电子技术 教学课件 ppt 作者 陈瑞 第12章数模与模数转换器
第12章数模与模数转换器,12.1 D/A转换器,12.2 A/D转换器,本章将介绍A/D和D/A的基本概 念和原理电路，重点介绍常用电路芯片及其应用。,由于数字电子技术的迅速发展，尤其是计算机在自动控制、自动检测以及其他许多领域中的广泛应用，用数字电路处理模拟信号的情况已经非常普遍了。用数字电路处理模拟信号时，必须先把模拟信号转换成相应的数字信号（ 转换），方能送入数字系统(例如微型计算机)进行处理。处理后得到的数字信号需还原成相应的模拟信号( 转换），才能驱动执行机构。,12.1 D/A转换器,有权电阻网络 转换器,从数字信号到模拟信号的转换称为数-模转换，简称为 (Digital to Analog)转换，能够实现 转换的电路称为 转换器，简写为 。,倒置T型电阻网络 转换器,权电流型 转换器,权电容网络 转换器,开关树型 转换器,1. 转换的基本思路 转换器的作用是把数字量转换成模拟量。而每一位数字量都具有一定的“权”。,2.倒置T型 转换器 4位倒置T型转换器如图12-1所示。它由模拟开关、倒置T型电阻网络、基准电压 和运算放大器组成。,该电路用 和 两种阻值的电阻连接成倒置T型结构，因而称为倒置T型电阻网络。,图12-1 4位倒置T型D/A转换器,模拟开关,四位输入数字量,从基准电压 流入倒置T型电阻网络的总电流为，各支路电流为从 高位到低位按2的倍数递减，为,流向运算放大器反相输入端的电流为,N为输入四位二进制数字量所对应的十进制数。,运算放大器输出电压为,若取 ，则输出的模拟电压为,12.1.2 D/A转换器的主要技术指标,1.分辨率 分辨率是指 的最小输出电压（对应于输入数字量只有最低有效位为1）与最大输出电压（对应于输入数字量所有有效位全为1）之比。对n位 ，其分辨力为 （12-2）,它表示了 转换器在理论上可以达到的精度,2.转换精度 转换器的转换精度是指实际输出电压与理论输出电压之间的偏离程度。通常用最大误差与满量程输出电压之比的百分数表示。,3.输出建立时间 输出建立时间又称为转换时间。是指输入数字信号起，到输出电流或电压达到稳态值所需要的时间。,12.1.3 集成D/A转换器及应用,集成 转换器有很多产品，常用的 芯片及主要参数在表12-1中给出。,现以 为例，讨论其电路结构及应用方面的问题。,1. 的结构与管脚功能,（1） 内部结构。 内部有三部分电路组成，如图12-2a所示。,a) b) 图12-2 DAC0832的引脚图和结构框图 a) DAC0832的结构框图 b) DAC0832的引脚图,存放输入的数字量，使输入数字量得到缓冲和锁存,用于存放待转换数字量,（2）引脚功能。 共有20条引脚。引脚连接和命名如图12.2b所示。,3）输出线。 为运算放大器反馈线。当需要输出电压时， 接到外接运算放大器的输出端，作为运放的反馈电阻，以保证输出电压在合适范围内。,4）电源线。 为电源输入线，允许范围+5V+15V。为基准电压，一般在10V+10V范围内。,5）地线。DGND：数字地；AGND：模拟地。,2 的工作方式 有三种工作方式：直通方式、单缓冲方式、双缓冲方式。,a) b) c) 图12-3 的三种工作方式 a) 直通方式 b) 单缓冲方式 c) 双缓冲方式,直通方式用于输入数字量变化缓慢的场合。当输入数据变化速度较快，或系统中有多个设备共用数据线时，为保证 转换器工作正常，需要对输入数据进行锁存。,单缓冲方式是在输入数字量送入 转换器进行转换的同时，将该数字量锁存在8位输入寄存器中，以保证 转换级输入稳定，转换正常。,在双缓冲方式下，输入的数字量需经输入寄存器和DAC寄存器两级分别缓冲、锁存后才送入 转换器，如图12-3c所示。这种方式使它可以同时采集和 输出数据，即当转换输出某一数字信息所对应的模拟量时，还可以利用输入寄存器采集下一个数据，从而提高转换速度。更重要的是能够在多个转换器同时工作时，实现多通道的 同步输出。,3 的应用。 可与微处理器完全兼容，因此可利用微处理器实现对数模转换的控制。它内部无参考电压，因此使用时须外接高精度的基准电源。 是电流输出型数模转换器，要获得模拟电压输出时，还需外加一个由运放构成的电流-电压转换器。输出的电压信号有单极性和双极性两种。