高職《汽車電工電子技術(shù)》PPT電子課件,汽車電工電子技術(shù),高職,汽車,電工,電子技術(shù),PPT,電子,課件 汽車電工電子第第9章章 數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器概述數(shù)模轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換器本章學(xué)習(xí)目標(biāo)1、掌握數(shù)模轉(zhuǎn)換器的基本原理和類型2、掌握模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基本原理和類型91 概述 隨著數(shù)字電子技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字電子計(jì)算機(jī)、數(shù)字控制系統(tǒng)、數(shù)字通信設(shè)備和數(shù)字測(cè)量?jī)x表等已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。然而，數(shù)字電子電路、數(shù)字系統(tǒng)或裝置一般只能加工和處理數(shù)字信號(hào)?？墒侨粘Ｐ枰幚淼奈锢砹?，絕大部分都是連續(xù)變化的模擬信號(hào)，例如溫度、氣壓、聲音、圖像信號(hào)等。因此，必須先把這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，才能送入電子計(jì)算機(jī)或其他數(shù)字電路中進(jìn)行加工和處理。另外，經(jīng)過數(shù)字電路處理后的數(shù)字信號(hào)的輸出，也需要還原成模擬信號(hào)才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。所以，在數(shù)字系統(tǒng)的輸入和輸出部分，一般要設(shè)有模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)和數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的電路。一般測(cè)控系統(tǒng)框圖 能把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的電路稱為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-Digital-Converter)，簡(jiǎn)稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC。能把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器(Digital-Analog-Converter)，簡(jiǎn)稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC。假設(shè)被控制的物理量是溫度，首先通過傳感器將非電量溫度轉(zhuǎn)換成隨之變化的模擬電信號(hào)，經(jīng)過放大器放大后，通過模擬信號(hào)向數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換的電路，再將數(shù)字信號(hào)送入數(shù)字電路（通常為數(shù)字計(jì)算機(jī)）進(jìn)行處理；經(jīng)過處理后輸出的數(shù)字信號(hào)又必須通過數(shù)字信號(hào)向模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換的電路，用模擬信號(hào)去推動(dòng)執(zhí)行元件，完成控制溫度的功能。92數(shù)模轉(zhuǎn)換器數(shù)模轉(zhuǎn)換器92l數(shù)模轉(zhuǎn)換原理數(shù)模轉(zhuǎn)換原理 數(shù)字電路處理的信號(hào)一般是多位二進(jìn)制信息。因此，數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)字信號(hào)是二進(jìn)制數(shù)字量，輸出模擬信號(hào)則是與輸入數(shù)字量成正比的電壓或電流。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。轉(zhuǎn)換原理 寄存器用來暫時(shí)存放數(shù)字量D。寄存器的輸入可以是并行輸入，也可以是串行輸入，但輸出只能是并行輸出。通常輸入寄存器的數(shù)字量D都是存放數(shù)字碼。n位寄存器的輸出分別控制N個(gè)模擬開關(guān)的接通或斷開。每個(gè)模擬開關(guān)相當(dāng)于一個(gè)單刀雙擲開關(guān)，它們分別與電阻譯碼電路的n個(gè)支路相連。當(dāng)輸入數(shù)字量為l時(shí)，開關(guān)將參考電壓UR按位切換到電阻譯碼電路;當(dāng)輸入數(shù)字量為0時(shí)，開關(guān)接通到地，從而使電阻譯碼網(wǎng)絡(luò)輸出電壓(或電流)的大小與輸入數(shù)字量成正比。