《计算机电路基础》.ppt

计算机电路基础,第8讲,第8章A/D和D/A转换,常用的A/D和D/A转换电路的相关知识这两种转换电路各自的机理和实用意义了解每种转换给出来目前成熟的转换方法,目标要求,第8章A/D和D/A转换,概述数字－模拟（D/A）转换器模拟－数字（A/D）转换器小结,讲课提纲,第8章A/D和D/A转换,在测控系统中A/D和D/A的应用示例如图8-1所示。通常把从模拟信号到数字信号的转换为模-数转换，简称A/D转换（AnalogtoDigital）。而将从数字信号到模拟信号的转换称为数-模转换，简称D/A转换（DigitaltoAnalog）。实现上述功能的电路分别称为A/D转换器，简称ADC（Analog－DigitalConverter的缩写）和D/A转换器，简称DAC（Digital－AnalogConverter的缩写）。A/D、D/A转换器是数字系统中不可缺少的部件，是计算机用于工业控制、数字测量中重要的接口电路。,8.1概述,图8-1,第8章A/D和D/A转换,8.2.1权电阻D/A转换器数字－模拟转换器是将包含在数字编码字（即数字量）中的数字信息转换为等价的模拟信号。如图8-2所示是其转换框图。DAC电路输入的是数字量，它由二进制代码按数位组合起来。每位代码都具有一定的“权”（想想第5章的内容）。为了把数字量转换为模拟量，应当把每一位代码按“权”的大小转换为相应的模拟量，然后将各位的模拟量相加，所得的和就是与数字量成正比的模拟量。这就是DAC的工作原理。D/A转换器的基本构成部分如图8-3所示。,8.2数字－模拟（D/A）转换器,图8-2,图8-3,,,第8章A/D和D/A转换,8.2.1权电阻D/A转换器图8-4是4位权电阻D/A转换器原理图，它由权电阻网络、电子模拟开关、基准电压和求和放大器４部分组成。４个双向模拟电子模拟开关A、B、C、D权电阻网络R、2R、4R、8R基准电压源运算放大器集成运放作为求和权电阻网络的缓冲器，使输出模拟信号不受负载变化的影响，将电流转换成电压输出。运放的输出电压为,8.2数字－模拟（D/A）转换器,图8-4,,,第8章A/D和D/A转换,8.2.2倒T型电阻网络D/A转换器为了克服权电阻网络D/A转换器中电阻阻值相差太大的缺点，又研制出了倒T型电阻网络D/A转换器。在该电阻网络中仅用了R、2R两种阻值的电阻，因而克服了权电阻D/A转换器的缺点，电路如图8-5所示。在该电路中，集成运放被用作缓冲器，其输出电压为,8.2数字－模拟（D/A）转换器,图8-5,,,第8章A/D和D/A转换,8.2.3D/A转换器主要技术指标D/A转换器通常使用的参数如下转换精度在D/A转换器中通常用分辨率和转换误差来描述转换精度。线性度在理想的D/A转换器中，模拟输出电压和数字输入信号之间的关系必须是线性的。与该线性特性的偏离量被称作线性误差。为了确定线性误差，将模拟输出电压与数字输入信号的关系描绘在图上，如图8-6所示。图中，直线穿过这些点。线性误差应当小于LSB（LSB最低有效位）。转换速度D/A转换器的转换速度是用建立时间和转换速率来表征的。,8.2数字－模拟（D/A）转换器,图8-6,,,第8章A/D和D/A转换,8.2.4D/A转换器集成电路应用D/A芯片一般包括如下几条外引线数字量输入端a0-an（最低有效位用LSB，最高有效位用MSB表示），模拟信号电流（I0）或电压（U0）引入端，基准电压（VR）输入端，电子开关偏置电源VDD及VSS（或“地”）引入端。图8-7是AD7520的10位D/A转换器接线图。该集成芯片采用DIP（双列直插）式16条引线封装形式，使用时需外接运算放大器，以便将输出的模拟电流转换成输出模拟电压。运放所需反馈电阻（Rf）已经做在D/A芯片内部；接线图中I01为D/A芯片本身的电流输出端；I02为D/A芯片内部接地端；RF为接至运放输入端的反馈电阻引入端；VR为基准电压输入端；VDD为MOS电子开关偏置电压输入端，VSS为接地端。,8.2数字－模拟（D/A）转换器,图8-7,,,第8章A/D和D/A转换,8.2.4D/A转换器集成电路应用DAC0832是和8位微型计算机Z－80（如TP801单板机）配套使用的D/A芯片。使用时也需外接运放，以便将DAC0832输出的模拟电流转换为模拟电压。DAC0832为8位D/A转换器，其外引线大部分与AD7520类似，因与Z－80微处理器配接，又增加了几条有关引线，如图8-8所示。DAC0832内部有8位输入寄存器、8位DAC寄存器，因此可以进行二次缓冲操作，可直接和微机总线相连而无需附加逻辑部件。,8.2数字－模拟（D/A）转换器,图8-8,第8章A/D和D/A转换,8.3.1A/D转换器的构成原理我们已经知道A/D转换器是将输入的模拟量转换为数字量的器件。