電子技術(shù)-數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換課件

1、第18講第15章 數(shù)模變換器（DAC）、模數(shù)變換 器（ADC） 15.1 D/A變換器 15.2 A/D變換器 15.3 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集簡(jiǎn)介引言模擬信號(hào)數(shù)字信號(hào)： A/D轉(zhuǎn)換器 (ADCAnalog Digital Converter)數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)： D/A轉(zhuǎn)換器 (DAC Digital Analog Converter)引言(續(xù)): A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用放大器傳感器(溫度、壓力、流量、應(yīng)力等）采樣/保持器A/D計(jì)算機(jī)顯示器D/A示波器打印機(jī)計(jì)算機(jī)進(jìn)行各種數(shù)字處理（如濾波、計(jì)算）、數(shù)據(jù)保存、打印等顯示器顯示字符、曲線、圖形、圖象等15.1 D/A 轉(zhuǎn)換器 (1) D/A功能:

2、 將數(shù)字量成正比地轉(zhuǎn)換成模擬量 D/An =4位8位10位12位16位n位數(shù)字量模擬量05V或010V15.1.1 D/A轉(zhuǎn)換器原理 D/A 功能(續(xù))4位數(shù)據(jù): 0000 0V 1111 5V 分辨率:5V/15=0.333V/每1個(gè)最低有效位8位數(shù)據(jù): 00000000 0V 11111111 5V 分辨率:5V/255=0.0196V/每1個(gè)最低有效位 (2) D/A的組成 由三部分電路組成 電阻網(wǎng)絡(luò) 模擬電子開關(guān) 求和運(yùn)算放大器 D/A的組成(續(xù))輸入4位二進(jìn)制數(shù)輸出模擬電壓S0S3:模擬電子開關(guān)D=0, S倒向地D=1, S倒向VREF電阻網(wǎng)絡(luò)求和運(yùn)算放大器VREF2R2R2R2R2

3、RRRR2RS0S1S2S3精密參考電壓D0D1D2D3+-3R3R/2UOVREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R+-3R3R/2UO當(dāng)D3D2D1D0=0000時(shí),S3S2S1S0都倒向地UO=0V (3) D/A轉(zhuǎn)換原理當(dāng)D3D2D1D0=0000時(shí)UO3R2R+-3R/2R等效電路3R0000AV= -1VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R+-3R3R/2UO D/A轉(zhuǎn)換原理(續(xù))當(dāng)D3D2D1D0=1000時(shí),S2S1S0都倒向地，S3倒向VREFUO3R+-3R/2等效電路2R2RVREF2RRVREF/2UO=-VR

4、EF/2當(dāng)D3D2D1D0=1000時(shí)0001AV= -13RVREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R+-3R3R/2UO D/A轉(zhuǎn)換原理(續(xù))當(dāng)D3D2D1D0=0100時(shí),S3S1S0都倒向地S2倒向VREF當(dāng)D3D2D1D0=0100時(shí)UO=-VREF/4UO3R+-3R/2等效電路2RRVREF2R2R2R3RVREF/40010AV= -1D/A轉(zhuǎn)換原理(續(xù))VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R+-3R3R/2UO同理可推導(dǎo)，當(dāng)D3D2D1D0=0010時(shí)， UO= VREF/8 當(dāng)D3D2D1D0=0001時(shí)， UO=

5、 VREF/16 D/A轉(zhuǎn)換原理(續(xù))D3D2D1D0=1000時(shí)，UO= VREF/2= D3VREF/21D3D2D1D0=0100時(shí)，UO= VREF/4= D2VREF/22D3D2D1D0=0010時(shí)，UO= VREF/8= D1VREF/23D3D2D1D0=0001時(shí)，UO= VREF/16= D0VREF/24根據(jù)疊加原理: UO= (D3VREF/21+ D2VREF/22 + D1VREF/23 + D0VREF/24 ) = (D3/21+ D2/22 + D1/23 + D0/24 ) VREF = (VREF /24) (23 D3 + 22 D2+ 21 D1 +

