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1、第9章 数/模和模/数转换器,9.1 数/模转换器DAC,9.2 模/数转换器ADC,理解数模和模数转换的基本概念；熟悉数模和模数转换器的特点；了解常用数模和模数转换器主要技术指标的意义。,学习目的与要求,数/模与模/数是计算机与外部设备的重要接口，也是数字测量和数字控制系统的重要部件。 能将数字量转换成模拟量的装置称为数/模转换器，简称A/D转换器；能将模拟量转换为数字量的装置称为模/转换器，简称D/A转换器。,概 述,传感器,ADC,数字计算机,DAC,模拟控制,控制对象,数字信号,模拟信号,9.1 数/模转换器DAC,数/模转换器中的文字D代表数字量，A代表模拟量，转换器用C表示。目前常
2、见的D/A转换器中，有权电阻网络D/A转换器，倒梯形电阻网络D/A转换器等。,1. DAC的基本概念,构成数字代码的每一位都具有一定的“权重”。为了将数字量转换成模拟量，就必须将每一位代码按其“权重”转换成相应的模拟量，然后再将代表各位的模拟量相加，即可得到与该数字量成正比的模拟量，这就是构成D/A变换器的基本思想。,(1) DAC的转换特性,DAC电路的作用是将输入的数字量转换成与输入数字量成正比输出模拟量。在转换过程中，将输入的二进制数字信号转换成模拟信号，以电压或电流的形式输出。,数字量输入,模拟量输出,DAC组成框图,基准电压,数 据 锁 存 器,电子开关,电阻网络,求和放大,图中数据
3、锁存器用来暂时存放输入的数字信号。n位锁存器的并行输出分别控制n个模拟开关的工作状态。通过模拟开关，将参考电压按权关系加到电阻解码网络。,对于有权码，先将每位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现数字/模拟转换。当输入的数字量是由n位8421BCD码表示的数字信号X时，其从高位到最低位的权依次为依次为2n-1、2n-2 21、20等，其大小可表示为：,DAC电路的输出模拟电压u0（或模拟电流i0）为：,电流转换系数,电压转换系数,当Ru（或Ri）为1、n时，根据上式可得DAC的转换特性曲线如下图所示：,模拟输出,理想特性,数字输入,DAC的转换
4、特性曲线,(2) DAC的主要参数,1）分辨率：用来说明D/A转换器最小输出电压(此时输入的数字代码只有最低有效位为1，其余各位都是 0 )与最大输出电压 (此时输入的数字代码所有各位全是 1 )之比。,例,一个8位和一个10位的两个DAC，其分辨率分别为：,从上式可看出：DAC输入数字量的位数n越多，电路的分辨能力越高。因此，有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率的高低。,2）绝对精度(或绝对误差)和非线性度,绝对精度是指输入端加对应满刻度数字量时，DAC输出的实际值与理论值之差。一般绝对误差应低于uLSB/2。,在满刻度范围内，偏离理想转换特性的最大值称为非线性误差。非线性误差与满刻度值
5、之比称非线性度，常用百分比表示。,3）建立时间,指输入变化后，输出值稳定到距最终输出量uLSB所需的时间。建立时间反映了DAC电路转换的速度。,除此之外，在选用DAC器件时，还需要考虑其电源电压、输出方式、输出值范围及输入逻辑电平等参数。,2. 集成数/模转换器DA0832,DAC0832是8位的电流输出型D/A转换器，在对其输入8位数字量后，通过外接运放，即可获得相应的模拟电压。,片选信号输入端,输入锁存允许信号端,输入数据选通信号,数据传送选通信号,写信号2,基准电源输入端,反馈电阻,D为数字量输入端,电流输出端1和2,电源515V输入端,模拟“地”,数字“地”,9.2 模/数转换器ADC
