電工學(xué)第10章課件

1、一、基本內(nèi)容：1. 數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換的基本概念 ；2. 幾種D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)和工作原理 ；3. 幾種A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)和工作原理 ；4. 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成和實例。 10 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器1. 通過學(xué)習(xí)，掌握數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換的基本概念；2. 了解幾種 D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)和工作原理；3. 了解幾種A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)和工作原理 ；4. 理解數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成和實例 。 二、教學(xué)要求：10 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器 10.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A轉(zhuǎn)換器）返回主目錄模擬量是隨時間連續(xù)變化的量，例如溫度、壓力、速度、位移等非電量絕大多數(shù)都是連續(xù)變化的模擬量，他們可以通過相應(yīng)的傳感器變換為連續(xù)變化的模擬量（電

2、壓和電流）。而數(shù)字量是時間和幅值上都離散的量。 D/A轉(zhuǎn)換器通常由譯碼網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)、求和運算放大器和基準電壓源等部分組成。根據(jù)譯碼網(wǎng)絡(luò)的不同，可以構(gòu)成多種D/A轉(zhuǎn)換電路。10.1.1 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器1. 電路原理圖返回主目錄 10.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A轉(zhuǎn)換器）返回主目錄2. 工作原理 10.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A轉(zhuǎn)換器）由電路可知，流過各權(quán)電阻的電流為流入運算放大器反相端的電流為 2. 優(yōu)點是電路簡單。缺點是權(quán)電阻阻值相差太大，既難保證精度，也不易集成化。注意：1. 當(dāng)輸出電壓的大小與輸入的二進制數(shù)成正比，從而實現(xiàn)了數(shù)字量到模擬量轉(zhuǎn)換。返回主目錄 10.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A轉(zhuǎn)換器

3、）時:返回主目錄10.1.2 T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器 10.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A轉(zhuǎn)換器）1. 電路原理圖返回主目錄 10.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A轉(zhuǎn)換器）2. 工作原理當(dāng)（其余為0）時，即輸入 ，其 等效電路如圖（a）所示, 應(yīng)用戴維寧定理。將圖（a）電路等效為圖（b）所示。 同理，可以得到圖（c）、(d)、(e)的等效電路。 返回主目錄 10.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A轉(zhuǎn)換器）由圖（e）可知,只有當(dāng) （其余位均為0）時， T型電阻網(wǎng)絡(luò)的開路電壓為 同理，分別對只當(dāng) 時，計算T型電阻網(wǎng)絡(luò)的開路電壓，它們分別為 最后應(yīng)用疊加原理得到輸入任意數(shù)字代碼時T型電阻網(wǎng)絡(luò)的開路電壓為返回主目錄 10.1 數(shù)

4、模轉(zhuǎn)換器（D/A轉(zhuǎn)換器）（其余位0） 根據(jù)反相比例運算放大電路輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系，可得電路輸出的模擬電壓為返回主目錄 10.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A轉(zhuǎn)換器）同理可得，如果T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器輸入的是n位二進制數(shù)，則輸出模擬電壓為返回主目錄 10.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A轉(zhuǎn)換器）注意：1.如果取則輸出模擬電壓為D/A轉(zhuǎn)換器的輸出模擬電壓與輸入的二進制數(shù)成正比，從而實現(xiàn)了數(shù)字量到模擬量轉(zhuǎn)換。 2.優(yōu)點是它只需要兩種阻值的電阻,對選用高精度電阻和提高轉(zhuǎn)換器的精度是有利的。缺點是當(dāng)開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化時，各支路的電流將發(fā)生變化，需要有電流的建立時間，影響轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。返回主目錄 10.1 數(shù)模轉(zhuǎn)

