第10章、模/数和数/模转换 EP 返回目录 i. 10.1概述 ii.10.2数/模(D/A) 转换器 iⅲ.10.3模/数(A/D)转换器 ● ● iⅳ.10.4采样保持电路 . V. 10.5多路转换模拟开关
第10章、模/数和数/模转换 i. 10.1 概述 ii. 10.2 数/模（D/A）转换器 iii. 10.3 模/数（A/D）转换器 iv. 10.4 采样保持电路 v. 10.5 多路转换模拟开关
概述 模拟量：连续变化的物理量。如温度、速度、流量、压力等。 模拟量I/O接☐的作用： 实际工业生产环境一一连续变化的模拟量 例如：电压、电流、压力、温度、位移、流量 计算机内部一一离散的数字量 二进制数、十进制数 工业生产过程的闭环控制 传感器 模拟量 A/D 数字量 计算机 数字量 DIA 模拟量 执行元件 模拟量输入 模拟量输出 (数据采集) (过程控制)
概述 模拟量：连续变化的物理量。如温度、速度、流量、压力等。 模拟量I/O接口的作用： ⚫实际工业生产环境——连续变化的模拟量 • 例如：电压、电流、压力、温度、位移、流量 ⚫计算机内部——离散的数字量 • 二进制数、十进制数 ⚫工业生产过程的闭环控制 模拟量 传感器 A/D D/A 执行元件 数字量 数字量 模拟量 模拟量输入 (数据采集) 模拟量输出 (过程控制) 计算机
模拟量转化为数字量的步骤： ①利用光电元件、压敏元件、热敏元件等传感器可把模拟量变成模拟电流和模 拟电压。 ②对模拟电流和模拟电压进行采样，得到对应的离散脉冲序列。 ③用模/数转换器将离散脉冲变为离散的数字信号。 数字量转换为模拟量为上述的反过程： 控 传感器 模拟量 运放 AD 数字量微 制 机 对 系 象 执行部件 功放 模拟量 DIA 数字量 统
模拟量转化为数字量的步骤： ①利用光电元件、压敏元件、热敏元件等传感器可把模拟量变成模拟电流和模 拟电压。 ②对模拟电流和模拟电压进行采样，得到对应的离散脉冲序列。 ③用模/数转换器将离散脉冲变为离散的数字信号。 数字量转换为模拟量为上述的反过程: 传感器 执行部件 控 制 对 象 运放 A/D 微 机 系 功放 D/A 统 模拟量 数字量 模拟量 数字量
输入通道 传 放大 多路转换 A/D 感 输入 10101100, 微 滤波 & 转换 接口 业 采样保持 型 生 计 物理量 信号 信号 VO 产 变换 处理 变换 接口 算 过 输出通道 机 执行 放大 D/A 输出 00101101 程 机构 驱动 转换 接口 模拟电路的任务 模拟接口电路的任务 模拟量I/0通道的组成
模拟电路的任务 模拟接口电路的任务 00101101 10101100 工 业 生 产 过 程 传 感 器 放大 滤波 多路转换 & 采样保持 A/D 转换 放大 驱动 D/A 转换 输出 接口 微 型 计 算 机 执行 机构 输入 接口 物理量 变换 信号 处理 信号 变换 I/O 接口 输入通道 输出通道 模拟量I/O通道的组成
10.1数/模(D/A)转换器 一、运算放大器的工作特点和原理 1、特点：①开环放大倍数高，则所需输入电压小。 ②输入阻抗非常大，则输入电流小。 ③输出阻抗很小，驱动能力非常大。 2、电路符号 反向输入 同向输入 Vo 3、运放的放大倍数足够大时，输出电压Vo与输入电压Vn的关系为： Vo R R 式中：R为反馈电阻 ↓vo R为输入电阻 输出电压与输入电压或 输入电流成比例
10.1 数/模（D/A）转换器 一、运算放大器的工作特点和原理 1、特点：①开环放大倍数高，则所需输入电压小。 ②输入阻抗非常大，则输入电流小。 ③输出阻抗很小，驱动能力非常大。 2、电路符号 3、运放的放大倍数足够大时，输出电压VO与输入电压Vin的关系为： 反向输入 同向输入 – + VO f O in R V = - V R Vin Rf VO ∑ R 式中：Rf 为反馈电阻 R 为输入电阻 输出电压与输入电压或 输入电流成比例
数字变模拟量示意图 数字 模拟电压 00g 课堂用笔画
