电工学第10章课件.ppt

1、一、基本内容：一、基本内容：1.数模转换和模数转换的基本概念数模转换和模数转换的基本概念 ；2.几种几种D/A转换器的结构和工作原理转换器的结构和工作原理；3.几种几种A/D转换器的结构和工作原理转换器的结构和工作原理；4.数据采集系统的构成和实例数据采集系统的构成和实例。10 数模与模数转换器数模与模数转换器1.通过学习，掌握数模转换和模数转换的基通过学习，掌握数模转换和模数转换的基本概念本概念；2.了解几种了解几种 D/A转换器的结构和工作原理转换器的结构和工作原理；3.了解几种了解几种A/D转换器的结构和工作原理转换器的结构和工作原理；4.理解数据采集系统的构成和实例理解数据采集系统的构

2、成和实例。二、教学要求：二、教学要求：10 数模与模数转换器数模与模数转换器 10.1 10.1 数模转换器（数模转换器（D/AD/A转换器）转换器）返回主目录模拟量模拟量是随时间连续变化的量，例如温度、压是随时间连续变化的量，例如温度、压力、速度、位移等非电量绝大多数都是连续变力、速度、位移等非电量绝大多数都是连续变化的模拟量，他们可以通过相应的传感器变换化的模拟量，他们可以通过相应的传感器变换为连续变化的模拟量（电压和电流）。而为连续变化的模拟量（电压和电流）。而数字数字量量是时间和幅值上都离散的量是时间和幅值上都离散的量。D/AD/A转换器通常由译码网络、模拟开关、求和转换器通常由译码网

3、络、模拟开关、求和运算放大器和基准电压源等部分组成。根据译运算放大器和基准电压源等部分组成。根据译码网络的不同，可以构成多种码网络的不同，可以构成多种D/AD/A转换电路。转换电路。10.1.1 10.1.1 权电阻网络权电阻网络D/AD/A转换器转换器1.电路原理图电路原理图返回主目录 10.1 10.1 数模转换器（数模转换器（D/AD/A转换器）转换器）R 2R 4R 8R RF I1 I0 I2 I3 IREF iF i S3 S0 S1 S2 D0 D3 D2 D1 +VREF uo +返回主目录2.工作原理工作原理 10.1 10.1 数模转换器（数模转换器（D/AD/A转换器）转

4、换器）由电路可知，流过各权电阻的电流为由电路可知，流过各权电阻的电流为RVIRVIRVIRVIREFREFREFREF3210 2 4 8流入运算放大器反相端的电流为流入运算放大器反相端的电流为)2222(2248001122333321033221100DDDDRVDRVDRVDRVDRVDIDIDIDIiREFREFREFREFREF 2.优点是电路简单。缺点是权电阻阻值相优点是电路简单。缺点是权电阻阻值相差太大，既难保证精度，也不易集成化。差太大，既难保证精度，也不易集成化。注意：注意：1.当当输出电压的大小与输入的二进制数成正比，输出电压的大小与输入的二进制数成正比，从而实现了数字量到

5、模拟量转换。从而实现了数字量到模拟量转换。返回主目录 10.1 10.1 数模转换器（数模转换器（D/AD/A转换器）转换器）RRF21时时:)2222(22001122334oDDDDViRiRuREFFF返回主目录10.1.2 10.1.2 T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器 10.1 10.1 数模转换器（数模转换器（D/AD/A转换器）转换器）1.电路原理图电路原理图返回主目录 10.1 10.1 数模转换器（数模转换器（D/AD/A转换器）转换器）2.工作原理工作原理当当10d（其余为（其余为0）时，即输入）时，即输入 00010123dddd，其，其 等效电路如图（等效电路如

6、图（a）所示）所示,应用戴维宁定理。将应用戴维宁定理。将图（图（a）电路等效为图（）电路等效为图（b）所示。）所示。同理，可以得到图（同理，可以得到图（c）、）、(d)、(e)的等效电路。的等效电路。返回主目录 10.1 10.1 数模转换器（数模转换器（D/AD/A转换器）转换器）由图（由图（e）可知）可知,只有当只有当 10d（其余位均为（其余位均为0）时，）时，T型电阻网络的开路电压为型电阻网络的开路电压为 0421dVREF同理，分别对只当同理，分别对只当 时，计算时，计算T型电阻网络的开路电压，它们分别为型电阻网络的开路电压，它们分别为 最后应用叠加原理得到输入任意数字代码时最后应用