922權(quán)電阻權(quán)電阻DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 1電路組成 包括四部分:參考電壓UR；電子開關(guān)；權(quán)電阻求和網(wǎng)絡(luò)；運(yùn)算放大器。2工作原理 有一個(gè)以二進(jìn)制數(shù)碼表示的4位數(shù)字量，D4=d3d2d1d0。用4位二進(jìn)制代碼d3、d2、d1、d0分別控制電子開關(guān)S3、S2、S1、S0。如di=l，Si接UR；di=0，Si接地。當(dāng)Si接UR時(shí)，該支路中的電阻便得到電流，否則該支路得不到電流，各支路的總電流流到R/2上便建立起輸出電壓。轉(zhuǎn)換推導(dǎo) 這里，d3、d2、d1、d0可能取“1”或“0”。因?yàn)榉答侂娮铻镽/2，所以：對(duì)一個(gè)n位權(quán)電阻DAC則存在如下關(guān)系式：權(quán)電阻求和網(wǎng)絡(luò)存在如下關(guān)系式：923 T型電阻網(wǎng)絡(luò)型電阻網(wǎng)絡(luò)DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器1電路工作原理 這是一個(gè)四級(jí)的T型網(wǎng)絡(luò)。電阻值為R和2R的電阻構(gòu)成T型。由圖9-4可知，由節(jié)點(diǎn)AA向右看的等效電阻為R，而由BB、CC、DD各點(diǎn)向右看的等效電阻值也都是R。電阻值為R和2R的電阻構(gòu)成了型網(wǎng)路。D0D3表示4位二進(jìn)制輸入信號(hào)，D3為高位，D0為低位。S0S3是四個(gè)電子模擬開關(guān)，當(dāng)某一位數(shù)Di=l，即表示Si接l，這時(shí)相應(yīng)電阻的電流Ii流向I01，當(dāng)Di=0，即表示Si接0，則流過相應(yīng)電阻的電流Ii流向IO2到地。因此，運(yùn)算放大器的輸入電流I01由下式?jīng)Q定：運(yùn)算放大器接成反相放大器的形式，其輸出電壓U0由下式?jīng)Q定:即輸出的模擬電壓與輸入的數(shù)字信號(hào)D3D0的狀態(tài)以及位權(quán)成正比。若取RF=R，則D/A轉(zhuǎn)換后的輸出電壓表示為 如果電阻網(wǎng)絡(luò)由N級(jí)組成，則DA轉(zhuǎn)換后的輸出電壓表示為2數(shù)模轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)(1)分辨率 所能產(chǎn)生的最小電壓變化量與滿刻度輸出電壓之比。位數(shù)越高，分辨能力就越強(qiáng)，分辨率的值越低（?。?。它用輸入數(shù)碼只有最低有效位為1時(shí)的輸出電壓與輸入數(shù)碼為全1時(shí)輸出滿量程電壓之比來表示，即 如果輸出模擬電壓滿量程為l0V，那么10位DAC能夠分辨的最小電壓為l0V/l023=976mV，而8位DAC能分辨的最小電壓為l0V/255=39mV。可見DAC的位數(shù)越多，分辨出最小電壓的能力越強(qiáng)，故有時(shí)也用輸入數(shù)碼的位數(shù)來表示分辨率，如10位DAC的分辨率為10位。(2)絕對(duì)誤差 絕對(duì)誤差又稱絕對(duì)精度，是指當(dāng)輸入數(shù)碼為全1時(shí)所對(duì)應(yīng)的實(shí)際輸出電壓與電路理論電壓值之差。設(shè)計(jì)時(shí)，一般要求小于LSB所對(duì)應(yīng)的輸出電壓值。因此，絕對(duì)誤差與位數(shù)有關(guān)，位數(shù)N越多，LSB愈小，精度則愈高。(3)轉(zhuǎn)換速度 轉(zhuǎn)換速度是衡量轉(zhuǎn)換速度的參數(shù)，指從送入數(shù)字信號(hào)起，到輸出電流或電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)值所需要的時(shí)間。因此，也稱作輸出建立時(shí)間。一般位數(shù)愈多，轉(zhuǎn)換時(shí)間愈長(zhǎng)。也就是說精度與速度是相互矛盾的。（4*）、線性度：又稱為非線性誤差，是偏離理想的輸入-輸出特性的偏差與滿刻度輸出之比的百分率。9.2.4集成集成DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 集成DA轉(zhuǎn)換器芯片通常只將T型(倒T型)電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)等集成到一塊芯片上，多數(shù)芯片中并不包含運(yùn)算放大器。構(gòu)成D/A轉(zhuǎn)換器時(shí)要外接運(yùn)算放大器，有時(shí)還要外接電阻。常用的DA轉(zhuǎn)換器芯片有8位、l0位、12位、16位等品種。18位DA轉(zhuǎn)換器2）DAC0832的管腳使用說明 D7D0 數(shù)字信號(hào)輸入端，D7為最高位，D0為最低位。