电工学 第15章 模拟量和数字量的转换
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第 15 章 模拟量和数字量的转换
15.1 数 - 模转换器 15.2 模 - 数转换器
*第 15 章 模拟量和数字量的转换
将数字信号转换为模拟信号称数 - 模转换(DAC)。 将模拟信号转换为数字信号称模 - 数转换(ADC)。
传感器 模拟控制
模
ADC
数
拟
字
信
信
号 DAC
号
数字计算机 控制对象
15.1 数 - 模转换器
1 2n 1
b. 转换精度 表示实际输出的电压值与理想的输出 电压值之间的差别。
c. 建立时间 从数码输入到模拟电压稳定输出 之间的响应时间。
集成 ADC 芯片举例
d4 d3
d2
d1
d0
+UR
UDD UR
RF
9
8
10
7
11
6
12
5
AD7520
13
4
14
3
15
2
16
1
d5 d6 d7 d8
d9 GND IO2 IO1
5V
UA < UI
留
4 1011
5. 5V
UA UI
留
D/A转换器输出UA为正值
UA
8 24
(d3 23
d2 22
d1 21
d0 20)
例：UR= 8V，UI = 5.52V
转换数字量1011 转换误差为–0.02V 若输出为8位数字量
4+1+0.5 = 5.5V
UA
8 28
(d 7
27
d6
IOUT2
+
UO
0
10
10
10
1
–
2R
S0
S1
S2
S3
R
2R I0 2R
I1 2R
I2 2R
I3
R
R
UR
R
IR
UO
UR 24
(d3
23
d2
22
d1
21
d0
20 )
DAC 主要技术指标
a. 分辨率 用输入的二进制数码的位数 n 来表示。 位数越多，分辨率就越高。
K RR
U o min U o max
AD7520 各外引线功能：
d0 ~ d9：十位数字量的输入端； IO1、IO2：电流输出端； RF：反馈信号输入端； UDD：电源接线端； UR：参考电源，可正可负； GND：接地端。
–
+ +
+
UO –
AD7520 输入数字量与输出模拟量的关系
输入数字量
d9
d8
d7
d6
d5
d4
d3
d2
d1
d0
26
d0
20 )
转换数字量10110001
4+1+0.5+0.03125 = 5.53125V 转换误差为 +0.01125V 位数越多误差越小
U A /V
6 5
4
逐3
次2
逼1 近 0 t0
转 D3 换
1
过
程 D2
示
0
意 图 D1
0
UA > UI
UA < UI
t1
t2
t3
11 1 1
10 0 0
15.2 模 - 数转换器
输出数字量
输入电压 UI
顺序脉冲 发生器
逐次逼近 寄存器
DAC
电压 发生器 UA
逐次逼近型模 - 数转换器原理框图
例： 用四个分别重 8 g、4 g、2 g、1 g 的砝码， 去称重 13g 的物体。其称重顺序见下表：
称重顺序表
顺序 1 2 3 4
砝码重量 8g 8g+4g 8g+4g+2g 8g+4g+2g+1g
0000000000
0000000001
…
…
0111111111 1000000000 1000000001
…
…
1111111110 1111111111
输出模拟量
Uo 0
1 1024 U R
…
511 1024
UR
512 1024
UR
513 1024
UR
…
1022 1024 U R
1023 1024 U R
00 1 1
D0
0 00 0 1
设参考电压 UR 8 V,
输 入 电 压 U I 5.52 V 。 转换完毕 , 输出数字量
d3d2d1d0 1011
对 应 模 拟 电 压 U 5.5 V
(转换误差: –0.02V)
D 3 1时 ,对 应 于 1 2 U R
D 2 1时 ,对 应 于 1 4 U R D 1 1时 ,对 应 于 1 8 U R
R
R
R
2R
2R
S0
2R S1
2R S2
RF
2R
–
2R S3
R'
++
UO
1
1 0
01
0
1
0
基准电源
LSB d0
电子开关
Q0
d1
d2
Q1
Q2
数码寄存器
T形电阻网络 DAC 原理电路
UR d3 MSB Q3
T 形电阻网络 DAC 原理电路分析
R
R
R
RF 2R
I–
2R
2R +
2R
2R
2R
++
R'
UO
