器的主要技術(shù)指標(biāo),1. 分辨率 以輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示分辨率。位數(shù)越多，誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高。,2. 轉(zhuǎn)換速度 取決于電路的類型。并聯(lián)比較型最快，逐次逼近型次之，雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器最低。,3. 相對精度 實(shí)際轉(zhuǎn)換值和理想特性之間的最大偏差。,并聯(lián)比較型精度較低，逐次逼近型精度較高。,小結(jié),教材上 P224.,