,图12-4 的单极性输出方式,图12-5 的双极性输出方式,12.2 A/D转换器,模拟信号到数字信号的转换称为模-数转换，简称为(Analogto Digital)转换，把实现 转换的电路称为 转换器，简写为 。 转换器是数/模转换的逆过程。,12.2.1 A/D转换器的基本原理,在 转换器中，输入的模拟量在时间和幅值上都是连续变化的，而输出的数字信号在时间和幅值上都是离散的。因此，将模拟量转换成数字量需分采样、保持、量化、编码四个步骤 ，即首先通过采样-保持电路对模拟信号进行采样、保持，然后再送入 转换电路中进行量化、编码，最终输出数字量。,图12-6 转换器的原理框图,在一个微小的时间内对模拟信号进行取样,由于输入模拟信号是连续变化的，而 转换总需要一定的时间，因此每一次采样结束后，要将此次采样的模拟信号保持到转换结束，以保证 转换器有足够的时间进行正常转换，这个过程就称为采样-保持。图12-7是常见的采样-保持电路。,图12-7 采样-保持电路,采样频率越高，采样-保持电路输出的阶梯波就越接近原模拟信号。可以证明，为了使取样信号不失真的表示模拟信号，采样控制信号的频率必须满足：,2.量化和编码 数字量是离散的，即任何一个数字量的大小只能是某一个规定的最小数量单位的整倍数。经过采样，输入模拟电压在时间上成为了离散信号，但在幅度上仍是连续变化的无限个值。因此在 转换时，必须将采样电压表示为规定的最小单位电压的整倍数，这个转换过程称为量化。量化所规定的最小电压称为量化单位，用表示。将量化后的有限个值用二进制代码表示称为编码。显然，数字信号最低有效位（LSB）为1所代表的数量大小就等于。编码得到的二进制代码就是 转换器输出的数字量。,模拟电压是连续的，因而被转换的模拟电压不一定能被整除，量化过程中不可避免的会引起误差，这种误差称为量化误差。,12.2.2 逐次比较型A/D转换器,逐次比较型 A/D转换器:是一种常用A/D转换器，其转换速度快，每秒钟可高达几十万次。,工作原理框图如图12-9所示。,转换器的工作原理框图,1.转换前先将寄存器清零，所以加给 D/A转换器的数字量全是零 .,2.换开始后，时钟信号首先通过控制逻辑将寄存器的最高位置成1，使寄存器的输出为1000。,这个数字量被D/A转换器转换成相应的模拟电压 uo ，并送到比较器与输入信号 行比较。如果 说明数字量过大，这个1应去掉；,然后，再按同样的方法将次高位置1，并比较 的大小以确定这一位的1是否应当保留。这样逐位比较下去，直到最低位比较完为止。这时寄存器里的数码就是所求的输出数字量。,12.2.3 A/D转换器的主要技术指标,1分辨率 分辨率以输出二进制代码的位数表示。位数越多，其量化误差越小，转换精确度越高，分辨率也就越高。,2转换精度 转换精度是指转换后的数字量所代表的模拟输入值与实际模拟输入值之差。,3转换速度 是指完成一次转换所需要的时间，即从接到转换控制信号到稳定输出数字量的时间。,表12-2 常用的ADC芯片,1ADC0809的结构,转换的启动控制端,转换结束信号线,数据输出允许控制线,时钟脉冲输入端,2.ADC0809的引角图,2.ADC0809的应用,图12-12 模拟量测量电路,根据C、B、A的地址译码信号来选通一路模拟量进行检测。测量结束后，由接在8个数字量输出端的发光二极管对被测模拟量进行二进制显示。,控制脉冲接ALE和START，每来一个脉冲，上升沿复ADC0809,对输入电压采样；下降沿启动 A/D转换,本章小结,1.A/D转换器是将模拟信号转换为数字信号，简写为ADC。D/A转换器是将数字信号转换为模拟信号，简称为 DAC。A/D转换器和 D/A转换器是现代数字系统的重要部件，应用日益广泛。,2.倒置T型电阻网络D/A转换器有如下特点：仅有R和2R两种阻值电阻；各2R支路电流 与相应的 数码状态无关，是定值。倒置T型电阻网络D/A转换器的精度和速度都较高，因此得到广泛应用。,3.本章简要介绍了逐次比较型A/D转换器，其转换原理与天平称重物一样，只不过所使用的比较数码依次减半而已。,4.A/D和D/A转换器的主要技术参数是分辨率、转换精度和转换速度。,5.A/DHED/A转换器的集成芯片种类繁多，不可能逐一列举。本章只介绍了 DAC0832、ADC0809两种常用集成转换芯片的外部功能及应用。,
