第 23 章模拟量与数字量的转换

第23章模拟量与数字量的转换

第 23 章模拟量与数字量的转换 23.1 A/D 与 D/A 转换概述 23.2 数模转换器 23.3 模数转换器 23.4 数字电路应用综合举例课堂讨论返回主页上一章下一章大连理工大学电气工程系

A/D D/A 数字量数字量第23章模拟量与数字量的转换 23.1 A/D 与 D/A 转换概述模拟量模拟量执行机构控制对象传感器计算机大连理工大学电气工程系

第23章模拟量与数字量的转换 23.2 数模转换器与数字量等值的十进制数成正比的模拟量数字量 D/A 一、D/A 转换器的组成 1.数码寄存器 2.模拟电子开关电路 3.解码网络 4.求和电路 5.基准电压大连理工大学电气工程系

23.2 数模转换器 二、D/A 转换器的分类 1.按被转换的二进制数的位数分类四位、八位、十位、十二位、十四位、十六位、十八位、二十位。 2.按输入方式分类并行输入、串行输入。 3.按解码网络结构的不同分类 T 形电阻网络 D/A 转换器、权电流 D/A 转换器、权电阻网络 D/A 转换器等。大连理工大学电气工程系

23.2 数模转换器 4.按模拟电子开关电路的不同分类 CMOS 开关型 D/A 转换器、双极型开关 D/A 转换器（高速）等。大连理工大学电气工程系

R R R 4 3 2 1 3R 2R 2R 2R 2R 2R 2R △ 8 －＋ S4 S3 S2 S1 ＋ Uo UREF D4 D3 D2 D1 23.2 数模转换器三、D/A 转换器的工作原理电子双向开关 1 0 0 0 0 0 0 0 大连理工大学电气工程系

R R R 4 3 2 1 3R 2R 2R 2R 2R 2R 2R △ 8 －＋ S4 S3 S2 S1 ＋ Uo 23.2 数模转换器 1. D4D3D2D1 = 0000时 Ui = 0 = 0 大连理工大学电气工程系

3R R R R 1 2 4 3 2R △ 2R 2R 8 －＋ + － + － + － + － UREF 24 UREF 23 ＋ Uo UREF 2 UREF 22 UREF 24 Uo =－ 23.2 数模转换器 2. D4D3D2D1 = 0001 时（S1 单独接 UREF） R R R R 2R 2R 2R UREF 输出：大连理工大学电气工程系

3R R R R 1 2 4 3 2R △ 2R 2R 8 －＋ + － + － + － UREF 23 ＋ Uo UREF 2 UREF 22 UREF 23 Uo =－ 23.2 数模转换器 3. D4D3D2D1 = 0010时（S2 单独接 UREF） R R R R 2R 2R 2R UREF 输出：大连理工大学电气工程系

3R R R R 1 2 4 3 2R △ 2R 2R 8 －＋ + － + － UREF 22 ＋ Uo UREF 2 UREF 22 Uo =－ 23.2 数模转换器 4. D4D3D2D1 = 0100时（S3 单独接 UREF） R R R R 2R 2R 2R UREF 输出：大连理工大学电气工程系

3R R R R 1 2 4 3 2R △ 2R 2R 8 －＋ + －＋ Uo UREF 2 UREF 21 Uo =－ 23.2 数模转换器 5. D4D3D2D1 = 1000时（S4 单独接 UREF） R R R R 2R 2R 2R UREF 输出：大连理工大学电气工程系

UREF 23 UREF 24 UREF 2 UREF 22 Uo =－( D4＋ D3＋ D2＋ D1 ) UREF 24+1 UREF 2n+1 4 i =1 n i =1 ∑2iDi ∑2iDi Uo =－ Uo =－与n 位二进制数等值的十进制数 1 2 n i=1 ∑2iDi 23.2 数模转换器 • Di= 1 时，Si接 UREF；Di = 0 时，Si接地。 Uo = D4Uo4＋D3Uo3＋D2Uo2＋D1Uo1 • 若输入为 n 位，则大连理工大学电气工程系

23.2 数模转换器 6. 电子双向开关＋UREF ＋UCC 饱和导通 VT3 0 Si 1 Di 1 VT2 VT1 VT4 1 －UBB 截止大连理工大学电气工程系

＋UREF ＋UCC VT3 Si Di VT2 VT1 VT4 －UBB 23.2 数模转换器 6. 电子双向开关 1 0 0 0 大连理工大学电气工程系

Uomin Uomax 1 2n－1 KRR = = 23.2 数模转换器四、D/A 转换器的主要技术指标 1. 分辨率最小输出电压→ 输入二进制数为 0…01 最大输出电压→ 输入二进制数为 1…11 2. 精度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。大连理工大学电气工程系

23.2 数模转换器 3. 线性度通常用非线性误差的大小来表示。 4. 输出电压（或电流）的建立时间指从输入数字信号起，到输出电压或电流达到稳定值所需要的时间。 5. 电源抑制比输出模拟电压的变化与相对应的电源电压变化之比称为电源抑制比。大连理工大学电气工程系