因为输入的模拟量在时间和数值上都是连续的，而输出的数字信号代码是离散量，因此不可能用有限位数的数字量对应任何模拟量，所以在进行转换时，需要对输入的模拟量在某一瞬间进行采样，然后把这些采样值转换为输出的数字量。一般把模拟量转换为数字量的过程分为4步进行，即采样（S）、保持（H）、量化（Q）及编码（E）。图8-9是A/D转换器的方框图。,8.3模拟－数字（A/D）转换器,图8-9,,,第8章A/D和D/A转换,8.3.1A/D转换器的构成原理采样的实质是将一个连续的时变信号（连续模拟量）转换为在时间上不连续（离散）的模拟量，而该模拟量可以进行量化转换为数字量。图8-10给出了一个采样－保持电路及各点波形。u1为输入模拟信号，St为输入采样脉冲，u0输出为时间上不连续的模拟量.量化，是将采样－保持电路输出的阶梯电压依次转换为可以用二进制数码表示的离散电平的过程。指定的离散电平称为量化电平。把量化电平用二进制数码表示出来过程称为编码。,8.3模拟－数字（A/D）转换器,图8-10,,,第8章A/D和D/A转换,8.3.2A/D转换器的参数和分类主要参数模拟输入电压指A/D转换器最大允许输入电压的范围转换精度单片集成A/D转换器采用分辨率和转换误差来描述转换精度转换速度转换速度通常用完成一次转换所用的时间来表示，即用转换时间表示转换格式A/D转换器可以按照任何标准的数字代码（如原码、反码、补码等）来构造温度系数当输入不变时，在允许的温度变化范围内，温度每改变时，输出的相对变化电源抑制在输入模拟电压不变的条件下，当供电电压变化时，对输出也会产生影响A/D的分类根据工作原理的不同，可以把A/D转换器分为直接A/D转换器和间接A/D转换器两大类。,8.3模拟－数字（A/D）转换器,,,第8章A/D和D/A转换,8.3.3直接式A/D转换器计数型A/D转换器电路框图如图8-11所示，它由电压比较器、寄存器/计数器、D/A转换器、基准电源及时钟信号等几部分组成。逐次逼近型A/D转换器工作原理非常类似于用天平称物体的质量。依照上面的思路，逐次逼近型A/D转换器的电路框图如图8-12所示。该转换器由比较器、D/A转换器、基准电源、逐次逼近寄存器与控制逻辑电路、时钟信号等几部分组成。,8.3模拟－数字（A/D）转换器,图8-11,图8-12,,,第8章A/D和D/A转换,8.3.4间接式A/D转换器双积分型A/D转换器是先将电压转换为时间。图8-13是它的原理框图，它包含积分器、比较器、计数器、时钟信号源和控制逻辑电路等几部分。双积分型A/D转换器的优点是电路结构简单，不需D/A转换器，成本低；抗干扰能力强。主要缺点是工作速度比较低，因此这种转换器多用于像数字电压表（DVM）等对转换速度要求不高的地方。该类型转换器的转换精度主要取决于位数、运算放大器和比较器的灵敏度和零点漂移等因素。,8.3模拟－数字（A/D）转换器,图8-13,,,第8章A/D和D/A转换,8.3.5A/D转换器集成电路举例下面介绍8路8位的A/D转换器ADC0808、ADC0809。它们是CMOS单片集成器件，包括8位A/D转换器、8通道多路转换器、地址锁存与译码、逐次逼近寄存器等。这种8位A/D转换器采用逐次逼近技术，不需要在外部进行零点和满度调节。由于多路转换器的地址输入收到锁存和译码，同时具有锁存的TTL三态输出，所以便于与微处理器接口。ADC0808、ADC0809的引脚接线如图8-15所示。,8.3模拟－数字（A/D）转换器,图8-15,第8章A/D和D/A转换,A/D和D/A转换器是现今各种控制、检测和信号处理等系统中必不可少的接口电路。它们的种类很多，本章主要介绍了A/D和D/A转换器的基本原理。在D/A转换器中分别介绍了权电阻D/A转换器、倒T型电阻网络D/A转换器的基本组成和工作原理。它们在集成D/A转换器产品中均有应用。A/D转换过程相对复杂，需要经过采样、保持、量化和编码4个步骤来完成。将实现转换的电路可分为直接与间接方式两大类，本章以目前在集成A/D转换器产品中应用最多的逐次逼近型电路为例，介绍转换的基本思想及电路实现。转换精度和转换速度是衡量A/D和D/A转换器性能优劣的主要指标。目前高速度、高分辨率是A/D和D/A转换器地发展趋势，这样才容易与微型计算机接口，满足对信息处理的要求。,,8.4小结,第8章A/D和D/A转换,说明A/D和D/A转换器的根本区别。A/D转换器的分辨率（a）数或（b）百分比表示。一个简单的D/A转换器由两个基本部分组成，分别是网络和放大器。ADC0808IC使用模-数转换技术。ADC0808A/D转换器的工作速度和微处理器相比（相同，较慢）。数字电压表是的应用之一。,课后作业,第8章A/D和D/A转换,暂无上机试验,上机实验,