7、叠加原理得到输入任意数字代码时T型型电阻网络的开路电压为电阻网络的开路电压为返回主目录 10.1 10.1 数模转换器（数模转换器（D/AD/A转换器）转换器）11d、21d、13d（其余位（其余位0）1312REFVd 、2212REFVd 、3112REFVd。根据反相比例运算放大电路输出电压和输入电压的根据反相比例运算放大电路输出电压和输入电压的关系，可得电路输出的模拟电压为关系，可得电路输出的模拟电压为返回主目录 10.1 10.1 数模转换器（数模转换器（D/AD/A转换器）转换器）同理可得，如果同理可得，如果T型电阻网络型电阻网络D/A转换器输入的是转换器输入的是n位二进制数，则输

8、出模拟电压为位二进制数，则输出模拟电压为返回主目录 10.1 10.1 数模转换器（数模转换器（D/AD/A转换器）转换器）注意：注意：1.如果取如果取3FRR，则输出模拟电压为则输出模拟电压为D/A转换器的输出模拟电压与输入的二进制转换器的输出模拟电压与输入的二进制数成正比，从而实现了数字量到模拟量转换。数成正比，从而实现了数字量到模拟量转换。2.优点是它只需要两种阻值的电阻优点是它只需要两种阻值的电阻,对选用高精度对选用高精度电阻和提高转换器的精度是有利的。缺点是当开电阻和提高转换器的精度是有利的。缺点是当开关状态发生变化时，各支路的电流将发生变化，关状态发生变化时，各支路的电流将发生变化

9、，需要有电流的建立时间，影响转换器的转换速度。需要有电流的建立时间，影响转换器的转换速度。返回主目录 10.1 10.1 数模转换器（数模转换器（D/AD/A转换器）转换器）10.1.2 10.1.2 T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器 1.电路原理图电路原理图返回主目录 10.1 10.1 数模转换器（数模转换器（D/AD/A转换器）转换器）2.工作原理工作原理图是输入数字代码图是输入数字代码1000dddd0123时的等效电路。时的等效电路。根据运算放大根据运算放大器的虚地概念器的虚地概念不难看出，从不难看出，从虚线虚线AA、BB、CC、DD处向处向左看进去的等左看进去的等效电阻均为

10、效电阻均为R，基准电压源的基准电压源的总电流为总电流为返回主目录 10.1 10.1 数模转换器（数模转换器（D/AD/A转换器）转换器）/,REFIVR流入运算放大器的电流为流入运算放大器的电流为/2I。流入虚地的总电流为流入虚地的总电流为输出电压可表示为输出电压可表示为如果是如果是n位的位的D/A转换器，则转换器，则U0的表达式为的表达式为返回主目录 10.1 10.1 数模转换器（数模转换器（D/AD/A转换器）转换器）注意：注意：1、模拟开关在地与地之间转换，不论开关状态如、模拟开关在地与地之间转换，不论开关状态如何变化，各支路的电流始终不变，因此，不需要何变化，各支路的电流始终不变，

11、因此，不需要电流建立时间；电流建立时间；2、各支路的电流直接流入运算放大器的输入端，、各支路的电流直接流入运算放大器的输入端，不存在传输时间差，因而提高了转换速度，并减不存在传输时间差，因而提高了转换速度，并减少了动态过程中输出电压的尖峰脉冲；少了动态过程中输出电压的尖峰脉冲；3、倒、倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器是用得最多的一种。转换器是用得最多的一种。DAC0832是采用是采用CMOS工艺制成的单片直流输出工艺制成的单片直流输出型型8位位D/A转换器，其转换器，其D/A转换原理如图所示转换原理如图所示.返回主目录 10.1 10.1 数模转换器（数模转换器（D/AD/A转换器）转换器

12、）10.1.410.1.4 集成集成D/AD/A转换器及主要技术参数转换器及主要技术参数1、集成、集成D/A转换器转换器1）电路原理图）电路原理图它由倒它由倒T型型 RR 2电阻网络、模拟开关组成，运电阻网络、模拟开关组成，运 算放大器和参考电压需外接。算放大器和参考电压需外接。返回主目录 10.1 10.1 数模转换器（数模转换器（D/AD/A转换器）转换器）为：为：运算放大器输出的模拟量运算放大器输出的模拟量2）DAC0832的逻辑框图和引脚排列的逻辑框图和引脚排列 返回主目录 10.1 10.1 数模转换器（数模转换器（D/AD/A转换器）转换器）ouDAC0832由由8位输入寄存器、位

