任務(wù)7.1數(shù)模轉(zhuǎn)換器的認(rèn)知與基本應(yīng)用DAC的概念權(quán)電阻DAC的工作原理和主要參數(shù)DAC典型芯片DAC的特點(diǎn)及應(yīng)用目錄由于計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信號，于是就產(chǎn)生了模擬信號和數(shù)字信號之間相互轉(zhuǎn)換的問題。一、DAC的概念

數(shù)模轉(zhuǎn)換即將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬電量(電壓或電流)，使輸出的模擬電量與輸入的數(shù)字量成正比。實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路稱數(shù)模轉(zhuǎn)換器

Digital-AnalogConverter，簡稱

D/A轉(zhuǎn)換器或DAC。為何要進(jìn)行數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換？模擬量數(shù)字量模擬量數(shù)字量傳感器被控對象自然界物理量數(shù)模轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例二、數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例數(shù)字信號物理量模擬信號壓力傳感器溫度傳感器流量傳感器四路模擬開關(guān)數(shù)字控制計(jì)算機(jī)DAC模擬控制器模擬控制器液位傳感器DACDAC…………模擬控制器模擬控制器生產(chǎn)控制對象

DACADC二、權(quán)電阻DAC的工作原理和主要參數(shù)1、D/A轉(zhuǎn)換原理將輸入的每一位二進(jìn)制代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將代表各位的模擬量相加，所得的總模擬量就與數(shù)字量成正比，這樣便實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換?；驹鞤AC的輸入、輸出關(guān)系圖n位二進(jìn)制數(shù)輸入模擬電壓輸出轉(zhuǎn)換特性圖示為一個(gè)輸入為3位二進(jìn)制數(shù)時(shí)的D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性。理想的D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性，應(yīng)是輸出模擬量與輸入數(shù)字量成正比。二、權(quán)電阻DAC的工作原理和主要參數(shù)由T型電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)和一個(gè)電流電壓轉(zhuǎn)換電路(簡稱I/U

轉(zhuǎn)換電路)組成。2、權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC的工作原理數(shù)碼Di=1（i=0、1、2、3），即為高電平時(shí)，則由其控制的模擬電子開關(guān)Si自動(dòng)接通左邊觸點(diǎn)，即接到基準(zhǔn)電壓UREF上；而當(dāng)di=0，即為低電平時(shí)，則由其控制的模擬電子開關(guān)Si自動(dòng)接通右邊觸點(diǎn)，即接到地。

輸入代碼Di為1時(shí)開關(guān)Si連到1端，連接到參考電壓VREF上，此時(shí)有一支路電流Ii流向放大器的A節(jié)點(diǎn)。Di為0時(shí)開關(guān)Si連到0端直接接地，節(jié)點(diǎn)A處無電流流入。運(yùn)算放大器為一反饋求和放大器，此處我們將它近似看作是理想運(yùn)放。根據(jù)KCL電流定律，我們可得到流入節(jié)點(diǎn)A的總電流。i∑與輸入的二進(jìn)制數(shù)成正比，故而此網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。將上述結(jié)論推廣到n位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，輸出電壓的公式可寫成：權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器優(yōu)點(diǎn)是電路簡單，電阻使用量少，轉(zhuǎn)換原理容易掌握；缺點(diǎn)是所用電阻依次相差一半，當(dāng)需要轉(zhuǎn)換的位數(shù)越多，電阻差別就越大，在集成制造工藝上就越難以實(shí)現(xiàn)。二、權(quán)電阻DAC的工作原理和主要參數(shù)（1）分辨率指D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出所能產(chǎn)生的最小電壓變化量與滿刻度輸出電壓之比。DAC的最小輸出電壓值ULSB

