項目11-2 AD與DA轉(zhuǎn)換器 (1)課件講解

目錄：

4.1數(shù)字電路基礎(chǔ)知識

4.2基本門電路

4.3組合邏輯電路

4.4觸發(fā)器及時序邏輯電路

4.5集成定時器

4.6

A/D和D/A轉(zhuǎn)換器第4章數(shù)字電路基礎(chǔ)應(yīng)知：脈沖、數(shù)制和數(shù)碼的概念，脈沖的基本參數(shù)、三種邏輯關(guān)系、表達式及其真值表；基本門電路的邏輯功能及邏輯運算規(guī)律；編碼器、譯碼器和數(shù)字顯示器的原理；常用觸發(fā)器邏輯功能，寄存器、計數(shù)器的工作原理及邏輯功能；

555定時器工作原理，555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理。

第4章數(shù)字電路基礎(chǔ)應(yīng)會：基本門電路的邏輯功能及應(yīng)用；常用觸發(fā)器的邏輯功能及應(yīng)用；編碼器、譯碼器和數(shù)字顯示器的應(yīng)用；

555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用。第4章數(shù)字電路基礎(chǔ)汽車在工作過程中，經(jīng)常需要將傳感器拾取的一些物理量如速度、溫度、壓力等模擬信號轉(zhuǎn)換為汽車ECU(電控單元)能夠識別和處理的數(shù)字信號，而經(jīng)過ECU處理后的數(shù)字信號又必須再轉(zhuǎn)換為模擬信號，才能控制驅(qū)動裝置以實現(xiàn)對控制對象的控制。4.6A/D和D/A轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的裝置稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器(簡稱A/D轉(zhuǎn)換器)，而將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的裝置稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器(簡稱D/A轉(zhuǎn)換器)。5.6.1D/A轉(zhuǎn)換器

D/A轉(zhuǎn)換器是將數(shù)字量輸入轉(zhuǎn)換成模擬量輸出的電子線路，它是數(shù)字處理系統(tǒng)與模擬系統(tǒng)的接口電路。其有多種電路類型，其中T型電阻D/A轉(zhuǎn)換器是較常用的一種。1.T型電阻D/A轉(zhuǎn)換器(1)電路組成：四位T型電阻

D/A轉(zhuǎn)換器：由四部分組成：4.6A/D和D/A轉(zhuǎn)換器4.6.1D/A轉(zhuǎn)換器

T型電阻網(wǎng)絡(luò)：由若干個R和2R的電阻構(gòu)成。模擬開關(guān)：模擬開關(guān)S3、S2、S1、S0狀態(tài)分別受輸入數(shù)字信號D3、D2、D1、D0控制，即每一位二進制數(shù)碼相應(yīng)控制一個開關(guān)。以D3為例，當(dāng)D3=1時模擬開關(guān)S3合向左邊，支路電流I3流向Iout1。當(dāng)D3=0時，S3合向右邊，支路電流I3流向Iout2。1.T型電阻D/A轉(zhuǎn)換器(1)電路組成：四位T型電阻

D/A轉(zhuǎn)換器：由四部分組成：4.6A/D和D/A轉(zhuǎn)換器4.6.1D/A轉(zhuǎn)換器電流求和放大器：對各位數(shù)字量所對應(yīng)的電流進行求和，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓。基準(zhǔn)電壓：用作基準(zhǔn)的高精度電壓UREF，電壓穩(wěn)定度要求極高，一般通過專門設(shè)計的穩(wěn)壓電路獲得。1.T型電阻D/A轉(zhuǎn)換器(2)工作原理由輸入二進制數(shù)碼的各位分別控制相應(yīng)的模擬開關(guān)，通過電阻網(wǎng)絡(luò)得到一個與二進制數(shù)碼各位的權(quán)值成比例的電流，再經(jīng)過運放求和，轉(zhuǎn)換成與輸入二進制碼成比例的模擬電壓輸出。運放采用反相輸入方式連接，反相端為“虛地”。因此不論模擬開關(guān)接左邊還是右邊，電阻2R接模擬開關(guān)一側(cè)的電位為零。4.6A/D和D/A轉(zhuǎn)換器1.T型電阻D/A轉(zhuǎn)換器(2)工作原理等效電路如圖。由圖可知，從輸入端看進去整個電阻網(wǎng)絡(luò)的等效電阻為R，總電流為I=UREF/R。并且有4.6A/D和D/A轉(zhuǎn)換器即每位支路電流與二進制權(quán)值成正比。1.T型電阻D/A轉(zhuǎn)換器(2)工作原理