13、输入寄存器、8位数据寄存器和位数据寄存器和8位位D/A转换器三大部分组成。它有两个分别控制的寄转换器三大部分组成。它有两个分别控制的寄存器，可以实现两次缓冲。所以使用时有较大的灵存器，可以实现两次缓冲。所以使用时有较大的灵活性。活性。返回主目录 10.1 10.1 数模转换器（数模转换器（D/AD/A转换器）转换器）返回主目录数字信号输入端；数字信号输入端；片选信号，低电平有效；片选信号，低电平有效；10.1 10.1 数模转换器（数模转换器（D/AD/A转换器）转换器）07:DDILE：输入寄存器允许，高电平；：输入寄存器允许，高电平；DAC电流输出端；电流输出端；写信号写信号2，低电平有效

14、；，低电平有效；传送控制信号，低电平有效；传送控制信号，低电平有效；写信号写信号1，低电平有效；，低电平有效；:CS1:WR:XFER2:WR12:o u to u tII、是集成在片内的外接运放的反馈电阻；是集成在片内的外接运放的反馈电阻；:fbR基准电压基准电压（返回主目录 10.1 10.1 数模转换器（数模转换器（D/AD/A转换器）转换器）:refVVV1010）；）；是源电压是源电压 （）；）；VV155:C CVAGND：模拟地：模拟地 NGND：数字地。：数字地。2、主要技术参数、主要技术参数1）转换精度转换精度（1）分辨率：）分辨率：指最小输出电压和最大输出电压指最小输出电压

15、和最大输出电压之比。有时也用输入数字量的有效位数来表示分之比。有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。辨率。返回主目录 10.1 10.1 数模转换器（数模转换器（D/AD/A转换器）转换器）（2）转换误差：）转换误差：是指输出模拟电压的实际值与是指输出模拟电压的实际值与理想值之差，即最大静态转换误差。理想值之差，即最大静态转换误差。2）转换速度）转换速度 是指从输入数字信号起，到输出电是指从输入数字信号起，到输出电压或电流到达稳定值时所需要的响应时间。压或电流到达稳定值时所需要的响应时间。返回主目录10.2 10.2 模数转换器模数转换器10.1.410.1.4 集成集成D/AD/A转换器

16、及主要技术参数转换器及主要技术参数通常通常A/D转换需经过采样、保持和量化、编码转换需经过采样、保持和量化、编码这两大步骤来完成。这两大步骤来完成。dn-1 d1 d0 数字量输出(n 位)ADC 的数字化编码电路 CPS S C ADC 采样-保持电路 采样展宽信号 输入模拟电压 ui(t)us(t)1、采样、保持、采样、保持所谓所谓采样采样，就是把一个时间上是连续的信号变，就是把一个时间上是连续的信号变换为对时间离散的信号。换为对时间离散的信号。我们把每次的采样值存储到下一个脉冲到来之前我们把每次的采样值存储到下一个脉冲到来之前称为称为保持保持。返回主目录10.2 10.2 模数转换器模数

17、转换器返回主目录10.2 10.2 模数转换器模数转换器 +ui uo CH S A1 A2 uC uo,ui uo ui 0(a)电路图(b)波形图 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11 t 采样脉冲（fS）开关驱 动电路 2、量化、编码、量化、编码 通常把采样后的电压幅值化为最小数量单位的整通常把采样后的电压幅值化为最小数量单位的整数倍的过程叫做数倍的过程叫做量化量化。用数字代码表示量化结果的过程叫做用数字代码表示量化结果的过程叫做编码编码。返回主目录10.2 10.2 模数转换器模数转换器3、A/D转换器的分类转换器的分类型电压频率变换（积分型型电压

18、时间变换（间接型逐次渐近型计数型反馈比较型并联比较型直接型转换器)/FVTVDA返回主目录10.2 10.2 模数转换器模数转换器10.2.2 并联比较型并联比较型A/D转换器转换器1.电路原理图电路原理图三位并联比较型三位并联比较型A/D转换器电路转换器电路返回主目录 +C6 +C7 +C5 +C4 +C3 +C2 +C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1&VREF ui d2 d1 d0 Q4 Q4 Q7 Q6 Q5 Q3 Q2 Q2 Q1 R/2 R/2 R R R R R R CP 比较器 寄存器 编码器 FF7 FF6 FF5 FF4