UREF 26+1 6 i =1 ∑2iDi Uo =－ UREF 26+1 6 i =1 ∑2iDi Uo =－ 23.2 数模转换器例23.1某六位 R－2R 型 D/A 转换器的基准电压 UREF = 10V，求输入二进制数为 1011和 111101两　种情况下的输出模拟电压及该数模转换器的分辨率。解：(1) 输入二进制数为1011时 =－2－7×10×(0×26＋0×25 ＋1×24＋0×23＋1×22＋1×21 )V =－1.71875 V (2) 输入二进制数为111101时 =－9.53125 V 大连理工大学电气工程系

1 2n－1 1 26－1 KRR = = 23.2 数模转换器 (3) 分辨率 =－0.0159 大连理工大学电气工程系

23.2 数模转换器 五、数模转换器的用途 1. 用于自动控制过程控制、高温环境中的控制系统、精密侍服控制、数字控制等。 2. 信号处理波形产生、向量产生、数字声频重构、可编程滤波器、超高速数字衰减等。 3. 图像处理、高分辨率彩色图像系统 4. 用于机器人大连理工大学电气工程系

第23章模拟量与数字量的转换 23.3 模数转换器与其等值的数字量模拟量 A/D 一、A/D 转换器的分类 1. 串行 A/D 转换器逐次逼近型 A/D 转换器、积分式 A/D 转换器。 2. 并行A/D 转换器闪电式A/D 转换器（高速A/D 转换器）。 3. 分量程 A/D 转换器由并行 A/D 转换器和流水线型 A/D 转换器组成的。特点：高分辨率、高转换速率。大连理工大学电气工程系

修改 D/A 模拟量修改 D/A 模拟量 23.3 模数转换器二、A/D 转换器的工作原理与待转换的模拟量比较在最高位设定数字量 1 与待转换的模拟量比较在次高位设定数字量 1 直至设定的数字量与待转换的模拟量之间的误差小于最低一位数字量为止。大连理工大学电气工程系

D/A 转换器 Q4 Q3 Q2 Q1 FF4 FF3 FF2 FF1 C C C C D D D D RD SDRD SDRD SDRD SD 8 清零－＋＋ uA D4 D3 D2 D1 ux 1 1 1 1 CP5 CP1 CP2 CP3 CP4 顺序脉冲分配器 23.3 模数转换器 1 0 0 0 0 1 CP1 使 Q4Q3Q2Q1 = 1000 uA = 5V  6.88V 设 UREF =－10 V ux = 6.88 V 大连理工大学电气工程系

D/A 转换器 Q4 Q3 Q2 Q1 FF4 FF3 FF2 FF1 C C C C D D D D RD SDRD SDRD SDRD SD 8 清零－＋＋ uA D4 D3 D2 D1 ux 1 1 1 1 CP5 CP1 CP2 CP3 CP4 顺序脉冲分配器 23.3 模数转换器 1 0 0 0 1 1 0 CP2 使 Q4Q3Q2Q1 = 1100 uA = 7.5V ＞ 6.88V 设 UREF =－10 V ux = 6.88 V 大连理工大学电气工程系

D/A 转换器 Q4 Q3 Q2 Q1 FF4 FF3 FF2 FF1 C C C C D D D D RD SDRD SDRD SDRD SD 8 清零－＋＋ uA D4 D3 D2 D1 ux 1 1 1 1 CP5 CP1 CP2 CP3 CP4 顺序脉冲分配器 23.3 模数转换器 1 0 0 1 0 1 0 1 CP3 使 Q4Q3Q2Q1 = 1010 uA = 6.25V ＜ 6.88V 设 UREF =－10 V ux = 6.88 V 大连理工大学电气工程系

D/A 转换器 Q4 Q3 Q2 Q1 FF4 FF3 FF2 FF1 C C C C D D D D RD SDRD SDRD SDRD SD 8 清零－＋＋ uA D4 D3 D2 D1 ux 1 1 1 1 CP5 CP1 CP2 CP3 CP4 顺序脉冲分配器 23.3 模数转换器 1 1 0 0 1 1 CP4 使 Q4Q3Q2Q1 = 1011 uA = 6.875V ＜ 6.88V CP5 使 Q4Q3Q2Q1 = 1011 uA = 6.875V ＜ 6.88V 设 UREF =－10 V ux = 6.88 V 大连理工大学电气工程系

23.3 模数转换器 三、A/D 转换器的主要技术指标 1. 分辨率以输出二进制数的位数表示分辨率。位数越多，误差越小，转换精度越高。 (1)一般分辨率四位、八位、十位、十二位等。 (2)高分辨率十四位、十五位、十六位、十八位、二十位、二十二位等。大连理工大学电气工程系

23.3 模数转换器 2. 相对精度相对精度是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。在理想的情况下，所有的转换点应当在一条直线上。 3. 转换速度转换速度是指完成一次转换所需要的时间。并行比较型 A/D 转换器就比逐次逼近型 A/D 转换器的转换速度快得多。 4. 电源抑制在输入模拟电压不变的前提下，当转换电路的供电电源电压发生变化时，对输出也会产生影响，这种影响可用输出数字量的绝对变化量来表示。大连理工大学电气工程系