表示滿度輸出電壓值，F(xiàn)SR即FullScaleRange例如，一個(gè)10位的DAC，分辨率為0.000978。DAC的位數(shù)越多，分辨率值就越小，能分辨的最小輸出電壓值也越小。二、權(quán)電阻DAC的工作原理和主要參數(shù)（2）轉(zhuǎn)換精度指DAC實(shí)際輸出模擬電壓與理想輸出模擬電壓間的最大誤差。要獲得較高精度的D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果，除了正確選用DAC的位數(shù)外，還要選用低漂移高精度的求和運(yùn)算放大器。它是一個(gè)綜合指標(biāo)，不僅與DAC中元件參數(shù)的精度有關(guān)，而且與環(huán)境溫度、求和運(yùn)算放大器的溫度漂移以及轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有關(guān)。通常要求DAC的誤差小于ULSB/2。二、權(quán)電阻DAC的工作原理和主要參數(shù)（3）轉(zhuǎn)換時(shí)間指DAC在輸入數(shù)字信號開始轉(zhuǎn)換，到輸出的模擬信號達(dá)到穩(wěn)定值所需的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間越小，轉(zhuǎn)換速度就越高。三、DAC典型芯片DAC的特點(diǎn)及應(yīng)用1、數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0832DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)和管腳排列DAC測試D7和D0分別為數(shù)據(jù)輸入端的最高位和最低位，基準(zhǔn)電壓使用+5V，運(yùn)算放大器使用LM358，使用±5V雙電源供電。使用數(shù)字萬用表直流電壓20V擋，測量結(jié)果見下表。DAC測試結(jié)果數(shù)模轉(zhuǎn)換電路測量值表輸出電壓與輸入數(shù)字量的二進(jìn)制權(quán)值成正比關(guān)系。本課小結(jié)：DAC的概念權(quán)電阻DAC的工作原理和主要參數(shù)DAC典型芯片DAC的特點(diǎn)及應(yīng)用010203任務(wù)7.2模數(shù)轉(zhuǎn)換器的認(rèn)知與基本應(yīng)用A/D轉(zhuǎn)換概述A/D轉(zhuǎn)換的原理A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟集成ADC及應(yīng)用目錄一、A/D轉(zhuǎn)換概述把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號稱為模－數(shù)轉(zhuǎn)換，簡稱A/D（AnalogtoDigital）轉(zhuǎn)換。實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的電路稱為A/D轉(zhuǎn)換器，寫為ADC（Analog–DigitalConverter）。一、A/D轉(zhuǎn)換概述數(shù)字音頻、視頻信號變換、氣象數(shù)據(jù)分析處理主要應(yīng)用：(低速)(中速)(高速)(超高速)數(shù)字萬用表，電子秤等工業(yè)控制，實(shí)驗(yàn)設(shè)備等數(shù)字通信二、A/D轉(zhuǎn)換的原理ADCD0D1Dn-2Dn-1…uI模擬輸入信號n

位二進(jìn)制數(shù)輸出

D=Dn-1

Dn-2

D1

D0連續(xù)離散二、A/D轉(zhuǎn)換的原理轉(zhuǎn)換過程：A/D轉(zhuǎn)換原理框圖三、A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟1、采樣和采樣定理ADC周期性地將輸入模擬值轉(zhuǎn)換成與其大小對應(yīng)的數(shù)字量，該過程稱為采樣。

采樣是否丟失某些信息？三、A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟1、采樣和采樣定理即只要采樣脈沖頻率fs大于或等于輸入信號中最高頻率fm的兩倍（fs≥2fm），則采樣后的輸出信號就能夠不失真地恢復(fù)出模擬信號。這是廣泛使用的采樣定理。三、A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟2、采樣保持電路uI(t)C量化編碼電路Dn-1D1D0…uI

(t)S采樣保持電路輸入模擬量輸出數(shù)字量模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換需要一定時(shí)間，在此期間要求采樣所得的樣值保持不變。這個(gè)過程需有相應(yīng)電路實(shí)現(xiàn)。三、A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟2、采樣保持電路常見的采樣－保持電路，它由采樣開關(guān)、保持電容和緩沖放大器組成。三、A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟3、量化與編碼uI(t)C量化編碼電路Dn-1D1D0…uI

