1、第第18讲讲第第15章章 数模变换器（数模变换器（DAC）、模数变换）、模数变换 器（器（ADC）15.1 D/A变换器变换器 15.2 A/D变换器变换器 15.3 计算机数据采集简介计算机数据采集简介引言引言模拟信号模拟信号数字信号：数字信号：A/D转换器转换器 (ADCAnalog Digital Converter)数字信号数字信号模拟信号：模拟信号：D/A转换器转换器 (DAC Digital Analog Converter)引言引言(续续):A/D转换器、转换器、D/A转换器的应用转换器的应用放大器放大器传感器传感器(温度、压温度、压力、流量、力、流量、应力等）应力等）采样采样/
2、保持器保持器A/D计算机计算机显示器显示器D/A示波器示波器打印机打印机计算机进行各种计算机进行各种数字处理（如滤数字处理（如滤波、计算）、数波、计算）、数据保存、打印等据保存、打印等显示器显示字符、显示器显示字符、曲线、图形、图曲线、图形、图象等象等15.1 D/A 转换器转换器(1)D/A功能功能:将数字量将数字量成正比成正比地转换成模拟量地转换成模拟量 D/An=4位位8位位10位位12位位16位位n位位数字量数字量模拟量模拟量05V或或010V15.1.1 D/A转换器原理转换器原理 D/A 功能功能(续续)4位数据位数据:0000 0V 1111 5V 分辨率分辨率:5V/15=0.
3、333V/每每1个最低有效位个最低有效位8位数据位数据:00000000 0V 11111111 5V 分辨率分辨率:5V/255=0.0196V/每每1个最低有效位个最低有效位(2)D/A的组成的组成 由三部分电路组成由三部分电路组成 电阻网络电阻网络 模拟电子开关模拟电子开关 求和运算放大器求和运算放大器 D/A的组成的组成(续续)输入输入4位二进制数位二进制数输出输出模拟模拟电压电压S0S3:模拟电子开关模拟电子开关D=0,S倒向地倒向地D=1,S倒向倒向VREF电阻网络电阻网络求和运算放大器求和运算放大器VREF2R2R2R2R2RRRR2RS0S1S2S3精密参精密参考电压考电压D0
4、D1D2D3+-3R3R/2UOVREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R+-3R3R/2UO当当D3D2D1D0=0000时时,S3S2S1S0都倒向地都倒向地UO=0V (3)D/A转换原理转换原理当当D3D2D1D0=0000时时UO3R2R+-3R/2R等效电路等效电路3R0000AV=-1VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R+-3R3R/2UO D/A转换原理转换原理(续续)当当D3D2D1D0=1000时时,S2S1S0都倒向地，都倒向地，S3倒向倒向VREFUO3R+-3R/2等效电路等效电路2R2RVREF2RRVR
5、EF/2UO=-VREF/2当当D3D2D1D0=1000时时0001AV=-13RVREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R+-3R3R/2UO D/A转换原理转换原理(续续)当当D3D2D1D0=0100时时,S3S1S0都倒向地都倒向地S2倒向倒向VREF当当D3D2D1D0=0100时时UO=-VREF/4UO3R+-3R/2等效电路等效电路2RRVREF2R2R2R3RVREF/40010AV=-1D/A转换原理转换原理(续续)VREF2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3D0D1D2D32R+-3R3R/2UO同理可推导，同理可推导，当当D3D2D1
6、D0=0010时，时，UO=VREF/8 当当D3D2D1D0=0001时，时，UO=VREF/16 D/A转换原理转换原理(续续)D3D2D1D0=1000时，时，UO=VREF/2=D3VREF/21D3D2D1D0=0100时，时，UO=VREF/4=D2VREF/22D3D2D1D0=0010时，时，UO=VREF/8=D1VREF/23D3D2D1D0=0001时，时，UO=VREF/16=D0VREF/24根据叠加原理根据叠加原理:UO=(D3VREF/21+D2VREF/22+D1VREF/23+D0VREF/24)=(D3/21+D2/22+D1/23+D0/24)VREF =
7、(VREF/24)(23 D3+22 D2+21 D1+20 D0)UO=(VREF/24)(23 D3+22 D2+21 D1+20 D0)D/A转换原理转换原理(续续)此式表明此式表明:D/A电路输出模拟电压电路输出模拟电压UO与输入的与输入的 数字量数字量D3D2D1D0成正比成正比15.1.2 8位位D/A转换器电路框图转换器电路框图8 D 锁存器锁存器求和电路求和电路电阻网络电阻网络电子开关电子开关UOD7-D0CPVREF15.2 A/D转换器转换器(1)A/D功能功能:将模拟电压将模拟电压成正比成正比地转换成数字量地转换成数字量A/DUI输入模拟电压输入模拟电压D7D0输出数字量
8、输出数字量0 5V0000000011111111分辨率分辨率:5V/255=0.0196V/每每1个最低有效位个最低有效位15.2.1 A/D功能及分类功能及分类(2)A/D转换器分类转换器分类 并联比较型并联比较型 特点特点:转换速度快转换速度快,转换时间转换时间 10ns 1 s 逐次逼近型逐次逼近型 特点特点:转换速度中转换速度中,转换时间转换时间 几几 s 100 s 双积分型双积分型 特点特点:转换速度慢转换速度慢,转换时间转换时间 几百几百 s 几几ms根据内部电路不同根据内部电路不同,分为以下三类分为以下三类:15.2.2并联比较型并联比较型A/D转换器（三位）原理转换器（三位