秒信号第23章模拟量与数字量的转换 23.4 数字电路应用综合举例一、数字钟 1. 数字钟系统的组成报时电路译码显示电路较时电路计时电路时间标准信号分频电路信号源大连理工大学电气工程系

时显示器 分显示器秒显示器时译码器分译码器秒译码器时计数器（24进制）分计数器（60进制）秒计数器（60进制）门门触发器 SB1 触发器 SB2 105 HZ 105 HZ 石英晶体振荡器整形电路分频器 23.4 数字电路应用综合举例 2. 数字钟的工作原理 60 个分脉冲出一个进位脉冲 60 个秒脉冲出一个进位脉冲正常计时时 2 kHz 500 Hz 1Hz 大连理工大学电气工程系

时显示器 分显示器秒显示器时译码器分译码器秒译码器时计数器（24进制）分计数器（60进制）秒计数器（60进制）门门触发器 SB1 触发器 SB2 105 HZ 105 HZ 石英晶体振荡器整形电路分频器 23.4 数字电路应用综合举例 2. 数字钟的工作原理关闭进位脉冲 “时计数器”按秒的速度快速走时校对小时时 2 kHz 500 Hz 1Hz 大连理工大学电气工程系

时显示器 分显示器秒显示器时译码器分译码器秒译码器时计数器（24进制）分计数器（60进制）秒计数器（60进制）门门触发器 SB1 触发器 SB2 105 HZ 105 HZ 石英晶体振荡器整形电路分频器 23.4 数字电路应用综合举例 2. 数字钟的工作原理关闭进位脉冲 “分计数器”按秒的速度快速走时校对分钟时 2 kHz 500 Hz 控制“门”引导哪路信号 1Hz 大连理工大学电气工程系

秒十位 分个位分十位秒个位 & 1 & 2 23.4 数字电路应用综合举例 3. 报时电路的设计某时 59'50" 开始报时。 0 0 0 0 0 0 01 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 01 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 10 01 0 1 0 11 0 0 10 1 0 1 0 0 0 0 Q3Q2 Q1 Q0 L1 L2 L3 L4L5 L6 L8L7 L5 L6 L1 L2 L3 L4 1 1 59'50" 时 59'时大连理工大学电气工程系

59'50" 时 59'时 L5 L6 & 3 L1 L2 L3 L4 1 1 & 2 & 1 & 2 1 & 4 L8 23.4 数字电路应用综合举例 L8L7 3. 报时电路的设计秒个位 Q3 Q2 Q1 Q0 0 0 01 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 01 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 10 01 某时 59'50" 开始报时。 500 Hz 1 1 1 1 1 0 L7 500 Hz 1 功放音响 51~ 57" 59" 1 1 1 1 1 0 1 2 kHz 2 kHz 大连理工大学电气工程系

＋U 反光纸显示器整形电路放大器与门计数器译码器 R 基准时间脉冲发生器 23.4 数字电路应用综合举例二、数字转速表 • 反光纸的光线使光敏二极管导通。 • 转子每转一圈，电阻 R上形成一个脉冲信号。 • 整形电路将不规矩的脉冲信号变换成规矩的方波信号。 • 与门间隔地开通 1s，计数器记录 1s 内的脉冲个数。 • 译码显示实时地显示转速值。大连理工大学电气工程系

第23章模拟量与数字量的转换 课堂讨论 23.1 数字系统和模拟系统之间常采用哪种接口电路？答：（）。 a. 计数器 b. A/D 和 D/A 转换器 c. 寄存器 b a 23.2数模转换器的分辨率取决于（）。 a. 输入二进制数字信号的位数，位数越多分辨率越高 b. 输出的模拟电压 Uo，Uo越高，分辨率越高 c. 参考电压 UR，UR 越大，分辨率越高 b 23.3模数转换器的分辨率是用（）表示的。 a. 输入的模拟信号的最小值 b. 输出的二进制数的位数 c. 转换电路的类型大连理工大学电气工程系

课堂讨论 23.4有一个 8 位 R－2R型 D/A 转换器，其基准电压 UREF＝10V，输入的二进制数为 110111，则输出的模拟电压为（）V 。 a. －2.14844 b. －0.214844 c. 4.29688 a 23.5逐次逼近型 A/D 转换器转换开始时，首先应当将（）。 a. 移位寄存器的最高位置 1 b. 移位寄存器的最低位置 1 c. 移位寄存器的所有位置 1 a 大连理工大学电气工程系

课堂讨论 23.6 有一个 8 位 R－2R 型 D/A 转换器，当输入数字信号为 00000001时，输出模拟电压为 0.04 V，若输入为 10001000 时，则输出为（）V 。 a. 7.8 b. 10.88 c. 5.44 c 23. 7某数模转换器的输入为 8 位二进制数字信号，输出为 0 ~ 25.5 V 的模拟电压。若数字信号的最低位是 1其余各位是 0，则输出的模拟电压为 ( ) V。 a. 0.1 b. 0.01 c. 0.001 a 大连理工大学电气工程系

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