6、20 D0)UO = (VREF /24) (23 D3 + 22 D2+ 21 D1 + 20 D0)D/A轉(zhuǎn)換原理(續(xù))此式表明: D/A電路輸出模擬電壓UO與輸入的 數(shù)字量D3D2D1D0成正比15.1.2 8位D/A轉(zhuǎn)換器電路框圖8 D 鎖存器求和電路電阻網(wǎng)絡(luò)電子開關(guān)UOD7-D0CPVREF15.2 A/D轉(zhuǎn)換器(1)A/D功能: 將模擬電壓成正比地轉(zhuǎn)換成數(shù)字量A/DUI輸入模擬電壓D7D0輸出數(shù)字量0 5V0000000011111111分辨率:5V/255=0.0196V/每1個(gè)最低有效位15.2.1 A/D功能及分類(2)A/D轉(zhuǎn)換器分類 并聯(lián)比較型 特點(diǎn): 轉(zhuǎn)換速度快,轉(zhuǎn)換時(shí)

7、間 10ns 1s 逐次逼近型 特點(diǎn): 轉(zhuǎn)換速度中,轉(zhuǎn)換時(shí)間 幾s 100 s 雙積分型 特點(diǎn): 轉(zhuǎn)換速度慢,轉(zhuǎn)換時(shí)間 幾百s 幾ms根據(jù)內(nèi)部電路不同,分為以下三類:15.2.2并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器（三位）原理DQDQDQDQDQDQDQ7VR/86VR/85VR/84VR/83VR/82VR/8VR/8VRRRRRRRRRUIUI 6VR/8時(shí)，輸出=1UI 7VR/8時(shí)，輸出=1UI 7VR/8時(shí)，輸出=0UI 6VR/8時(shí)，輸出=0電壓比較器D鎖存器編 碼 器QBQAQGQFQEQCQDD2D1D0輸入模擬電壓精密 參考電壓精密電阻網(wǎng)絡(luò)（23個(gè)電阻）輸出數(shù)字量CPUI VR/8時(shí)，輸出

8、=1UI VR/8時(shí)，輸出=0并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器中的編碼器真值表 UI QA QB QC QD QE QF QG D2 D1 D0 6VR/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 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

9、 1 0 0 1 VR/8 UI 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 特點(diǎn)：輸入電壓UI每增加VR/8 ，輸出數(shù)字量增加1根據(jù)以上真值表設(shè)計(jì)編碼器的組合邏輯電路（設(shè)計(jì)略）15.3計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集原理簡(jiǎn)介A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部組成A/D電路模擬輸入三態(tài)門數(shù)字輸出寄存器精密穩(wěn)壓電源電源計(jì)算機(jī)讀取命令時(shí)序控制電路A/D轉(zhuǎn)換命令（來自計(jì)算機(jī)）轉(zhuǎn)換完成信號(hào)（由計(jì)算機(jī)檢測(cè)或申請(qǐng)計(jì)算機(jī)中斷）A/D轉(zhuǎn)換器計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集原理簡(jiǎn)介(續(xù))A/D轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)的連接A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換完成信號(hào)采樣/保持器模擬輸入讀取數(shù)據(jù)命令計(jì)算機(jī)接口A/D板A/D轉(zhuǎn)換命令 模擬輸入電壓在A/D轉(zhuǎn)換期間應(yīng)保持不變，否則A/D的輸出數(shù)據(jù)總隨

10、輸入電壓而變，所以需要采樣/保持器。計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集原理簡(jiǎn)介(續(xù))采樣/保持器采樣/保持器A/D轉(zhuǎn)換器u1u2模擬輸入數(shù)字輸出A/D轉(zhuǎn)換命令采樣/保持器的功能： 在A/D轉(zhuǎn)換期間，使A/D的輸入電壓u2保持不變。t計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集原理簡(jiǎn)介(續(xù))采樣/保持器輸入輸出波形圖A/D轉(zhuǎn)換命令高電平期間u2跟隨u1低電平期間u2保持不變，同時(shí)A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換u1 輸入模擬信號(hào)u2采樣/保持器輸出信號(hào)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集原理簡(jiǎn)介(續(xù))采樣/保持器電路原理C模擬電子開關(guān)電壓跟隨器電壓跟隨器采樣保持電容輸入輸出KA/D轉(zhuǎn)換命令高電平期間，K合上，C采樣低電平期間，K打開，C保持計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集原理簡(jiǎn)介(續(xù))采樣周期 采樣頻率A/D轉(zhuǎn)換命令TT：采樣周期，相鄰兩次采樣之間的時(shí)間間隔 單位 s，ms，sf=1/T：采樣頻率，每秒采樣的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù) 單位 Hz A/D轉(zhuǎn)換器將脈沖下降沿時(shí)的模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集原理簡(jiǎn)介(續(xù))在計(jì)算機(jī)屏幕上波形的恢復(fù)顯示tt1t2t3t4t5t6t7模擬信號(hào)信號(hào)幅度時(shí)間數(shù)字信