4.6A/D和D/A轉(zhuǎn)換器當(dāng)每位開關(guān)合向左邊時的支路電流由Iout1流出，開關(guān)合向右邊時的支路電流由Iout2流出，故在輸入不同的二進制數(shù)碼時，流過R1的電流Iout1的大小就不同。對于輸入一個任意四位二進制數(shù)D3D2D1D0有運放輸出電壓可表示為1.T型電阻D/A轉(zhuǎn)換器(2)工作原理

4.6A/D和D/A轉(zhuǎn)換器可見輸出的模擬電壓正比于輸入的二進制數(shù)字信號。依此類推，對于n位D/A轉(zhuǎn)換器，則有2．集成D/A轉(zhuǎn)換器舉例(以CC7520D/A轉(zhuǎn)換器為例)4.6A/D和D/A轉(zhuǎn)換器2．集成D/A轉(zhuǎn)換器舉例CC7520是用CMOS工藝制作的10位D/A轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部只包含10位T型電阻網(wǎng)絡(luò)和10個COMS雙向模擬開關(guān)，運算放大器需要外接。集成芯片引腳如圖。D0~D9為數(shù)據(jù)輸入端，UDD為芯片電源端，UREF是基準(zhǔn)電壓輸入端，Rf為反饋輸入端，Iout1、Iout2為電流輸出端。4.6A/D和D/A轉(zhuǎn)換器2．集成D/A轉(zhuǎn)換器舉例CC7520的基本應(yīng)用電路。

CC7520內(nèi)部16腳與1腳之間接有一個電阻Rf，且Rf=R=10k，此時運放輸出電壓4.6A/D和D/A轉(zhuǎn)換器4.6.2A/D轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換器與D/A轉(zhuǎn)換器的作用相反，A/D轉(zhuǎn)換器是將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出的電子線路，它是模擬系統(tǒng)與數(shù)字處理系統(tǒng)的接口電路。A/D轉(zhuǎn)換器的種類很多，逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器是常用的一種。1.逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器(1)電路組成逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的組成框圖：由順序脈沖發(fā)生器、逐次逼近寄存器、D/A轉(zhuǎn)換器和電壓比較器四部分組成。4.6A/D和D/A轉(zhuǎn)換器1.逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器(2)工作原理先設(shè)一個數(shù)字量DA，并將DA經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量UA后，與待轉(zhuǎn)換模擬量UX比較，若UA=UX，則可確定UX所轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量為DA。4.6A/D和D/A轉(zhuǎn)換器1.逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器(2)工作原理若初次比較UA≠UX，則修改所設(shè)定的數(shù)字量DA使其接近相等再比較，經(jīng)多次修改、設(shè)定、比較……逐次逼近直至UA=UX或最接近UX為止。最后設(shè)定量DA即是模擬量UX轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字量DX，確定輸出，完成模-數(shù)轉(zhuǎn)換過程。4.6A/D和D/A轉(zhuǎn)換器1.逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器(2)工作原理

順序脈沖發(fā)生器由五位環(huán)形計數(shù)器構(gòu)成，輸出五個在時間上有一定先后順序的

CP脈沖，送給逐次逼近寄存器。4.6A/D和D/A轉(zhuǎn)換器1.逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器(2)工作原理

逐次逼近寄存器由四個D觸發(fā)器構(gòu)成，在CP1~CP5推動下，記憶每次由電壓比較器比較結(jié)果并修改設(shè)定向D/A轉(zhuǎn)換器提供新的二進制輸入數(shù)碼。待轉(zhuǎn)換的模擬電壓UX送到同相端，反相端為D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬電壓UA，將最終比較結(jié)果經(jīng)四個D觸發(fā)器以數(shù)字量形式輸出，完成A/D轉(zhuǎn)換。4.6A/D和D/A轉(zhuǎn)換器(2)工作原理

如設(shè)D/A轉(zhuǎn)換器為四位T型電阻網(wǎng)絡(luò)，基準(zhǔn)電壓UR=-10V，待轉(zhuǎn)換UX=6.88V，工作前各觸發(fā)器清零。工作時，首先由順序脈沖發(fā)生器發(fā)出脈沖CP1=1，經(jīng)非門使D觸發(fā)器F4直接置1，于是Q4=1，Q3、Q2、Q1保持0態(tài)。這一設(shè)定數(shù)字量經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換成模擬量UA，由式4.6A/D和D/A轉(zhuǎn)換器(2)工作原理