ILE 允許輸入鎖存，高電平有效。CS/:片選輸入，低電平有效。WR1/:寫信號(hào)（1）輸入，低電平有效。WR2/:寫信號(hào)（2）輸入，低電平有效。XFER/:傳送控制信號(hào)輸入端，低電平有效。UREF 參考電壓輸入端，可在+l0V-l0V范圍內(nèi)選擇。IOUT1 :電流輸出1。IOUT2 電流輸出2。Rf反饋電阻引線端。Vcc:電源電壓，可在+5V+l5V范圍內(nèi)選擇。最佳工作狀態(tài)電壓為+l5V。AGND 模擬信號(hào)接地端。DGND 數(shù)字信號(hào)接地端。3）DAC0832的應(yīng)用用DAC0832構(gòu)成單極性D/A轉(zhuǎn)換器的典型接線如圖 如果在上圖電路的基礎(chǔ)上再加一級(jí)放大器，就構(gòu)成了雙極性電壓輸出。雙極性輸出D/A轉(zhuǎn)換器 由輸出模擬電壓Uo的表達(dá)式可知，若參考電壓UR為負(fù)，則輸入數(shù)字信號(hào)最高值D7為1時(shí)，U0為負(fù)值；當(dāng)D7=0時(shí)，U0為正值。所以，最高位D7起到了符號(hào)位的作用。當(dāng)UR為正時(shí)，D7同樣可起到符號(hào)位的作用，但D7=l時(shí)Uo為正值，D7=0時(shí)U0為負(fù)值。2.集成集成DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器AD7524 AD7524是CMOS單片低功耗8位DA轉(zhuǎn)換器。采用倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。型號(hào)中的“AD”表示美國(guó)的芯片生產(chǎn)公司模擬器件公司的代號(hào)。CS為片選信號(hào)，WR/為寫入命令，VREF為參考電源，可正、可負(fù)。IOUT是模擬電流輸出，一正一負(fù)。A為運(yùn)算放大器，將電流輸出轉(zhuǎn)換為電壓輸出，輸出電壓的數(shù)值可通過接在16腳與輸出端的外接反饋電阻RFB進(jìn)行調(diào)節(jié)。16腳內(nèi)部已經(jīng)集成了一個(gè)電阻，所以外接的RFB可為零，即將16腳與輸出端短路。AD7524典型實(shí)用電路 供電壓VDD為+5V+15V。D0D7為輸入數(shù)據(jù)，可輸入TTL/CMOS電平。當(dāng)片選信號(hào)CS/與寫入命令WR/為低電平時(shí)，AD7524處于寫入狀態(tài)，可將D0D7的數(shù)據(jù)寫入寄存器并轉(zhuǎn)換成模擬電壓輸出。當(dāng)RFB=0時(shí)，輸出電壓與輸入數(shù)字量的關(guān)系如下：93模數(shù)轉(zhuǎn)換器模數(shù)轉(zhuǎn)換器 模數(shù)轉(zhuǎn)換即將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)，使輸出的數(shù)字量與輸入的模擬電量成正比。實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路稱模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog-Digital Converter，簡(jiǎn)稱 A/D 轉(zhuǎn)換器或ADC）。A/D轉(zhuǎn)換的目的是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，所以A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入是連續(xù)變化的模擬信號(hào)，輸出則是離散的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。從輸入到輸出，一般要經(jīng)過采樣、保持、量化和編碼四個(gè)步驟，才能完成A/D轉(zhuǎn)換。1采樣和保持采樣和保持 要把隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬信號(hào)變換成對(duì)應(yīng)的離散數(shù)字信號(hào)，首先要按一定的時(shí)間間隔取出模擬信號(hào)的值，這一過程叫采樣采樣。采樣定理：采樣定理：為了保證采樣后的信號(hào)能恢復(fù)原來的模擬信號(hào)，要求采樣的頻率fS與被采樣的模擬信號(hào)的最高頻率fImax應(yīng)滿足下面關(guān)系：fS2fImax采樣頻率通常取fs=(35)fi(max)。由于模/數(shù)轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)模擬信號(hào)應(yīng)保持不變，因此要求采樣后的模擬信號(hào)值必須保持一段時(shí)間，這一過程稱為保持保持。2采樣、保持電路采樣、保持電路 該電路由一個(gè)存儲(chǔ)電容C、一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管T構(gòu)成的電子模擬開關(guān)及電壓跟隨運(yùn)算放大器組成。