–UR
URS3 21 3R
I
UR 3R24
(d3 23
d2
22
d1 21
d0
20 )
UO
UR 24
(d3
23
d2
22
d1
21
d0
20 )
UO
UR 2n
(dn1 2n1
dn2
2n2
d1 21
d0 20 )
倒 T 形电阻网络数 - 模转换器
RF
d0
d1
d2
d3 IOUT1
CP
≥1
≥1
≥1
Q4 Q3
Q2
Q1
Q0
5 位顺序脉冲发生器
逐次逼近 寄存器
d3
d2
d1
d0
E
读出 与门
逐次逼近型顺序脉冲发生器的输出波形
1 2345 CP Q4 Q3 Q2 Q1 Q0
15.2.1 转换原理
(待转换的模拟电压) UI 试探电压 UA
D/A转换器
＋
＋
uO
－
砝码是 否保存
放哪一 个砝码
清0、置数
控
数码寄存器 “1”状态是否保留
控制端
制
清0、置数
逻
顺序脉冲发生器 CP(移位命令) 辑
时钟
15.2.2 转换过程
例：UR= 8V，UI = 5.52V
顺 序 d3 d2 d1 d0
UA(V)
1 1000
4V
比较判断 UA < UI
“1”留否 留
2 1100
6V
UA > UI
去
3 1010
D 0 1时 ,对 应 于 1 1 6U R
比较判别 8 g < 13 g 12 g < 13 g 14 g > 13 g 13 g = 13 g
该砝码是否保留或去除 留 留 去 留
逐次逼近型模 - 数转换器原理电路
UA
UI
电压比 较器
4 位 DAC
++
d3
d2 FF3
FF2
d1
FF1
d0 FF0
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Q
Q
Q
Q
SR SR SR SR
逻辑 控制门
R + UR –2
R + UR – 22
R + UR – 23
R + UR – 24
2R
R + UR – 24
RF
I
I–
++
R'
UO
I
UR 24 3R
UO = –IRF
U0
UR RF 24 3R
设 RF = 3R
UO
UR 24
I
URS0 24 3R
U RS1 23 3R
U 22
RS2 3R
15.1 数 - 模转换器 15.2 模 - 数转换器
*第 15 章 模拟量和数字量的转换
将数字信号转换为模拟信号称数 - 模转换(DAC)。 将模拟信号转换为数字信号称模 - 数转换(ADC)。
传感器 模拟控制
模
ADC
数
拟
字
信
信
号 DAC
号
数字计算机 控制对象
15.1 数 - 模转换器
1 2n 1
b. 转换精度 表示实际输出的电压值与理想的输出 电压值之间的差别。
c. 建立时间 从数码输入到模拟电压稳定输出 之间的响应时间。
集成 ADC 芯片举例
d4 d3
d2
d1
d0
+UR
UDD UR
RF
9
8
10
7
11
6
12
5
AD7520
13
4
14
3
15
2
16
1
d5 d6 d7 d8
d9 GND IO2 IO1
5V
UA < UI
留
4 1011
5. 5V
UA UI
留
D/A转换器输出UA为正值
UA
8 24
(d3 23
d2 22
d1 21
d0 20)
例：UR= 8V，UI = 5.52V
转换数字量1011 转换误差为–0.02V 若输出为8位数字量
4+1+0.5 = 5.5V
UA
8 28
(d 7
27
d6
IOUT2
+
UO
0
10
10
10
1
–
2R
S0
S1
S2
S3
R
2R I0 2R
I1 2R
I2 2R
I3
R
R
UR
R
IR
UO
UR 24
(d3
23
d2
22
d1
21
d0
20 )
DAC 主要技术指标
a. 分辨率 用输入的二进制数码的位数 n 来表示。 位数越多，分辨率就越高。
K RR
U o min U o max
AD7520 各外引线功能：
d0 ~ d9：十位数字量的输入端； IO1、IO2：电流输出端； RF：反馈信号输入端； UDD：电源接线端； UR：参考电源，可正可负； GND：接地端。
–
+ +
+
UO –
AD7520 输入数字量与输出模拟量的关系
输入数字量
d9
d8
d7
d6
d5
d4
d3
d2
d1
d0
26
d0
20 )
转换数字量10110001
4+1+0.5+0.03125 = 5.53125V 转换误差为 +0.01125V 位数越多误差越小