9、）原理DQDQDQDQDQDQDQ7VR/86VR/85VR/84VR/83VR/82VR/8VR/8VRRRRRRRRRUIUI 6VR/8时，输出时，输出=1UI 7VR/8时，输出时，输出=1UI 7VR/8时，输出时，输出=0UI 6VR/8时，输出时，输出=0电压比较器电压比较器D锁存器锁存器编编 码码 器器QBQAQGQFQEQCQDD2D1D0输入模拟电压输入模拟电压精密精密 参参考电压考电压精密电阻网络（精密电阻网络（23个电阻）个电阻）输出数字量输出数字量CPUI VR/8时，输出时，输出=1UI VR/8时，输出时，输出=0并联比较型并联比较型A/D转换器中的编码器真值表转
10、换器中的编码器真值表 UI QA QB QC QD QE QF QG D2 D1 D0 6VR/8 UI 5VR/8 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 5VR/8 UI 4VR/8 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 7VR/8 UI 6VR/8 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 VR UI 7VR/8 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4VR/8 UI 3VR/8 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 3VR/8 UI 2VR/8 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 2VR/8 UI VR/8 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 VR/8 UI 0 0 0 0
11、 0 0 0 0 0 0 0 特点：输入电压特点：输入电压UI每增加每增加VR/8，输出数字量增加输出数字量增加1根据以上真值表设计编码器的组合逻辑电路（设计略）根据以上真值表设计编码器的组合逻辑电路（设计略）15.3计算机数据采集原理简介计算机数据采集原理简介A/D转换器内部组成转换器内部组成A/D电路电路模拟模拟输入输入三态门三态门数字数字输出输出寄存器寄存器精密稳精密稳压电源压电源电源电源计算机读计算机读取命令取命令时序控时序控制电路制电路A/D转换命令转换命令（来自计算机）（来自计算机）转换完成信号转换完成信号（由计算机检测或（由计算机检测或申请计算机中断）申请计算机中断）A/D转换器
12、转换器计算机数据采集原理简介计算机数据采集原理简介(续续)A/D转换器与计算机的连接转换器与计算机的连接A/D转换器转换器转换完成信号转换完成信号采样采样/保持器保持器模拟模拟输入输入读取数据命令读取数据命令计算机计算机接口接口A/D板板A/D转换命令转换命令 模拟输入电压在模拟输入电压在A/D转换期间应保持不变，否则转换期间应保持不变，否则A/D的输出的输出数据总随输入电压而变，所以需要采样数据总随输入电压而变，所以需要采样/保持器。保持器。计算机数据采集原理简介计算机数据采集原理简介(续续)采样采样/保持器保持器采样采样/保持器保持器A/D转换器转换器u1u2模拟模拟输入输入数字数字输出输
13、出A/D转换转换命令命令采样采样/保持器的功能：保持器的功能：在在A/D转换期间，使转换期间，使A/D的输入电压的输入电压u2保持不变。保持不变。t计算机数据采集原理简介计算机数据采集原理简介(续续)采样采样/保持器输入输出波形图保持器输入输出波形图A/D转换转换命令命令高电平期间高电平期间u2跟随跟随u1低电平期间低电平期间u2保持不变，保持不变，同时同时A/D进行转换进行转换u1 输入输入模拟信号模拟信号u2采样采样/保持器保持器输出信号输出信号计算机数据采集原理简介计算机数据采集原理简介(续续)采样采样/保持器电路原理保持器电路原理C模拟电子开关模拟电子开关电压跟随器电压跟随器电压跟随器
14、电压跟随器采样保持电容采样保持电容输入输入输出输出KA/D转换命令转换命令高电平期间，高电平期间，K合上，合上，C采样采样低电平期间，低电平期间，K打开，打开，C保持保持计算机数据采集原理简介计算机数据采集原理简介(续续)采样周期采样周期 采样频率采样频率A/D转换命令转换命令TT：采样周期，相邻两次采样之间的时间间隔：采样周期，相邻两次采样之间的时间间隔 单位单位 s，ms，sf=1/T：采样频率，每秒采样的数据个数：采样频率，每秒采样的数据个数 单位单位 Hz A/D转换器将脉冲下降沿时的转换器将脉冲下降沿时的模拟电压转换为数字量模拟电压转换为数字量计算机数据采集原理简介计算机数据采集原理
15、简介(续续)在计算机屏幕上波形的恢复显示在计算机屏幕上波形的恢复显示tt1t2t3t4t5t6t7模拟信号模拟信号信号幅度信号幅度时间时间数字信号数字信号t1t2t3t4t5t6t7A/D转转换命令换命令计算机计算机屏幕屏幕计算机数据采集原理简介计算机数据采集原理简介(续续)在计算机屏幕上波形的恢复显示在计算机屏幕上波形的恢复显示结论：结论：因为计算机屏幕波形显示是用不连续的点因为计算机屏幕波形显示是用不连续的点组成，所以，若将被采样波形恢复显示，组成，所以，若将被采样波形恢复显示，必须有足够大的采样率。必须有足够大的采样率。t1ms1kHz 1 2kHz 2 8kHz 816kHz 16频率为频率为1kHz的正弦波的正弦波4kHz 4采样率采样率 每周期采样点数每周期采样点数