19、 FF3 FF2 FF1 10.2 10.2 模数转换器模数转换器2、工作原理、工作原理1）制信号制信号CP到来后，到来后，7个触发器都置个触发器都置0。经编码器编。经编码器编 返回主目录10.2 10.2 模数转换器模数转换器14Vu0REFi时，时，7个比较器输出全为个比较器输出全为0，转换控，转换控码后输出的二进制代码码后输出的二进制代码为为 210000d d d。2）143Vu14VREFiREF时，时，7个比较器中只有输出为个比较器中只有输出为1，CP到来后，只有触发器到来后，只有触发器FF1置置1，其余触发器仍为，其余触发器仍为0。经编码器编码后输出的二进制代码为经编码器编码后输

20、出的二进制代码为 010012ddd返回主目录10.2 10.2 模数转换器模数转换器3）145Vu143VREFiREF时，比较器、输出为时，比较器、输出为1，CP到到来后，触发器来后，触发器FF1、FF2置置1。经编码器编码后输。经编码器编码后输 出的二进制代码为出的二进制代码为 210010d d d。4）147Vu145VREFiREF时，比较器时，比较器C1、C2、输出为输出为1，CP来后，触发器来后，触发器FF1、FF2、FF3置置1。经编码器编码。经编码器编码后输出的二进制代码为后输出的二进制代码为 2 1 0011d dd。依此类推，可以列出依此类推，可以列出在在不同的电压范围

21、内时寄存不同的电压范围内时寄存器的状态及相应的输出二进制数。器的状态及相应的输出二进制数。返回主目录10.2 10.2 模数转换器模数转换器输入模拟电压 寄 存 器 状 态 输出二进制数 ui Q7 Q6 Q5 Q4 Q2 Q2 Q1 d2 d1 d0 REFV)0(141 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 REFV)(143141 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 REFV)(145143 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 REFV)(147145 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 REFV)(149147 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 REFV)(1411

22、149 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 REFV)(14131411 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 REFV)1(1413 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 返回主目录并联型并联型A/D转换器的转换器的优点优点是转换速度快，是所有是转换速度快，是所有A/D中速度最快的一种。其中速度最快的一种。其缺点缺点是需要的比较器是需要的比较器数目较多，电路复杂、成本高、价格贵，一般分数目较多，电路复杂、成本高、价格贵，一般分辨率较低。辨率较低。10.2 10.2 模数转换器模数转换器注意：注意：返回主目录10.2 10.2 模数转换器模数转换器10.2.3 逐次逼近型逐次逼近型A/

23、D转换器转换器1.电路原理图电路原理图逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器又称逐次渐近型转换器又称逐次渐近型A/D转换转换器。它主要包括寄存器、器。它主要包括寄存器、D/A转换器、电压比较转换器、电压比较器、顺序脉冲发生器及相应的控制电路。器、顺序脉冲发生器及相应的控制电路。输出数字量 输入模拟电压 uo ui 顺序脉冲发生器 逐次逼近寄存器 D/A 转换器 电压 比较器 1)1)转换开始前先将寄存器清零，则加在转换开始前先将寄存器清零，则加在D/A转换转换器的数字量就为器的数字量就为0。2)首先将寄存器最高位置成首先将寄存器最高位置成1，使寄存器的输出，使寄存器的输出为为10000，经，经D/A

24、转换器后转换成相应的模转换器后转换成相应的模拟电压，送到电压比较器与待转换的模拟电压进拟电压，送到电压比较器与待转换的模拟电压进行比较，经行比较，经D/A转换器后转换成相应的模拟电压转换器后转换成相应的模拟电压U0，送到电压比较器与待转换的模拟电压进行，送到电压比较器与待转换的模拟电压进行比较。比较。返回主目录10.2 10.2 模数转换器模数转换器2、工作原理、工作原理返回主目录10.2 10.2 模数转换器模数转换器3)如果如果,oiuu说明数字过大，应将这个说明数字过大，应将这个1清除；清除；4)如果如果 iouu 说明数字还不够大，这个说明数字还不够大，这个1应该保应该保留留。5）再将

25、次高位置）再将次高位置1，并按上述方法确定这位的，并按上述方法确定这位的1是是否保留。这样逐位比较下去，直到最低位为止。否保留。这样逐位比较下去，直到最低位为止。3、逐次渐近型、逐次渐近型A/D的的特点特点1）n位逐次渐近型位逐次渐近型A/D完成一次转换需进行完成一次转换需进行n次比次比较，较，经经n+2个时钟脉冲，即转换一次所需时间固个时钟脉冲，即转换一次所需时间固定，为定，为(n+2)Tcp，属于中速，属于中速A/D；2）由于转换所需时间不随输入的改变，可采用由于转换所需时间不随输入的改变，可采用定时查询的方式读取转换结果；定时查询的方式读取转换结果；3）电路简单，成本较低。电路简单，成本