U A /V
6 5
4
逐3
次2
逼1 近 0 t0
转 D3 换
1
过
程 D2
示
0
意 图 D1
0
UA > UI
UA < UI
t1
t2
t3
11 1 1
10 0 0
15.2 模 - 数转换器
输出数字量
输入电压 UI
顺序脉冲 发生器
逐次逼近 寄存器
DAC
电压 发生器 UA
逐次逼近型模 - 数转换器原理框图
例： 用四个分别重 8 g、4 g、2 g、1 g 的砝码， 去称重 13g 的物体。其称重顺序见下表：
称重顺序表
顺序 1 2 3 4
砝码重量 8g 8g+4g 8g+4g+2g 8g+4g+2g+1g
0000000000
0000000001
…
…
0111111111 1000000000 1000000001
…
…
1111111110 1111111111
输出模拟量
Uo 0
1 1024 U R
…
511 1024
UR
512 1024
UR
513 1024
UR
…
1022 1024 U R
1023 1024 U R
00 1 1
D0
0 00 0 1
设参考电压 UR 8 V,
输 入 电 压 U I 5.52 V 。 转换完毕 , 输出数字量
d3d2d1d0 1011
对 应 模 拟 电 压 U 5.5 V
(转换误差: –0.02V)
D 3 1时 ,对 应 于 1 2 U R
D 2 1时 ,对 应 于 1 4 U R D 1 1时 ,对 应 于 1 8 U R
R
R
R
2R
2R
S0
2R S1
2R S2
RF
2R
–
2R S3
R'
++
UO
1
1 0
01
0
1
0
基准电源
LSB d0
电子开关
Q0
d1
d2
Q1
Q2
数码寄存器
T形电阻网络 DAC 原理电路
UR d3 MSB Q3
T 形电阻网络 DAC 原理电路分析
R
R
R
RF 2R
I–
2R
2R +
2R
2R
2R
++
R'
UO
–UR
URS3 21 3R
I
UR 3R24
(d3 23
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22
d1 21
d0
20 )
UO
UR 24
(d3
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d2
22
d1
21
d0
20 )
UO
UR 2n
(dn1 2n1
dn2
2n2
d1 21
d0 20 )
倒 T 形电阻网络数 - 模转换器
RF
d0
d1
d2
d3 IOUT1
CP
≥1
≥1
≥1
Q4 Q3
Q2
Q1
Q0
5 位顺序脉冲发生器
逐次逼近 寄存器
d3
d2
d1
d0
E
读出 与门
逐次逼近型顺序脉冲发生器的输出波形
1 2345 CP Q4 Q3 Q2 Q1 Q0
15.2.1 转换原理
(待转换的模拟电压) UI 试探电压 UA
D/A转换器
＋
＋
uO
－
砝码是 否保存
放哪一 个砝码
清0、置数
控
数码寄存器 “1”状态是否保留
控制端
制
清0、置数
逻
顺序脉冲发生器 CP(移位命令) 辑
时钟
15.2.2 转换过程
例：UR= 8V，UI = 5.52V
顺 序 d3 d2 d1 d0
UA(V)
1 1000
4V
比较判断 UA < UI
“1”留否 留
2 1100
6V
UA > UI
去
3 1010
D 0 1时 ,对 应 于 1 1 6U R
比较判别 8 g < 13 g 12 g < 13 g 14 g > 13 g 13 g = 13 g
该砝码是否保留或去除 留 留 去 留
逐次逼近型模 - 数转换器原理电路
UA
UI
电压比 较器
4 位 DAC
++
d3
d2 FF3
FF2
d1
FF1
d0 FF0
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Q
Q
Q
Q
SR SR SR SR
逻辑 控制门
R + UR –2
R + UR – 22
R + UR – 23
R + UR – 24
2R
R + UR – 24
RF
I
I–
++
R'
UO
I
UR 24 3R
UO = –IRF
U0
UR RF 24 3R
设 RF = 3R
UO
UR 24
I
URS0 24 3R
U RS1 23 3R
U 22
RS2 3R