第15章 數(shù)-模和模-數(shù)轉(zhuǎn)換器

《電工電子技術(shù)與技能》電子教案PAGEPAGE6課題15.1數(shù)-模轉(zhuǎn)換器（DAC）15.2模-數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）課型新課授課班級授課時數(shù)2教學(xué)目標(biāo)1．理解數(shù)-模和模-數(shù)轉(zhuǎn)換的基本概念2．熟悉數(shù)-模和模-數(shù)轉(zhuǎn)換的工作原理3．熟悉數(shù)-模和模-數(shù)轉(zhuǎn)換的特點4．理解數(shù)-模和模-數(shù)轉(zhuǎn)換的主要技術(shù)指標(biāo)5．了解典型數(shù)-模和模-數(shù)轉(zhuǎn)換集成電路引腳和功能教學(xué)重點1．能根據(jù)要求合理選擇數(shù)-模和模-數(shù)轉(zhuǎn)換器2．會搭接集成數(shù)-模和模-數(shù)轉(zhuǎn)換的典型應(yīng)用電路教學(xué)難點1.理解數(shù)-模和模-數(shù)轉(zhuǎn)換的基本概念2.數(shù)-模和模-數(shù)轉(zhuǎn)換的應(yīng)用教學(xué)方法讀書指導(dǎo)法、分析法、演示法、練習(xí)法。學(xué)情分析教后記A.話題引入新課新課在現(xiàn)代化的車間，計算機控制技術(shù)無處不在。因此也有很多需要將計算機的指令傳達給執(zhí)行機構(gòu)來完成相應(yīng)的控制場合，而這些執(zhí)行機構(gòu)通常是一些由模擬量控制的閥門、開關(guān)等，那么如何將計算機的指令及數(shù)字量轉(zhuǎn)化為用于控制的模擬量呢?我們可以用數(shù)-模轉(zhuǎn)換器(DAC)來實現(xiàn)。B.新授課15.1.1DAC的基本概念級轉(zhuǎn)換特性1.DAC的基本概念能將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的器件就是數(shù)-模轉(zhuǎn)換器。如果把數(shù)字量用字母D來表示，模擬量用字母A來表示，用字母C來表示轉(zhuǎn)換器時，數(shù)-模轉(zhuǎn)換器就可以簡稱DAC。構(gòu)成數(shù)字代碼的每一位都有一定的“權(quán)重”，因此，為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，就必需每一位代碼按其“權(quán)重”轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后再將代表各位的模擬量相加，即可得到與該數(shù)字量成正比的模擬量，這就是構(gòu)成DAC的基本思想。2.DAC的基本組成和分類DAC通常是由參考電壓、譯碼電路和電子開關(guān)三個基本部分組成。按解碼網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不同，DAC可分為T形電阻網(wǎng)絡(luò)、倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)、權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)等。按模擬電子開關(guān)電路的不同，DAC又可分為CMOS開關(guān)型和雙極型開關(guān)型。3.DAC的功能DAC通常由數(shù)碼寄存器、模擬電子開關(guān)電路、解碼電阻網(wǎng)絡(luò)、求和放大電路及基準(zhǔn)電壓幾部分組成，如圖15-1所示。4.DAC的主要技術(shù)指標(biāo)分辨率：指轉(zhuǎn)換器理論上可以達到的精度。轉(zhuǎn)換誤差：DAC實際能達到的轉(zhuǎn)換精度。線性度：理想的D/A轉(zhuǎn)換器，輸出電壓與輸入數(shù)字之間有嚴(yán)格的線性關(guān)系，當(dāng)輸入數(shù)字信號作等量增加時，其輸出的模擬電壓也作等量增加。建立時間：在輸入變化后，輸出值穩(wěn)定到距最終輸出量所需時間，稱為建立時間，建立時間反應(yīng)了DAC電路轉(zhuǎn)換的速度。15.1.2DAC工作原理1.權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器4位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器電路結(jié)構(gòu)如圖16-2所示。VREF是基準(zhǔn)電源，存在于數(shù)字寄存器的數(shù)碼作為輸入數(shù)字量D3D2D1D0分別控制4個模擬電子開關(guān)S3、S2、S1、S0。例如，當(dāng)D3=0時，電子開關(guān)S3投擲向右邊，使電阻接地；D3=1時，電子開關(guān)S3投擲向左邊，使R與VREF接通。4個電阻稱為權(quán)電阻。權(quán)電阻的阻值大小與該位的權(quán)值成反比，如D2位的權(quán)值是D1的兩倍，而所應(yīng)的權(quán)電阻值卻是D1的1/2。2.R-2R倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器

