电工学下册模拟量和数字量的转换教案

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1、1/31下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录电工学下册模拟量和数字量的转换 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望2/31下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录第第23章章 模拟量和数字量的转换模拟量和数字量的转换23.1 D/A转换器转换器23.2 A/D转换器转换器3/31下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录 模数与数模转换器是计算机与外部设备的重要模数与数模转换器是计算机与外部设备的重要模数与数模转换器是

2、计算机与外部设备的重要模数与数模转换器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。接口，也是数字测量和数字控制系统的重要部件。接口，也是数字测量和数字控制系统的重要部件。接口，也是数字测量和数字控制系统的重要部件。将模拟量转换为数字量的装置称为模数转换器将模拟量转换为数字量的装置称为模数转换器将模拟量转换为数字量的装置称为模数转换器将模拟量转换为数字量的装置称为模数转换器(简称简称简称简称A/DA/D转换器或转换器或转换器或转换器或ADCADC)；传感器传感器传感器传感器模拟控制模拟控制模拟控制模拟控制模模模模拟拟拟拟信信信信号号号号数字计算机数字计算机数字计算机数字计

3、算机 数字控制数字控制数字控制数字控制 数数数数字字字字信信信信号号号号ADCADCDACDAC 将数字量转换为模拟量的装置称为数模转换器将数字量转换为模拟量的装置称为数模转换器将数字量转换为模拟量的装置称为数模转换器将数字量转换为模拟量的装置称为数模转换器(简称简称简称简称D/AD/A转换器或转换器或转换器或转换器或DACDAC)。4/31下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录23.1 D/A转换器转换器数模转换器数模转换器数模转换器数模转换器(D/AD/A转换器转换器转换器转换器)的基本思想：的基本思想：的基本思想：的基本思想：由于构成数字代码的每一位都有一定的由于构成数字代

4、码的每一位都有一定的由于构成数字代码的每一位都有一定的由于构成数字代码的每一位都有一定的“权权权权”，因此为了将数字量转换成模拟量，就必须将每一，因此为了将数字量转换成模拟量，就必须将每一，因此为了将数字量转换成模拟量，就必须将每一，因此为了将数字量转换成模拟量，就必须将每一位代码按其位代码按其位代码按其位代码按其“权权权权”转换成相应的模拟量，然后再将转换成相应的模拟量，然后再将转换成相应的模拟量，然后再将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代表各位的模拟量相加即可得到与该数字量成正比代表各位的模拟量相加即可得到与该数字量成正比代表各位的模拟量相加即可得到

5、与该数字量成正比的模拟量，这就是构成的模拟量，这就是构成的模拟量，这就是构成的模拟量，这就是构成D/AD/A转换器的基本思想。转换器的基本思想。转换器的基本思想。转换器的基本思想。5/31下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录23.1.1 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器参考电压参考电压参考电压参考电压1.1.电路电路电路电路模模模模 拟拟拟拟开开开开 关关关关 由数个相同的电路环节构成，每个电路环节有由数个相同的电路环节构成，每个电路环节有由数个相同的电路环节构成，每个电路环节有由数个相同的电路环节构成，每个电路环节有两个电阻和一个模拟开关。两个电阻和一个模拟开关。

6、两个电阻和一个模拟开关。两个电阻和一个模拟开关。6/31下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录23.1.1 倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器参考电压参考电压参考电压参考电压 各位的数码分别控制相应位的模拟开关，数码为各位的数码分别控制相应位的模拟开关，数码为各位的数码分别控制相应位的模拟开关，数码为各位的数码分别控制相应位的模拟开关，数码为1 1时，开关时，开关时，开关时，开关接运放反相输入端接运放反相输入端接运放反相输入端接运放反相输入端；为；为；为；为 0 0 时接时接时接时接“地地地地”。1.1.电路电路电路电路模模模模 拟拟拟拟开开开开 关关关关7/31下一页

