数字电子技术基础电子教案7课件

1、第七章 数/模和模/数转换器概述D/A转换器A/D转换器D/A和A/D转换器应用举例本章教学基本要求了解： (1)倒T形电阻网络D/A转换器的电路结构和工作原理。(2)典型集成D/A转换器的结构及应用。 (3)逐次逼近型或双积分型A/D转换器的电路结构、 工作原理和典型 集成A/D转换器的结构及应用。7.1概述 将模拟电量转换为数字量，使输出的数字量与输入的模拟电量成正比。 Digital - Analog Converter，简称 D/A 转换器或DAC。 Analog - Digital Converter，简称 A/D 转换器或ADC。 将数字量转换为模拟电量(电压或电流)，使输出的模拟

2、电量与输入的数字量成正比。 数模转换： 实现数模转换的电路称数模转换器。模数转换： 实现模数转换的电路称模数转换器。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。7.2 D/A转换器7.2.1 R-2R倒T形电阻网络DAC基本原理 7.2.2 集成D/A转换器AD7520电路结构和应用7.2.3 D/A转换器的主要技术指标一、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

3、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: AD75

4、20电路的内部电路结构二、 集成D/A转换器AD7520电路结构和应用符号图当 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,其时应的十进制数为:210-1=1023数 码 输 入模拟电压输出AD7520单极性输入与输出

5、关系 (1023/1024VREF)D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 U0.(513/1024VREF)(512/1024VREF)(511/1024VREF).(1/1024VREF)0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 例:AD7520 D/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

6、(H)对应的十进制数37C(H) = (0011 0111 1100)2 = (892)10 = N10 故 UO = - VREF/210 。 N10 = - 10/1024 892 = - 8.71V单极性输出电路7.2.3 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

7、移误差、 运放漂移误差、比例系数误差以及非线性误差等。 7.3 A/D转换器模拟电压信号二进制数码A/D转换器直接A/D并联比较型 反馈比较型计数型 逐次比较型间接A/D电压-时间变换型(V-F型)双积分型为主电压-频率变换型(V-F型)压控振荡器转换器类型ADCA /D 转换的基本原理 ADCD0D1Dn-2Dn-1uI模拟输入信号n 位二进制数输出D = Dn-1 Dn-2 D1 D0 输出数字量 D 正比于输入模拟量 uI 。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

8、量化的结果用二进制代码表示。A /D 转换的一般步骤 uI(t)量化编码电路Dn-1D1D0uI(t)采样保持电路输入模拟量输出数字量2.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2.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1G开放，CP进入计数器开始计数。积分器输出为：第二次积分Qn=1,S1接通

9、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。将T2 = t2 t1 = NTC 及 代入属于 V-T 型 ADC若取 VREF = 2 n 则 N = u I即计数值表示为被转换的输入电压 u I 数值 7.3.3 逐次逼近型A/D转换器 它是一种常用A/D转换方式,转换速率比双积分型快,每秒钟采样高达几十万次,逐次逼近型A/D转换的过程与用天平称物体质量的过程相似。 (1)先在砝码盘上加上128g砝码，经天平比较结果，重物149g128g，则此砝码保留，即相当于最高位数码D7记为1。 （2）再加64g砝

10、码，经天平比较，重物149g(128+64)g，则舍下64g砝码，即相当于数码记为0。 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。一、逐次逼近型A/D转换器的基本电路比较器C3位D/A转换器数码寄存器环形右移寄存器 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

11、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二、 工作原理设定：5.9V时时转换开始前，先将FF2 FF1、FF0清零。设 QAQBQCQDQE = 10000G变为高电平以后，转换开始。Q2 = 1 应保留5.9V10000第一个节拍1003.5V001000Q1 = 1 应保留Q2 = Q1 =1 应保留5.9V第二个节拍1100010005.5V00100Q2 = Q1 =1 应保留5.9V第三个

12、节拍11116.5V00100Q0 =1 不应保留000105.9V第四个节拍11005.5VQ0 =1 不应保留00010Q2 = Q1 =1 应保留00001打开1105.9V第五个节拍10000被封锁01000 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.7.3.4 A/D 转换器的主要技术指标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

13、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 1/2 LSB 所对应的输入值与 VREF之比表示。3.相对误差 7.4 D/A和A/D转换器应用举例一、 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。二、工作原理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I L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。 3 位数字电压表指显示的量程为