5、換器（D/A轉(zhuǎn)換器）10.1.2 T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器 1. 電路原理圖返回主目錄 10.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A轉(zhuǎn)換器）2. 工作原理圖是輸入數(shù)字代碼時的等效電路。 根據(jù)運算放大器的虛地概念不難看出，從虛線AA、BB、CC、DD處向左看進去的等效電阻均為R，基準電壓源的總電流為返回主目錄 10.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A轉(zhuǎn)換器）流入運算放大器的電流為 流入虛地的總電流為輸出電壓可表示為如果是n位的D/A轉(zhuǎn)換器，則U0的表達式為返回主目錄 10.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A轉(zhuǎn)換器）注意：1、模擬開關(guān)在地與地之間轉(zhuǎn)換，不論開關(guān)狀態(tài)如何變化，各支路的電流始終不變，因此，不需要電流建立時間；2、各支路的電流

6、直接流入運算放大器的輸入端，不存在傳輸時間差，因而提高了轉(zhuǎn)換速度，并減少了動態(tài)過程中輸出電壓的尖峰脈沖；3、倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器是用得最多的一種。DAC0832是采用CMOS工藝制成的單片直流輸出型8位D/A轉(zhuǎn)換器，其D/A轉(zhuǎn)換原理如圖所示.返回主目錄 10.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A轉(zhuǎn)換器）10.1.4 集成D/A轉(zhuǎn)換器及主要技術(shù)參數(shù)1、集成D/A轉(zhuǎn)換器1）電路原理圖它由倒T型 電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)組成，運 算放大器和參考電壓需外接。 返回主目錄 10.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A轉(zhuǎn)換器）為：運算放大器輸出的模擬量2）DAC0832的邏輯框圖和引腳排列 返回主目錄 10.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A轉(zhuǎn)換

7、器）DAC0832由8位輸入寄存器、8位數(shù)據(jù)寄存器和8位D/A轉(zhuǎn)換器三大部分組成。它有兩個分別控制的寄存器，可以實現(xiàn)兩次緩沖。所以使用時有較大的靈活性。 返回主目錄 10.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A轉(zhuǎn)換器）返回主目錄數(shù)字信號輸入端；片選信號，低電平有效； 10.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A轉(zhuǎn)換器）ILE：輸入寄存器允許，高電平；DAC電流輸出端； 寫信號2，低電平有效；傳送控制信號，低電平有效；寫信號1，低電平有效；是集成在片內(nèi)的外接運放的反饋電阻； 基準電壓 （返回主目錄 10.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A轉(zhuǎn)換器）；是源電壓 （）；AGND：模擬地 NGND：數(shù)字地。 2、主要技術(shù)參數(shù)1） 轉(zhuǎn)換精度（1）分

8、辨率： 指最小輸出電壓和最大輸出電壓之比。有時也用輸入數(shù)字量的有效位數(shù)來表示分辨率。返回主目錄 10.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A轉(zhuǎn)換器）（2）轉(zhuǎn)換誤差： 是指輸出模擬電壓的實際值與理想值之差，即最大靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。2）轉(zhuǎn)換速度 是指從輸入數(shù)字信號起，到輸出電壓或電流到達穩(wěn)定值時所需要的響應(yīng)時間。返回主目錄10.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器10.1.4 集成D/A轉(zhuǎn)換器及主要技術(shù)參數(shù)通常A/D轉(zhuǎn)換需經(jīng)過采樣、保持和量化、編碼這兩大步驟來完成。1、采樣、保持所謂采樣，就是把一個時間上是連續(xù)的信號變換為對時間離散的信號。我們把每次的采樣值存儲到下一個脈沖到來之前稱為保持。返回主目錄10.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器返回主目錄10.2

9、 模數(shù)轉(zhuǎn)換器2、量化、編碼 通常把采樣后的電壓幅值化為最小數(shù)量單位的整數(shù)倍的過程叫做量化。用數(shù)字代碼表示量化結(jié)果的過程叫做編碼。返回主目錄10.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器3、A/D轉(zhuǎn)換器的分類返回主目錄10.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器10.2.2 并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器1. 電路原理圖三位并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器電路返回主目錄10.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器2、工作原理1）制信號CP到來后，7個觸發(fā)器都置0。經(jīng)編碼器編 返回主目錄10.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器時，7個比較器輸出全為0，轉(zhuǎn)換控碼后輸出的二進制代碼為 2）時，7個比較器中只有輸出為1， CP到來后，只有觸發(fā)器FF1置1，其余觸發(fā)器仍為0。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進制代碼為 返回主