7、下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录从基准电压从基准电压从基准电压从基准电压U UR R输出的总输出的总输出的总输出的总电流固定不变电流固定不变电流固定不变电流固定不变2.2.转换原理转换原理转换原理转换原理8/31下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录运算放大器输出的模拟电压运算放大器输出的模拟电压运算放大器输出的模拟电压运算放大器输出的模拟电压流入运算放大器的流入运算放大器的流入运算放大器的流入运算放大器的总总总总电流电流电流电流若输入若输入 n 位二进制数位二进制数若若RF=R9/31下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录23.1.2 D/A转换器的

8、主要技术指标转换器的主要技术指标 指最小输出电压和最大输出电压之比。指最小输出电压和最大输出电压之比。指最小输出电压和最大输出电压之比。指最小输出电压和最大输出电压之比。1.分辨率分辨率 2 2.线性度线性度线性度线性度 通常用非线性误差的大小表示通常用非线性误差的大小表示通常用非线性误差的大小表示通常用非线性误差的大小表示D/AD/A转换器的线性转换器的线性转换器的线性转换器的线性度。把偏离理想的输入度。把偏离理想的输入度。把偏离理想的输入度。把偏离理想的输入 输出特性的偏差与满刻度输出特性的偏差与满刻度输出特性的偏差与满刻度输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数定义为非线性误差。输出之比的

9、百分数定义为非线性误差。输出之比的百分数定义为非线性误差。输出之比的百分数定义为非线性误差。3 3.输出电压输出电压输出电压输出电压(电流电流电流电流)的建立时间的建立时间的建立时间的建立时间 如如如如:10:10位位位位D/AD/A转换器转换器转换器转换器的分辨率为的分辨率为的分辨率为的分辨率为从输入数字信号起从输入数字信号起从输入数字信号起从输入数字信号起,到输出电压或电流到达稳定值所需时间。到输出电压或电流到达稳定值所需时间。到输出电压或电流到达稳定值所需时间。到输出电压或电流到达稳定值所需时间。有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。有时也用

10、输入数字量的有效位数来表示分辨率。有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。通常通常通常通常D/AD/A转换器的建立时间不大于转换器的建立时间不大于转换器的建立时间不大于转换器的建立时间不大于1 1 s s。10/31下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录 DAC0832是是 8 位的位的D/A转换器转换器,即在对其输入即在对其输入8 8 位数字量后，通过外接的运算放大器，可以获得位数字量后，通过外接的运算放大器，可以获得相应的模拟电压值。相应的模拟电压值。DAC083211/31下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录(1)(1)内部简化电路框图内部简化电路框图内部

11、简化电路框图内部简化电路框图DAC 0832 简化电路框图简化电路框图12/31下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录(2)(2)芯片引芯片引芯片引芯片引脚脚脚脚DAC 0832 引脚排列图引脚排列图13/31下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录片选信号端片选信号端,低电平有效低电平有效写入控制端写入控制端,低电平有效低电平有效模拟地端模拟地端D0 D7数字量输入数字量输入参考电压参考电压输入端输入端DAC 0832DAC 0832 引脚排列图引脚排列图引脚排列图引脚排列图14/31下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录数字地端数字地端反馈电阻反馈电

12、阻外接端外接端DAC 0832 DAC 0832 引脚排列图引脚排列图引脚排列图引脚排列图15/31下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录输入锁存允许信输入锁存允许信号，高电平有效号，高电平有效芯片工作电压芯片工作电压 输入端输入端 写入控制端写入控制端低电平有效，与低电平有效，与 配合使用配合使用XFERDAC 0832 DAC 0832 引脚排列图引脚排列图引脚排列图引脚排列图16/31下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录电流输出端电流输出端单极性输出时。单极性输出时。Iout2接模拟地接模拟地 传送控制端传送控制端低电平有效，与低电平有效，与WR2配合使用配

13、合使用DAC 0832 DAC 0832 管脚排列图管脚排列图管脚排列图管脚排列图17/31下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录(3)集成集成 ADC 芯片举例芯片举例ADC7520各引脚功能各引脚功能d0 d9：十位数字量的输入端；：十位数字量的输入端；IO1、IO2：电流输出端；电流输出端；RF：反馈信号输入反馈信号输入端端；UDD：电源接线端电源接线端；GND：接地端。接地端。UR：参考电源，可正可负；参考电源，可正可负；ADC7520ADC7520的外引脚排列及连接电路的外引脚排列及连接电路的外引脚排列及连接电路的外引脚排列及连接电路18/31下一页下一页返回返回上一页