数字变模拟量示意图 ⚫ 数字 模拟电压 ⚫ 111 ⚫ 110 ⚫ 101 ⚫ 100 ⚫ 011 ⚫ 010 ⚫ 001 ⚫ 000 ⚫ t ⚫ 课堂用笔画
4、若输入端有个支路，则输出电压V与输入电压V的关 系为： V4 V3 V2 V1 RO R4R3R2 R1 Vo 分
4、若输入端有n个支路, 则输出电压VO与输入电压Vi的关 系为： V4 V3 V2 V1 R4 R3 R2 R1 i4 i3 i2 i1 R0 V0 Vo = – R0 · ( + + + ) V4 V3 V2 V1 R4 R3 R2 R1
二、由T型电阻网络和运算放大器构成的DA转换器 1、一个简单的D/A转换器 VREF D3 D2 0, DO RO R 2R 4R 8R Vo 则可得到Vo的输出表达式为： Vo=-RO-VREF D3 +D2+D1+D0) 设fe=8VR=1则 R 23222120 l0=1A,h=2A,2=4A,l3=8A代表权 则根据D3~D0的16种组合，可得到16个Vo的值，每个值依次递增1，可得到一 个阶梯波电压。（若基准电压VREF≥0）则其中，Vomin=O; Vomax (1-2-4):VR
二、由T型电阻网络和运算放大器构成的D/A转换器 1、一个简单的D/A转换器 VREF D3 D2 D1 D0 R 2R 4R 8R R0 Vo 则可得到Vo的输出表达式为： Vo= – R0·VREF ( D3 +D2 +D1+D0） 设Vrfe＝8V R=1 则 R 23 2 2 2 1 2 0 I0=1A, I1=2A, I2=4A, I3=8A 代表权 则根据D3~D0的16种组合，可得到16个Vo的值，每个值依次递增1，可得到一 个阶梯波电压。（若基准电压VREF≥0）则其中， Vomin = 0； Vomax = (1– 2 –4 )·VR
2R R S1 o 4R S29 8R S30 16R 32R S50 Vref 64R S6 28R S70 256R S8 o 如果每个支路由一个开关S控制，S=1表示S合上，S0表示S1 断开，则： i=1 输出电压与开关组合成比例，实现了开关数字量到模拟量的转换
2R 4R 8R 16R 32R 64R 128R 256R Vref Rf VO S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 如果每个支路由一个开关Si控制，Si=1表示Si合上，Si=0表示Si 断开，则： 输出电压与开关组合成比例，实现了开关数字量到模拟量的转换。 n 0 i ref i i=1 1 V = - S V 2
2、D/A转换器的性能与技术指标 分辨率(Resolution) ©输入的二进制数每士1个最低有效位(LSB)使输出变化的程度。 ©一般用输入数字量的位数来表示：如8位、10位 例：一个满量程为5V的10位DAC,士1LSB的变化将使输出变化 5/210-1)=5/1023=0.04888V=48.88mV 转换精度（误差） 实际输出值与理论值之间的最大偏差。 ©一般用最小量化阶∠来度量，如士1/2LSB 也可用满量程的百分比来度量，如0.05%FSR (LSB-Least Significant Bit,FSR-Full Scale Range)
2、D/A转换器的性能与技术指标 ⚫ 分辨率（Resolution） 输入的二进制数每±1个最低有效位(LSB)使输出变化的程度。 一般用输入数字量的位数来表示: 如8位、10位 例：一个满量程为5V的10位DAC，±1 LSB的变化将使输出变化 5/(210 -1)=5/1023=0.04888V=48.88mV ⚫ 转换精度（误差） 实际输出值与理论值之间的最大偏差。 一般用最小量化阶⊿来度量，如±1/2 LSB 也可用满量程的百分比来度量，如0.05% FSR (LSB-Least Significant Bit, FSR-Full Scale Range)