10、目錄10.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器3）時，比較器、輸出為1，CP到來后，觸發(fā)器FF1、FF2置1。經(jīng)編碼器編碼后輸 出的二進制代碼為 4）時，比較器C1、 C2、 輸出為1，CP來后，觸發(fā)器FF1、FF2、FF3置1。經(jīng)編碼器編碼后輸出的二進制代碼為 依此類推，可以列出在不同的電壓范圍內(nèi)時寄存器的狀態(tài)及相應(yīng)的輸出二進制數(shù)。 返回主目錄10.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器返回主目錄并聯(lián)型A/D轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點是轉(zhuǎn)換速度快，是所有A/D中速度最快的一種。其缺點是需要的比較器數(shù)目較多，電路復(fù)雜、成本高、價格貴，一般分辨率較低。10.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器注意：返回主目錄10.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器10.2.3 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器1. 電路原

11、理圖逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器又稱逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器。它主要包括寄存器、D/A轉(zhuǎn)換器、電壓比較器、順序脈沖發(fā)生器及相應(yīng)的控制電路。1)轉(zhuǎn)換開始前先將寄存器清零，則加在D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量就為0。 2) 首先將寄存器最高位置成1，使寄存器的輸出為10000，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓，送到電壓比較器與待轉(zhuǎn)換的模擬電壓進行比較，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓U0，送到電壓比較器與待轉(zhuǎn)換的模擬電壓進行比較。返回主目錄10.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器2、工作原理返回主目錄10.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器3) 如果 說明數(shù)字過大，應(yīng)將這個1清除； 4) 如果 說明數(shù)字還不夠大，這個1應(yīng)該保留。 5）再將次高位置

12、1，并按上述方法確定這位的1是否保留。這樣逐位比較下去，直到最低位為止。 3、逐次漸近型A/D的特點1）n位逐次漸近型A/D完成一次轉(zhuǎn)換需進行n次比較，經(jīng)n+2個時鐘脈沖，即轉(zhuǎn)換一次所需時間固定，為(n+2)Tcp，屬于中速A/D； 2） 由于轉(zhuǎn)換所需時間不隨輸入的改變，可采用定時查詢的方式讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果；3） 電路簡單，成本較低。返回主目錄10.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器返回主目錄10.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器10.2.4 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器1. 電路原理圖雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器在一次轉(zhuǎn)換過程中要進行兩次積分。返回主目錄10.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器2、工作原理1）第一次積分為采樣階段：控制邏輯電路使開關(guān)接至模擬電壓 積分器

13、對 在固定時間內(nèi)進行積分。 返回主目錄10.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器返回主目錄10.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器2）第二次積分為比較階段：積分器對基準電壓 進行反向積分。積分器的輸出電壓開始回升，經(jīng)時間 后回到零，比較器輸出變?yōu)?，停止計數(shù)。 從式中可看出，計數(shù)器計得的數(shù)字量N2與輸入電壓在T1時間間隔內(nèi)的平均值U1成正比。返回主目錄10.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器注意：雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器與逐次逼近型A/D相比，最大的優(yōu)點是它具有較強的抗干擾能力。其缺點是轉(zhuǎn)換速度較慢，轉(zhuǎn)換時間一般在幾十ms左右。是指輸出數(shù)字最低位發(fā)生變化時對應(yīng)輸入模擬信號的變化量，也可用輸出二進制代碼的位數(shù)來表示分辨率。返回主目錄10.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器10.2.5 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標1 、分辨率2 、轉(zhuǎn)換時間 是指完成一次A/D轉(zhuǎn)換時間所需要的時間。3 、相對精度 是指實際轉(zhuǎn)換值與理想特性之間的最大偏差。1、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構(gòu)成原理采樣頻率： 返回主目錄10.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡介返回主目錄10.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡介2、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用舉例如圖所示是醫(yī)用心電監(jiān)護儀中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成框圖，它由數(shù)據(jù)采集電路、時序電路、存儲電路、顯示電路