14、上一页退出退出章目录章目录23.2 A/D转换器转换器 模数模数模数模数(A/D)(A/D)转换器的任务是将模拟量转换成数字转换器的任务是将模拟量转换成数字转换器的任务是将模拟量转换成数字转换器的任务是将模拟量转换成数字量，它是模拟信号和数字仪器的接口。根据其性能不量，它是模拟信号和数字仪器的接口。根据其性能不量，它是模拟信号和数字仪器的接口。根据其性能不量，它是模拟信号和数字仪器的接口。根据其性能不同，类型也比较多。同，类型也比较多。同，类型也比较多。同，类型也比较多。下面介绍逐次逼近式下面介绍逐次逼近式下面介绍逐次逼近式下面介绍逐次逼近式A/DA/D转换电路的原理和一种转换电路的原理和一种

15、转换电路的原理和一种转换电路的原理和一种常用的集成电路组件。最后举例说明其应用。常用的集成电路组件。最后举例说明其应用。常用的集成电路组件。最后举例说明其应用。常用的集成电路组件。最后举例说明其应用。逐次逼近型模数转换器原理框图逐次逼近型模数转换器原理框图逐次逼近型模数转换器原理框图逐次逼近型模数转换器原理框图19/31下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录23.2.1 逐次逼近型逐次逼近型 A/D 转换器转换器 其工作原理可用天平称重过程作比喻来说明。其工作原理可用天平称重过程作比喻来说明。其工作原理可用天平称重过程作比喻来说明。其工作原理可用天平称重过程作比喻来说明。若有四个

16、砝码共重若有四个砝码共重若有四个砝码共重若有四个砝码共重1515克克克克,每个重量分别为每个重量分别为每个重量分别为每个重量分别为8 8、4 4、2 2、1 1克。克。克。克。设待称重量设待称重量设待称重量设待称重量WWX X=13=13克，可以用下表步骤来秤量：克，可以用下表步骤来秤量：克，可以用下表步骤来秤量：克，可以用下表步骤来秤量：20/31下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录4 4位逐次逼近型模数转换器的原理电路位逐次逼近型模数转换器的原理电路21/31下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录1.1.转换原理转换原理转换原理转换原理放哪一放哪一放哪一放哪一

17、个砝码个砝码个砝码个砝码砝码是砝码是砝码是砝码是否保存否保存否保存否保存22/31下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录2.转换过程转换过程转换过程转换过程例：例：例：例：U UR R=8V=8V，U UI I=5.52V=5.52V。D/A转换器输出转换器输出UO为正值为正值23/31下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录转换数字量转换数字量转换数字量转换数字量1011 4+1+0.5V=5.5V1011 4+1+0.5V=5.5V转换误差为转换误差为转换误差为转换误差为 0.02V 0.02V。例：例：例：例：U UR R=8V=8V，U UI I=5.52V=

18、5.52V。若输出为若输出为若输出为若输出为 8 8位数字量位数字量位数字量位数字量转换数字量转换数字量转换数字量转换数字量1011000110110001 4+1+0.5+0.03125 V=5.53125V4+1+0.5+0.03125 V=5.53125V转换误差为转换误差为转换误差为转换误差为+0.01125V+0.01125V。位数越多误差越小。位数越多误差越小。位数越多误差越小。位数越多误差越小。24/31下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录逐次逼近转换过程示意图逐次逼近转换过程示意图逐次逼近转换过程示意图逐次逼近转换过程示意图U UOO U UI IU UOO U