(t)S采樣保持電路輸入模擬量輸出數(shù)字量三、A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟3、量化與編碼量化把采樣保持電路的輸出信號用單位量化電壓的整數(shù)倍表示。最小數(shù)量單位稱量化單位(1△=1LSB)。編碼把量化的結(jié)果用二進(jìn)制代碼表示。劃分量化電平的兩種方法最大量化誤差==(1/8)V最大量化誤差=/2=(1/15)V1=1/8V4=4/8V0(6/8)V(7/8)V000001010011100101110111模擬電平二進(jìn)制代碼代表的模擬電平0=0V2=2/8V3=3/8V5=5/8V6=6/8V7=7/8V(5/8)V(4/8)V(3/8)V(2/8)V(1/8)V(8/8)V模擬電平二進(jìn)制代碼代表的模擬電平0=0V1=2/15V2=4/15V3=6/15V4=8/15V5=10/15V6=12/15V7=14/15V(13/15)V0000001010011100101110111(11/15)V(15/15)V(9/15)V(3/15)V(7/15)V(1/15)V(5/15)V三、A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟4、ADC的分類三、A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟4、ADC的分類在直接A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入模擬信號不需要中間變量就直接被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號輸出，其特點(diǎn)是工作速度高，轉(zhuǎn)換精度容易保證，調(diào)準(zhǔn)也比較方便。在間接A/D轉(zhuǎn)換器中，輸入模擬信號先被轉(zhuǎn)換成某種中間變量，然后再將中間變量轉(zhuǎn)換為最后的數(shù)字量，其特點(diǎn)是工作速度較低，但轉(zhuǎn)換精度可以做得較高，且抗干擾性能強(qiáng)，一般在測試儀表中用得較多。（1）逐次逼近型ADC開始前清零!比較器

逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器包括五個(gè)部分：電壓比較器、D/A轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器和順序脈沖發(fā)生器、輸出寄存器及相應(yīng)的控制邏輯。首先，置DN-1＝“1”，若VP

=“H”，則保留DN-1=“1”；否則，DN-1=“0”。然后，置DN-2＝“1”，若VP

=“H”，則保留DN-2=“1”；否則，DN-2=“0”。直到D0位確定，轉(zhuǎn)換結(jié)束。1H110101110Vi=6.8V8位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換的時(shí)序波形優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟，精度較高、速度較快。不足：對Vi中入端需用S/H電路（ADC轉(zhuǎn)換期間Vi要恒定）。（2）雙積分型ADCVi<0VR>0雙積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的原理電路如圖所示，它由基準(zhǔn)電壓、積分器、比較器、計(jì)數(shù)器、時(shí)鐘和控制邏輯等組成。放電開關(guān)控制K1置位過程K1K2電容積分輸出比較器計(jì)數(shù)器開始地通放電Vo=0雙積分式ADC工作原理過程K1K2電容積分輸出比較器計(jì)數(shù)器采樣Vi<01斷充電線性增加Vo>0向下反轉(zhuǎn)開始計(jì)數(shù)直到溢出過程K1K2電容積分輸出比較器計(jì)數(shù)器編碼VR>02斷反向充電線性下降低電平重新計(jì)數(shù)Vo≤0向上反轉(zhuǎn)停止計(jì)數(shù)輸出結(jié)果電路①③②結(jié)果溢出值恒定t1恒定反向充電電壓恒定Vi不同積分輸出不同VR恒定斜率恒定優(yōu)點(diǎn)：性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾性和精度較好。不足：轉(zhuǎn)換速度慢，≤20次/s，在對轉(zhuǎn)換速度要求低的場合使用。Vi<0VR>0三、A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟5、ADC的主要技術(shù)指標(biāo)指ADC輸出數(shù)字量的最低位變化一個(gè)數(shù)碼時(shí)，對應(yīng)輸入模擬量的變化量。（1）分辨率例如最大輸出電壓為5V的8位ADC的分辨率為：

5V/28=19.6mA分辨率也可用ADC的位數(shù)表示。位數(shù)越多，能分辨的最小模擬電壓值就越小。三、A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟5、ADC的主要技術(shù)指標(biāo)指ADC實(shí)際輸出數(shù)字量與理想輸出數(shù)字量之間的最大差值。通常用最低有效位LSB的倍數(shù)來表示。（2）相對精度(又稱轉(zhuǎn)換誤差)例如：轉(zhuǎn)換誤差不大于1/2LSB，即說明實(shí)際輸出數(shù)字量與理想輸出數(shù)字量之間的最大誤差不超過1/2LSB。三、A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟5、ADC的主要技術(shù)指標(biāo)指ADC完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間，即從轉(zhuǎn)換開始到輸出端出現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)字信號所需要的時(shí)間。（3）轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換速度比較：并聯(lián)比較型>逐次逼近型>雙積分型數(shù)十ns數(shù)十

s

數(shù)十ms轉(zhuǎn)換時(shí)間越小，轉(zhuǎn)換速度越高。四、集成ADC及應(yīng)用1、集成ADC的選用目前，常見的A/D轉(zhuǎn)換器的有效位數(shù)有4、6、8、10、12、14、16位以及BCD碼輸出的位、位、