工作時，首先由順序脈沖發(fā)生器發(fā)出脈沖CP1=1，經(jīng)非門使D觸發(fā)器F4直接置1，于是Q4=1，Q3、Q2、Q1保持0態(tài)。這一設(shè)定數(shù)字量經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換成模擬量UA，由式4.6A/D和D/A轉(zhuǎn)換器1.逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器(2)工作原理

且RF=R，可算出

UA=5V，小于UX=6.88V，說明該設(shè)定量DA=1000太小，下次比較時，該位數(shù)Q4=1應(yīng)保留，同時應(yīng)將第三位Q3增為1。4.6A/D和D/A轉(zhuǎn)換器1.逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器(2)工作原理

接著，由順序脈沖分配器發(fā)出脈沖CP2，供給F4作時鐘脈沖。由于UA<UX，電壓比較器輸出高電平，使D4=1，因此F4狀態(tài)不變，Q4仍保留為1。4.6A/D和D/A轉(zhuǎn)換器1.逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器(2)工作原理

同時，因為CP2經(jīng)非門使F3直接置1，故Q4=1，Q3=1，Q2=0，Q1=0，即DA=1100，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后UA=7.5V，大于UX=6.88V，說明該設(shè)定量DA又太大了，下次比較時，Q3=1，應(yīng)取消，變?yōu)?，同時，將Q2由0增至1。4.6A/D和D/A轉(zhuǎn)換器1.逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器(2)工作原理

然后，發(fā)出CP3作為F3的時鐘脈沖，因為UA＞UX，比較器輸出為低電平，D3=0，使得Q3=0；同時，CP3經(jīng)非門又使F2直接置1，故Q4=1，Q3=0，Q2=1，Q1=0，這時，UA=6.25V，小于UX=6.88V。4.6A/D和D/A轉(zhuǎn)換器1.逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器(2)工作原理

繼之，發(fā)出CP4，作為F2的時鐘脈沖，因為UA＜UX，比較器輸出又是高電平，D2=1，故Q2=1保留；同時，因為CP4又使F1直接置1，故Q4=1，Q3=0，Q2=1，Q1=1，這時，UA=6.875V，略小于UX。4.6A/D和D/A轉(zhuǎn)換器1.逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器(2)工作原理

最后，發(fā)出CP5作為F1的時鐘脈沖，由于UA＜UX，D1=1，Q4=1，Q3=0，Q2=1，Q1=1不變，誤差小于數(shù)字量的最低位，因此DA=1011即為由模擬量6.88V轉(zhuǎn)換而來的數(shù)字量DX。4.6.2A/D轉(zhuǎn)換器4.6A/D和D/A轉(zhuǎn)換器2．集成A/D轉(zhuǎn)換器舉例

ADC0801A/D轉(zhuǎn)換器引腳排列和典型外部接線圖。被轉(zhuǎn)換電壓從UIN(+)和UIN(-)輸入。UIN(+)、UIN(-)是輸入級差分放大電路的兩個輸入端。如果輸入電壓為正，則信號加到UIN(+)端，UIN(-)端接地(AGND)。4.6A/D和D/A轉(zhuǎn)換器2．集成A/D轉(zhuǎn)換器舉例如果為負則反之。AGND是模擬地端，DGND是數(shù)字端。分開設(shè)置，目的是使數(shù)字電路的地電流不影響模擬回路，以防止寄生耦合造成的干擾。4.6A/D和D/A轉(zhuǎn)換器2．集成A/D轉(zhuǎn)換器舉例參考電壓可以由外部電路提供，從UREF/2端直接送入。當(dāng)UCC精確穩(wěn)定時也可作電壓基準(zhǔn)。這時ADC0801芯片內(nèi)設(shè)有分壓電路可自行提供UCC/2參考電壓，UREF/2端不必外接電源，懸空即可。4.6A/D和D/A轉(zhuǎn)換器2．集成A/D轉(zhuǎn)換器舉例

ADC0801內(nèi)部設(shè)有時鐘電路，只要在外接CLKR和CLK兩端接一電阻和一電容就可產(chǎn)生A/D轉(zhuǎn)換所需要時鐘，其振蕩頻率fCLK≈1/(1.1RC)。典型應(yīng)用參數(shù)為R=10k，C=150pF，fCLK≈600kHz。若采用外部時鐘，可從CLK端送入，不接R、C。4.6A/D和D/A轉(zhuǎn)換器2．集成A/D轉(zhuǎn)換器舉例

是片選端，是寫控制端，當(dāng)和同時有效時(無為低電平)啟動A/D轉(zhuǎn)換。是轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出端。當(dāng)本次轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成，該端從高電平跳到低電平。4.6A/D和D/A轉(zhuǎn)換器2．集成