19、 UI I(转换误差转换误差转换误差转换误差 0.02V)0.02V)25/31下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录23.2.2 双积分型双积分型A/D转换器转换器 双积分型双积分型A/D转换器由积分电路、电压比较器转换器由积分电路、电压比较器C、CP控制门控制门G、n位二进制计数器、定时控制触发器位二进制计数器、定时控制触发器FFS、电子开关、电子开关S1和和S2以及它们的逻辑控制电路等组以及它们的逻辑控制电路等组成。成。基本原理是将一段时间内的输入模拟电压基本原理是将一段时间内的输入模拟电压 UI 和和参考电压参考电压UR 通过两次积分，变换成与输入电压平均通过两次积分，变

20、换成与输入电压平均值成正比的时间间隔值成正比的时间间隔,再变换成正比于输入模拟信号再变换成正比于输入模拟信号的数字量。的数字量。26/31下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录双积分型双积分型A/D转换器的电路图转换器的电路图1.1.电路图电路图电路图电路图27/31下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录2.2.转换原理转换原理转换原理转换原理A/D转换器的工作波形图转换器的工作波形图(1)(1)转换开始前转换开始前转换开始前转换开始前 转换信号转换信号uL=0，各触发器，各触发器清零清零,并使并使S2闭合闭合,让积让积分电路的电容分电路的电容C 完全放电。完全放电

21、。使使uL=1，由控制电路将，由控制电路将S2断开，并将断开，并将S1接到输入接到输入电压端，积分电路开始对电压端，积分电路开始对uI积分。积分输出积分。积分输出uA为负为负值，比较器输出值，比较器输出uC为为1，开通开通CP控制门控制门G，计数器，计数器开始计数。开始计数。(2)(2)对输入模拟电压积分对输入模拟电压积分对输入模拟电压积分对输入模拟电压积分28/31下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录A/D转换器的工作波形图转换器的工作波形图2.2.转换原理转换原理转换原理转换原理 当计到当计到2n个脉冲时个脉冲时,计计数器输出全数器输出全0,0,同时输出同时输出一进位信号一

22、进位信号,使使FFS置置1。对对uI的的积分结束，积分时积分结束，积分时间间T1=2n TCP,TCP为为CP的的周期，即一个脉冲的时间周期，即一个脉冲的时间。T1是一定的是一定的(定时定时)，不因，不因uI而变。而变。(2)对输入模拟电压的积分对输入模拟电压的积分 A/D转换器的工转换器的工作波形图如图所示。作波形图如图所示。29/31下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录23.2.3 A/D 23.2.3 A/D 转转转转换器的主要技术指标换器的主要技术指标换器的主要技术指标换器的主要技术指标1.1.分辨率分辨率分辨率分辨率 以输出二进制数的位数表示分辨率。以输出二进制数的位

23、数表示分辨率。以输出二进制数的位数表示分辨率。以输出二进制数的位数表示分辨率。位数越多，误差越小，转换精度越高。位数越多，误差越小，转换精度越高。位数越多，误差越小，转换精度越高。位数越多，误差越小，转换精度越高。2.2.转换速度转换速度转换速度转换速度 完成一次完成一次完成一次完成一次A/DA/D转换所需要的时间，即从它接到转转换所需要的时间，即从它接到转转换所需要的时间，即从它接到转转换所需要的时间，即从它接到转 换控制信号起，到输出端得到稳定的数字量输出换控制信号起，到输出端得到稳定的数字量输出换控制信号起，到输出端得到稳定的数字量输出换控制信号起，到输出端得到稳定的数字量输出 所需要的

24、时间。所需要的时间。所需要的时间。所需要的时间。3.3.相对精度相对精度相对精度相对精度 实际的各个转换点偏离理想特性的误差。实际的各个转换点偏离理想特性的误差。实际的各个转换点偏离理想特性的误差。实际的各个转换点偏离理想特性的误差。4 4.其他其他其他其他 功率、电源电压、电压范围等。功率、电源电压、电压范围等。功率、电源电压、电压范围等。功率、电源电压、电压范围等。30/31下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录 ADC0809ADC0809八位八位八位八位A/DA/D转转转转换器换器换器换器31/31下一页下一页返回返回上一页上一页退出退出章目录章目录ADC 0809ADC 0809管脚分布图管脚分布图管脚分布图管脚分布图