数第7章 数模与模数转换.ppt

2020年5月29日星期五,西华师范大学岳淼,1,第7章数模与模数转换电路,7.1D/A转换器,7.2A/D转换器,2020年5月29日星期五,西华师范大学岳淼,2,能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器，简称A/D转换器或ADC；能将数字量转换为模拟量的电路称为数模转换器，简称D/A转换器或DAC。ADC和DAC是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口。,概述,2020年5月29日星期五,西华师范大学岳淼,3,压力,温度,流量,液位等通过传感器转变成相应的电压或电流的模拟信号,由DAC转换成模拟量信号的电压和或电流,数字计算机工业控制系统示意图,由计算机依次选通，进入ADC转换成数字量信号,经过计算机数据处理，输出为数字量,计算机选择某一执行机构，去调节控制对象。,2020年5月29日星期五,西华师范大学岳淼,4,7.1.1R-2R倒T形电阻网络DAC基本原理,7.1.2集成D/A转换器AD7520电路结构和应用,7.1.3D/A转换器的主要技术指标,7.1D/A转换器,2020年5月29日星期五,西华师范大学岳淼,5,1、R-2R倒T形电阻网络DAC基本原理图,模拟开关S3-S0表示四位二进制数,四位的二进制数,当Di=1表示Si接1,电阻上通过电流流向I01,当Di=0即表示开头接0,流过相应电阻的电流流向I02到地端,各节点向右看的二端网络的等阻值为R,等效电路为,2020年5月29日星期五,西华师范大学岳淼,6,由基准电源VREF供出电流为:IR=VREF/R,因此由节点D分出去的两路支路电流必相等,则有,2020年5月29日星期五,西华师范大学岳淼,7,同理可以得出：,当DI=1时，表示相应的Ii流向IO1,R-2R倒T形电阻网络D/A转换器,2020年5月29日星期五,西华师范大学岳淼,8,运算放大器和T形网络中各支路电阻、反馈电阻组成反相求和运算电路。可得输出电压为：,若取Rf=R,则D/A转换后的输出电压表示为:,同理,当Di为n位的二进制数,则相应R-2R倒T形电阻网络也有n个节点,则D/A转换后的输出电压为:,2020年5月29日星期五,西华师范大学岳淼,9,AD7520电路的内部电路结构,2、集成D/A转换器AD7520电路结构和应用,符号图,2020年5月29日星期五,西华师范大学岳淼,10,当R=10k,2R=20k,故RF=10k,根据公式则转换后的输出电压为:,其中T1-T7构成两个互为倒相的CMOS反相器。,当Di=1时,T1导通,T4,T5为高电平,T6,T7为低电平,T8截止,T9导通,Ii流向I01,当D0=0时,T9截止,T8导通,Ii流向I02起到电流模拟开关作用。,CMOS电流开关,2020年5月29日星期五,西华师范大学岳淼,11,应用电路,AD7520D/A转换器可用作单极性电压或双极性电压输出,1.单极性输出应用电路,当D9-D0数码为全1时,其对应的十进制数为:,210-1=1023,2020年5月29日星期五,西华师范大学岳淼,12,例:AD7520D/A转换器组成的DAC电路中,已知VREF=10V,求当输入数码为37C(H)时，转换成单极输出电压为多大?,解:求出37C(H)对应的十进制数37C(H)=(001101111100)2=(892)10=N10故UO=-VREF/210。N10=-10/1024892=-8.71V,单极性输出电路,2020年5月29日星期五,西华师范大学岳淼,13,3、D/A转换器的主要技术指示,一、分辨率分辨率是指对输出最小电压的分辨能力。它是输入数码只有最低有效位为1时的输出电压与输入数码为全1时输出满量程电压之比。可表示为:对于10位D/A转换器的分辨率为,二、绝对误差绝对误差又称绝对精度,是指当输入数码为全1时所对应实际输出电压与电路理论值之差。,三、转换精度一般是指最大的静态误差。它是一个综合性误差，包括基准电的漂移误差、运放漂移误差、比例系数误差以及非线性误差等。,2020年5月29日星期五,西华师范大学岳淼,14,模拟电压信号,二进制数码,直接A/D,并联比较型,反馈比较型,计数型,逐次比较型,间接A/D,7.2A/D转换器,2020年5月29日星期五,西华师范大学岳淼,15,A/D转换的基本原理,输出数字量D正比于输入模拟量uI。,2020年5月29日星期五,西华师范大学岳淼,16,采样：把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号。保持：保持采样信号，使有充分时间转换为数字信号。量化：把采样保持电路的输出信号用单位量化电压的整数倍表示。