采樣控制信號(hào)US為高電平時(shí)，開關(guān)管T導(dǎo)通，輸入模擬信號(hào)UI通過T存儲(chǔ)在電容C上。經(jīng)過運(yùn)放電壓跟隨器，輸出電壓U0=UC=UI。采樣控制信號(hào)US為低電平時(shí)，開關(guān)管T截止，電容C上的電壓因無放電通路，會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)保持不變。所以輸出電壓Uo也保持原數(shù)值，直到下一個(gè)采樣控制信號(hào)US的高電平到來為止。3量化和編碼量化和編碼 經(jīng)采樣、保持所得電壓信號(hào)仍是模擬量，不是數(shù)字量。量化和編碼就是由模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的過程，亦即A/D轉(zhuǎn)換的主要階段。量量化化是將采樣、保持電路輸出信號(hào)Uo進(jìn)行離散化的過程。離散后的電平稱為量化電平量化電平。用二進(jìn)制數(shù)表示量化電平即為編碼編碼。任何一個(gè)數(shù)字量的大小，都是以某個(gè)最小數(shù)字量單位的整數(shù)倍來表示的，在用數(shù)字量表示模擬電壓時(shí)，也是如此。最小數(shù)字量單位，就是量化單位。將采樣電壓按一定的等級(jí)進(jìn)行分割，也就是說用近似的方法取值，這就不可避免地帶來了誤差，這種誤差稱之為量化誤差。誤差的大小取決于量化的方法。各種量化方法中，對(duì)模擬量分割的等級(jí)越多，誤差則越小。量化方法一般有兩種。一種是采用只舍不入的方法。另一種是采用四舍五入的方法。4.AD轉(zhuǎn)換器的分類轉(zhuǎn)換器的分類 按轉(zhuǎn)換過程，AD轉(zhuǎn)換器可大致分為直接型AD轉(zhuǎn)換器和間接AD轉(zhuǎn)換器。直接型AD轉(zhuǎn)換器能把輸入的模擬電壓直接轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字代碼，而不需要經(jīng)過中間變量。常用的電路有并行比較型和反饋比較型兩種。932 逐次漸近型逐次漸近型(逼近型逼近型)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 逐次漸近型A/D轉(zhuǎn)換器是目前使用最多的一種，在其轉(zhuǎn)換過程中，量化和編碼是同時(shí)實(shí)現(xiàn)的，故屬于直接A/D轉(zhuǎn)換器。這種A/D轉(zhuǎn)換器由電壓比較器、邏輯控制器、DAC及數(shù)碼寄存器組成。逐次逼近型ADC 轉(zhuǎn)換開始，環(huán)形移位寄存器初態(tài)為Q1Q2Q3Q4Q5=l0000狀態(tài)。當(dāng)?shù)趌個(gè)CP到來時(shí)，逐次逼近型寄存器被量化成Q6Q7Q8=100。與此同時(shí)，環(huán)形移位寄存器右移一位，即Q1Q2Q3Q4Q5=01000狀態(tài)。逐次逼近型寄存器的輸出100經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換為Um/2=100/2=50mV，即Uf=50mV。UI與Uf在比較器中比較，由于UI=76mV，所以UIUf，因此Uc=0。當(dāng)?shù)?個(gè)CP到來時(shí)，由于Q1Q2Q3Q4Q5=01000，又UC=0，使得Q6Q7Q8=110，相當(dāng)于Q6保留l，Q7置為l，Q8仍為0。與此同時(shí)Q1Q2Q3Q4Q5=00l00，逐次逼近型寄存器的狀態(tài)110經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換為50+50/2=75mV。即Uf變成75mV，經(jīng)與UI比較，UIUf，所以Uc=0。當(dāng)?shù)?個(gè)CP到來時(shí)，由于Q1Q2Q3Q4Q5=00100，又UC=0，使得Q6Q7Q8=11l，相當(dāng)于Q7、Q6保持不變，Q8置為1。與此同時(shí)，環(huán)形寄存器又右移一位。逐次逼近型寄存器的輸出111經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換輸出為75+50/4=87.5mV。即Uf又變成87.5mV。經(jīng)與UI比較，UIUf，因此UC=l。當(dāng)?shù)?個(gè)CP到來時(shí)，由于Q1Q2Q3Q4Q5=00010，又UC=l，Q6Q7Q8=l10，相當(dāng)于Q8的1被清為0。與此同時(shí)，環(huán)形移位寄存器最后一位置1，這使得門46開通，逐次逼近型寄存器的內(nèi)容經(jīng)此輸出為數(shù)字信號(hào)D2D1D0=110，相當(dāng)于75mV，比較逼近輸入的模擬信號(hào)76mV。逐次逼近型寄存器的位數(shù)越多，UC越接近UI，輸出的數(shù)字信號(hào)就越精確。逐次逼近型ADC是使用最為廣泛的一種。它的轉(zhuǎn)換速度快，精度高（其精確度可達(dá)0.005%）。