6、,1. 模/数转换的原理,在模拟量转换为数字量的过程中，由 于输入的模拟量在时间上是连续的，而 输出的数字量是离散的，所以进行转换 时只能在一系列选定的瞬间对输入的模 拟量采样后再转换为输出的数字量。 模/数转换器的作用就是将输入的模拟 电压数字化。转换过程一般通过采样、 保持、量化和编码四个步骤完成。在实 际电路中，这些过程有的通常是合并进 行的，例如，取样和保持，量化和编码 往往都是在转换过程中同时实现的。,输入模拟电压,CP,采样保持电路,取样展宽信号,电子开关S 受CP控制,采样过程是通过模拟电子开 关 S实现的。模拟电子开关每 隔一定的时间间隔闭合一次， 当一个连续的模拟信号通过这
7、个电子开关时，就会转换成若 干个离散的脉冲信号。,通过采样脉冲的作用，转 换成时间上离散、但幅值上 仍连续的离散模拟信号。 量化编码就是先将幅值连 续可变的采样信号量化成幅 值有限的离散信号，再将这 些离散信号用对应量化电平 的一组二进制代码表示。,N位数字量 输 出,采样是将时间上、幅值上都连续变化的模拟信号，通过 采样脉冲的作用，转换成时间上离散、但幅值上仍连续的 离散模拟信号。因此采样又称为波形的离散化过程。,(1) 采样保持电路,CP,采样保持电路,CP1时，采样开关S接通，ui信号被采样，并送到电容C中暂存。 CP0时，采样开关S断开，前面采样得到的电压信号在电容C上保持，直到下一个
8、CP1信号到来，再对新的电压信号进行采样。,采样定理： 输入的模拟信号的最高频率分量为fmax，采样信号频率 为fs，如果fs2fmax，则可以无失真地复现输入信号。,ui,采样电路的 输入信号波形,采样电路的 离散输出波形,采样 间隔时间,采样 保持时间,为保证采样后的离散模拟信号能够基本上真实地保留原始模拟信号ui的信息，采样信号的频率必须至少为原信号中最高频率成分fimax的2倍，这是采样电路的基本法则，也就是前面我们所说的采样定理。,量化：数字信号不仅在时间上是离散的，而且数值大小的变化也是不连续的。即任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。因此，在进行A/D转换时也
9、必须把采样电压化为这个最小数量单位的整数倍，这一转化过程就称为“量化”。,两个量化电压之间的差值称为量化间隔S，量化电压的位 数越多，量化等级越细，S的数值就越小。显然，量化编码 电路的作用是先将幅值连续可变的采样信号量化成幅值有限 的离散信号，再将量化后的信号用对应该量化电平的一组二 进制代码表示。量化过程中所取的最小数量单位称为量化当 量。是数字量最低位为1时所对应的模拟量，即ULSB。,编码：将量化后的信号用对应量化电平的一组二进制代码 来表示的过程称为编码。,(2) 量化编码电路,将01V的模拟电压编码为三位二进制代码。,取1/8 V，0 1/8 V 的电压以0表示，则,模拟电压,二进
10、制编码,000,001,010,011,100,101,110,111,代码对应的模拟离散电平,0 0V,1 1/8 V,122/8 V,3 3/8 V,44/8 V,55/8 V,66/8 V,77/8 V,可见，量化误差最大达=1/8 V。,例,分辨率,通常用ADC输出的二进制位数来表示。位数越多，误差越小，转换精度越高。,指ADC完成一次对模拟量的测量到数字量的转换完成所需的时间。它反映了ADC转换的快慢速度。,指ADC转换后所得数字量所代表的模拟量与实际模拟输入值之差，通常以数字量最低位所代表的模拟输入值ULSB来衡量。,2. ADC的主要技术指标,转换时间,绝对精度,3. 集成ADC
11、0809简介,左图是ADC0809集成芯片的引脚图。它是一个28脚的芯片，采用CMOS工艺制成的8位ADC，内部采用逐次比较结构形式。各引脚的作用如下：,IN0IN7 为8个模拟信号输入端。由地址译码器控制将其中一路送入转换器进行转换。 ADDA、ADDB、ADDC 是模拟信道的地址选择。,CP为时钟脉冲输入端。ALE是地址锁存允许信号，高电平时可进行模拟信道的地址选择；START是启动信号。上升沿将寄存器清零，下降沿开始进行转换；EOC为模数转换结束，高电平有效；D0D7 是数字量输出端口；UR(+)为正参考电压输出；UR(-)是负参考电压输出。,认真复习，加强练习， 巩固成果，学以致用！,Goodbye!,