26、较低。返回主目录10.2 10.2 模数转换器模数转换器返回主目录10.2 10.2 模数转换器模数转换器10.2.4 双积分型双积分型A/D转换器转换器1.电路原理图电路原理图 逻辑 控制门 定时器 n 位二进制计数器&输入模拟电压 基准电压 积分器 比较器 时钟输入控制门 G n 位二进制数字输出 ui VREF S1 S2 R C CP CO=1(uo0)=0(uo0)uo dn-1 dn-2 d0 +TC CO=双积分型双积分型A/D转换器在一次转换过程中要进行两转换器在一次转换过程中要进行两次积分。次积分。返回主目录10.2 10.2 模数转换器模数转换器2、工作原理、工作原理1）第

27、一次积分为采样阶段：控制逻辑电路使开关）第一次积分为采样阶段：控制逻辑电路使开关1S接至模拟电压接至模拟电压,iu积分器对积分器对 iu在固定时间在固定时间内进行积分。内进行积分。1T1011tiioTRCUdtuRCu 返回主目录10.2 10.2 模数转换器模数转换器返回主目录10.2 10.2 模数转换器模数转换器2）第二次积分为比较阶段：积分器对基准电压）第二次积分为比较阶段：积分器对基准电压 REFV进行反向积分。积分器的输出电压开始回升，经时间进行反向积分。积分器的输出电压开始回升，经时间 2T后回到零，比较器输出变为后回到零，比较器输出变为0，停止计数。，停止计数。2112)(1

28、tttREFoTRCUidtVRCu21TRCVTRCUREFi从式中可看出，计数器计得的数字量从式中可看出，计数器计得的数字量N2与输入与输入电压在电压在T1时间间隔内的平均值时间间隔内的平均值U1成正比。成正比。返回主目录10.2 10.2 模数转换器模数转换器注意：注意：双积分型双积分型A/D转换器与逐次逼近型转换器与逐次逼近型A/D相比，最相比，最大的大的优点优点是它具有较强的抗干扰能力。其是它具有较强的抗干扰能力。其缺点缺点是是转换速度较慢，转换时间一般在几十转换速度较慢，转换时间一般在几十ms左右。左右。是指输出数字最低位发生变化时对应输入模拟信号的是指输出数字最低位发生变化时对应

29、输入模拟信号的变化量，也可用输出二进制代码的位数来表示分辨率。变化量，也可用输出二进制代码的位数来表示分辨率。返回主目录10.2 10.2 模数转换器模数转换器10.2.5 A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标1、分辨率、分辨率2、转换时间、转换时间 是指完成一次是指完成一次A/D转换时间所需要的时间。转换时间所需要的时间。3、相对精度、相对精度 是指实际转换值与理想特性之间的最大偏差是指实际转换值与理想特性之间的最大偏差。1、数据采集系统的构成原理、数据采集系统的构成原理采样频率：采样频率：返回主目录10.310.3 数据采集系统简介数据采集系统简介max2isff 返回主目录10

30、.310.3 数据采集系统简介数据采集系统简介2、数据采集系统应用举例、数据采集系统应用举例如图所示是医用心电监护仪中数据采集系统的组如图所示是医用心电监护仪中数据采集系统的组成框图，它由成框图，它由数据采集电路数据采集电路、时序电路时序电路、存储电存储电路路、显示电路显示电路和和微机接口电路微机接口电路等五部分组成。等五部分组成。返回主目录10.310.3 数据采集系统简介数据采集系统简介返回主目录1）数据采集电路：实时地采集心电信号、血压信号、呼）数据采集电路：实时地采集心电信号、血压信号、呼吸信号、体温信号等，并转换成数字量。吸信号、体温信号等，并转换成数字量。2）存储电路：存储采集到心电等信号的数字信息。）存储电路：存储采集到心电等信号的数字信息。3）显示电路：以波形图的形式将心电等情况显示在荧光）显示电路：以波形图的形式将心电等情况显示在荧光屏上。屏上。4）时序电路：产生定时信号，控制系统协调一致地工作。）时序电路：产生定时信号，控制系统协调一致地工作。5）微机接口电路：在需要时，可通过接口电路，把心电）微机接口电路：在需要时，可通过接口电路，把心电等信号的数字信息送入计算机进行处理，。等信号的数字信息送入计算机进行处理，。10.310.3 数据采集系统简介数据采集系统简介