933并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 并聯(lián)比較型ADC由電阻分壓器、電壓比較器、數(shù)碼寄存器及編碼器等組成，并聯(lián)比較型ADC的特點(diǎn)是:轉(zhuǎn)換速度極快，但當(dāng)輸出位數(shù)增加時(shí)，所需電壓比較器數(shù)目將以極大比例增加。因此該ADC適用于高轉(zhuǎn)換速度、低分辨率的場(chǎng)合。3位并聯(lián)比鉸ADC的輸入與輸出關(guān)系輸入模擬電壓比較器輸出數(shù)字信號(hào)U1C7C6C5C4C3C2C1D3D2D10U11/15UR00000000001/15 URU13/15 UR00000010013/15 URU15/15 UR00000110105/15 URU17/15 UR0000111011715 URU19/15 UR00011111009/15 URU111/15 UR001111110111/15 URU113/15 UR011111111013/15 URU1UR1111111111934 A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)1分辨率 在單片AD轉(zhuǎn)換器中，也用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述轉(zhuǎn)換精度。A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率又稱分解度。其輸出二進(jìn)制數(shù)位越多，轉(zhuǎn)換精度越高，即分辨率越高。故可用分辨率表示轉(zhuǎn)換精度。常以LSB所對(duì)應(yīng)的電壓值表示。如輸入的模擬電壓滿量程為5V，8位ADC的LSB所對(duì)應(yīng)的輸入電壓為 而l0位ADC則為 可見ADC位數(shù)越多，分辨率越高。也就是說，AD轉(zhuǎn)換器的分辨率，實(shí)際上反映了它對(duì)輸入模擬量微小變化的分辨能力。顯然，它與輸出的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)有關(guān)，輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)越多，分辨率越小，分辨能力越高。2轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度是指ADC從接到轉(zhuǎn)換控制信號(hào)起，到輸出穩(wěn)定的數(shù)字量為止所用的時(shí)間多少。顯然，用的時(shí)間越少，轉(zhuǎn)換速度越快。通常，高轉(zhuǎn)換速度可達(dá)數(shù)百毫微秒，中速為數(shù)十微秒，低速為數(shù)十毫秒。3相對(duì)誤差表示AD轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量和理想輸出數(shù)字量之間的差別。常用最低有效位的倍數(shù)表達(dá)。例如AD轉(zhuǎn)換器的相對(duì)誤差小于等于 LSB/2，表示實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上應(yīng)得到的輸出數(shù)字量之間的誤差少于最低位1的一半。935 集成集成AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器1原理框圖 ADC0809是采用CMOS工藝制成的雙列直插式8位AD轉(zhuǎn)換器，ADC0809內(nèi)部由8路模擬開關(guān)、地址鎖存器和譯碼器、比較器、電阻網(wǎng)絡(luò)、樹狀電子開關(guān)、逐次逼近寄存器、控制與定時(shí)電路、三態(tài)輸出鎖存器等組成。引腳功能ADC0809芯片有28個(gè)管腳，各引腳功能如下：IN0IN7：為8路模擬電壓輸入端。它可對(duì)8路模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。但某一時(shí)該只能選擇一路進(jìn)行轉(zhuǎn)換。選擇由地址鎖存器和譯碼器來控制。A、B、C:模擬輸入通道的地址選擇線。輸入通道的狀態(tài)譯碼ALE：地址鎖存允許信號(hào)，高電平有效。START：脈沖輸入信號(hào)啟動(dòng)端。其上升沿使內(nèi)部寄存器清零，下降沿開始進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。CLOCK：時(shí)鐘脈沖輸入端，控制時(shí)序電路工作。D0D7：數(shù)據(jù)輸出端，D0為最低位、D7為最高位。OE：輸出允許，高電平有效。UREF（+）和UREF（-）：電阻網(wǎng)絡(luò)參考電壓正端和負(fù)端。GND：接地端。2ADCO809主要技術(shù)指標(biāo) 分辨率：8位。精度：lLSB。轉(zhuǎn)換時(shí)間：100s。輸人電壓：+5V。電源電壓：+5V。