4位R-2R倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器電路結(jié)構(gòu)如圖16-3所示。VREF是基準(zhǔn)電源，輸入數(shù)字量D3D2D1D0分別控制4個模擬電子開關(guān)S3、S2、S1、S0。由圖16-3可見T形電阻網(wǎng)絡(luò)中電阻類型少，只有R和2R兩種，電路構(gòu)成比較方便,從而克服了權(quán)電阻阻值多且阻值差別大的缺點。由電路結(jié)構(gòu)可得，D、C、B、A四點電位逐位減半。16.1.3集成數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC0832DAC0832引腳圖如圖15-4所示，它是一個8位的A/D轉(zhuǎn)換器，即在對其輸入8位數(shù)字量后，通過外接的運算放大器，可以獲得相應(yīng)的模擬電壓值。DAC0832的分辨率為8位，轉(zhuǎn)換時間為1us，滿量程誤差為，參考電壓為+10V～-10V，供電電源為+5V～+15V，邏輯電平輸入與TTL兼容。DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖15-5所示。[DAC0832各引腳的功能定義如下]D7～D0：8位數(shù)據(jù)輸入端。IOUT1：模擬電流輸出端1.當(dāng)DAC寄存器中數(shù)據(jù)全為1時，輸出電流最大；當(dāng)DAC寄存器中數(shù)據(jù)全為0時，輸出電流為0。IOUT2:模擬電流輸出端2。IOUT1+IOUT2=常數(shù)RFB:反饋電阻引入端DAC0832內(nèi)部已經(jīng)有反饋電阻，所以RFB端可以直接接到外部運算放大器的輸出端，這樣相當(dāng)于將一個反饋電阻接在運算放大器的輸出端和輸入端之間VREF:參考電壓輸入端。此端可接一個正電壓，也可接一個負電壓，范圍為+10V～-10VVCC:芯片供電電壓，范圍為+5V～+15VAGND:模擬地DGND:數(shù)字地15.2模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）15.2.1ADC的基本概念和轉(zhuǎn)換原理模/數(shù)轉(zhuǎn)換器是將模擬電壓（或電流）轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的電路。模/數(shù)轉(zhuǎn)換廣泛應(yīng)用于計算機實時控制系統(tǒng)中。模/數(shù)轉(zhuǎn)換一般要分采樣、保持和量化、編碼兩步進行。采樣過程是按一定的時間間隔對模擬量抽取一個樣值；將采樣值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字量需要一定的時間，為了保證在轉(zhuǎn)換的過程中，所采的樣值沒有變化，就必須要將樣值保持到下一個采樣脈沖到來的時候，這個過程就是保持的過程。在樣值保持的這段時間內(nèi)，將取樣值編程離散的量值，就是量化過程；量化后的離散量值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，就是編碼過程。經(jīng)過采樣、保持和量化、編碼后就可以將在時間上和量值上是連續(xù)的模擬信號變?yōu)樵跁r間和量值上都是離散的數(shù)字信號，并將其對應(yīng)的數(shù)字量輸出。1.采樣保持電路

采樣保持的基本原理如圖15-6所示。模擬電子開關(guān)S在采樣脈沖fs的控制下重復(fù)接通、斷開的過程。當(dāng)S接通時，uI(t)對CH充電，為采樣過程；當(dāng)S斷開時，CH上的電壓保持不變，為保持過程。在保持過程中，采樣的模擬電壓經(jīng)數(shù)字化編碼電路轉(zhuǎn)換成一組n位的二進制數(shù)輸出。

采樣-保持器最主要的作用是將連續(xù)的模擬信號離散化，即在采樣脈沖的控制下完成對輸入模擬量的定時采樣。2.量化編碼電路

過采樣、保持而得到的取樣電壓值仍然是模擬量，這時就需要對其進行量化、編碼。數(shù)字量的大小一定是某個最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。將取樣電壓化為這個最小單位的整數(shù)倍的過程稱為量化。所取的最小數(shù)量單位叫做量化單位，用Δ表示，數(shù)字信號最低有效位（LSB）的1所代表的數(shù)量大小就等于Δ。把量化的結(jié)果用代碼（二進制或其他進制等）表示出來，稱為編碼。這個編碼值就是ADC的輸出結(jié)果。3.ADC的主要技術(shù)指標(biāo)

分辨率:它是指轉(zhuǎn)換器能分辨最小的量化信號的能力。

轉(zhuǎn)換誤差:它是指轉(zhuǎn)換后所得結(jié)果相對應(yīng)于實際值的準(zhǔn)確程度。

轉(zhuǎn)換速度:轉(zhuǎn)換速度可用完成一次A/D轉(zhuǎn)換需要得時間來衡量，從接到轉(zhuǎn)換控制信號開始，到輸出端得到穩(wěn)定得數(shù)字輸出信號所經(jīng)過的時間稱為轉(zhuǎn)換時間。15.2.2A/D轉(zhuǎn)換方法1．并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)框圖如圖16-7所示。轉(zhuǎn)換器由2n-1個比較器、2n-1位寄存器、優(yōu)先編碼器及能產(chǎn)生2n-1個基準(zhǔn)電壓的2n個精密電阻組成。輸入模擬電壓uI與各比較器參考電平比較，產(chǎn)生的2n-1位二進制碼，通過寄存器寄存，并被譯碼成n位二進制數(shù)（Dn-1～D0）,完成模擬信號的數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。2.逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器如圖16-8和計數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器都屬于反饋比較型A/D轉(zhuǎn)換器。逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器是在計數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器基礎(chǔ)上用寄存器和控制邏輯電路取代計數(shù)器而成。逐次比較型用最快的方法逼近輸入模擬量，而計數(shù)型則用計數(shù)器遞增方式逼近模擬量。逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器開始轉(zhuǎn)換時計數(shù)器最高位為1，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓uA=uAMAX/2與輸入電壓uI進行比較；若uA大于uI則下個CP脈沖后，計數(shù)器高位為0，本位為1；若uA小于uI，則CP脈沖來到后，計數(shù)器高位保持而本位為1，也即第二個CP后uA=uAMAX/4，依次類推，最終計數(shù)器各位數(shù)值被逐一確定。確定n位計數(shù)器各位數(shù)值至少需要n個時鐘周期（TCP），一般一次轉(zhuǎn)換需要n+2個TCP。15.2.3ADC0809ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機直接接口。ADC0809由一個8路模擬開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。[ADC0809各腳功能如下]

D7-D0：8位數(shù)字量輸出引腳。

IN0-IN7：8位模擬量輸入引腳。

VCC：+5V工作電壓。

GND：地。

REF（+）：參考電壓正端。

REF（-）：參考電壓負端。