编码：把量化的结果用二进制代码表示。,A/D转换的一般步骤,2020年5月29日星期五,西华师范大学岳淼,17,集成采样/保持电路LF398(SHM-LM-2)简介,模拟电子开关,A1为运算放大器,具有工作速度高和失调电压低的特点.,LF398电路结构及外部元件连接图,运算放大器A2，具有噪声低和输入阻抗高的特点。,为开关驱动器,2020年5月29日星期五,西华师范大学岳淼,18,集成采样/保持电路LF398(SHM-LM-2)简介,LF398电路结构及外部元件连接图,当ULUREF+UT时，S闭合。当UL0,所以uO0。,S1接通a点,积分器对uI积分,1,G开放，CP进入计数器开始计数。,积分器输出为：,2020年5月29日星期五,西华师范大学岳淼,22,第二次积分,Qn=1,S1接通b,电容有初始电压进行反积分,计数器在Qn=1的基础上,在最低位Q0=0开始计数.当电压上电容为0,UC=0,封锁了G，计数器停止计数。,2020年5月29日星期五,西华师范大学岳淼,23,将T2=t2t1=NTC及代入,属于V-T型ADC,若取VREF=2n则N=uI,即计数值表示为被转换的输入电压uI数值,2020年5月29日星期五,西华师范大学岳淼,24,逐一添加比较，凡砝码总质量小于物体质量的砝码留下，否则舍去。,保留的砝码为128g+16g+4g+1g=149g相当于转换的数码为D7D0=10010101,逐次逼近型A/D转换器被保留的电压相当于天平所称的物体质量，而所转换的数字量相当于在天平上逐次添加砝码所保留下来的砝码质量。,2、逐次逼近型A/D转换器,2020年5月29日星期五,西华师范大学岳淼,25,逐次逼近型A/D转换器的基本电路,比较器C,3位D/A转换器,数码寄存器,环形右移寄存器,2020年5月29日星期五,西华师范大学岳淼,26,为了提高ADC转换精度,在输出端加负的偏移电压=0.5V,作为量化误差修正,送入比较器的电压为uO=uO-,使精度提高一倍。,3位D/A转换器输出的相当于砝码值的电压,根据D/A转换器原理可知,若VREF=8V,则3位DAC能分辨的最小电压为S=8V=1V,在CP时钟脉冲作用下，QAQE逐个循环产生脉宽与CP周期相同的节拍脉冲,2020年5月29日星期五,西华师范大学岳淼,27,工作原理,设定：,5.9V,时,时,转换开始前，先将FF2FF1、FF0清零。设QAQBQCQDQE=10000G变为高电平以后，转换开始。,2020年5月29日星期五,西华师范大学岳淼,28,Q2=1应保留,5.9V,第一个节拍,3.5V,0,2020年5月29日星期五,西华师范大学岳淼,29,Q1=1应保留,Q2=Q1=1应保留,5.9V,第二个节拍,0,5.5V,2020年5月29日星期五,西华师范大学岳淼,30,Q2=Q1=1应保留,5.9V,第三个节拍,1,6.5V,Q0=1不应保留,2020年5月29日星期五,西华师范大学岳淼,31,5.9V,第四个节拍,0,5.5V,Q0=1不应保留,Q2=Q1=1应保留,打开,2020年5月29日星期五,西华师范大学岳淼,32,5.9V,第五个节拍,被封锁,0,1,2020年5月29日星期五,西华师范大学岳淼,33,由于ADC的电路类型不同，编码方法不同，其指标类型也有所区别。如输出数据为8421编码的BCD码ADC和自然二进制数编码的ADC，它们的转换精度含义和表示方法也不同。现以输出二进制数编码的ADC为例介绍主要技术指标.,3、A/D转换器的主要技术指标,2020年5月29日星期五,西华师范大学岳淼,34,1.分辨率,ADC的分辨率又称分解度。,输出二进制数位越多，转换精度越高，即分辨率越高。故可用分辨率表示转换精度。,2.转换速度,转换速度是指转换一次所需的时间，即从转换控制信号发出到有稳定数字输出为止的一段时间。,相对误差可以表示ADC转换的误差。它是指在对应于某一输出数字量情况下，理论输入值与实际输入值之差再与满量程输入值VREF之比,常以1/2LSB所对应的输入值与VREF之比表示。,3.相对误差,2020年5月29日星期五,西华师范大学岳淼,35,应用举例,一、数控电流源,在自动控制仪表中，常要求根据输入数码相应输出精密电流，这称为数控电流源。,2020年5月29日星期五,西华师范大学岳淼,36,u0受N控制,A2组成电压跟随电路，故ud=ub,根据戴维南定理：,A1组成同相比例放大电路,流过RS上电流iL即RL上电流为,即IL由D/A转换电路的输入数码N决定，而与RL无关，故称为数控电流源。,2020年5月29日星期五,西华师范大学岳淼,37,3位数字电压表指显示的量程为1.999和199.9mV，其最高位只显示或1，故称为位ICL7106系列电路内部为双积分型A/D转换器,用来将被测的