山东大学：《微机原理及单片机接口技术》课程教学资源（PPT课件讲稿）第九章 模数转换器与数模转换器

第9章模数转换器与数模转换器 本章学习目标 ◇了解模数转换器的工作原理及性能指标 ◇掌握模数转换器的应用 ◇了解数模转换器的工作原理及性能指标 ◇掌握数模转换器的应用

16:02:59 第9章 模数转换器与数模转换器 本章学习目标 了解模数转换器的工作原理及性能指标 掌握模数转换器的应用 了解数模转换器的工作原理及性能指标 掌握数模转换器的应用 3

第9章模数转换器与教模转换器 9.1模数转换器的工作原理及性能指标 9,1,1模数转换器的工作原理 9,12模数转换器的性能指标 92IAP5W4K58S4单片机片内集成的模拟量模块 92IAP5W4K58S4集成的AD模块的结构及其使用 922IAP5W4K58S4集成的比较器模块及其使用 93数模转换器及其应用 93,1数模转换器的工作原理及性能指标 93,212位DA转换器TLV5616及其接口技术

16:02:59 第9章 模数转换器与数模转换器 9.1 模数转换器的工作原理及性能指标 9.1.1 模数转换器的工作原理 9.1.2 模数转换器的性能指标 9.2 IAP15W4K58S4单片机片内集成的模拟量模块 9.2.1 IAP15W4K58S4集成的A/D模块的结构及其使用 9.2.2 IAP15W4K58S4集成的比较器模块及其使用 9.3 数模转换器及其应用 9.3.1 数模转换器的工作原理及性能指标 9.3.2 12位D/A转换器TLV5616及其接口技术 4

第9章模数转换器与教模转换器 ◇随着数字电子技术及计算机技术的广泛普及与应用, 数字信号的传输与处理日趋普遍。 ◇自然形态下的物理量多以模拟量形式存在,如温度、 湿度、压力、流量、速度等,实际生产、生活和科学 实验中还会遇到化学量、生物量(包括医学等。 ◇从信号工程的角度来看,要进行信号的计算机处理, 上述所有的物理量、化学量和生物量等都需要使用相 应的传感器,将其转换成电信号(模拟量)。 ◇将模拟量转换为计算机能够识别处理的数字量,而后 再进行信号的传输、处理、存储、显示和控制

16:02:59 第9章 模数转换器与数模转换器 随着数字电子技术及计算机技术的广泛普及与应用， 数字信号的传输与处理日趋普遍。 自然形态下的物理量多以模拟量形式存在，如温度、 湿度、压力、流量、速度等，实际生产、生活和科学 实验中还会遇到化学量、生物量(包括医学)等。 从信号工程的角度来看，要进行信号的计算机处理， 上述所有的物理量、化学量和生物量等都需要使用相 应的传感器，将其转换成电信号(模拟量)。 将模拟量转换为计算机能够识别处理的数字量，而后 再进行信号的传输、处理、存储、显示和控制。 5

第9章模数转换器与教模转换器 ◇同样,计算机控制外部设备时,如电动调节阀、调 速系统等,需要将计算机输出的数字信号变换成外 设能够接受的模拟信号。 ◇将模拟量转换成数字量的器件称为模数转换器 ( Analog to Digital Converter,ADC),也称为 A/D转换器或者ADC器件; ◇将数字量转换成模拟量的器件称为数模转换器 ( Digital to analog converter,DAC),也称为 D/A转换器

16:02:59 第9章 模数转换器与数模转换器 同样，计算机控制外部设备时，如电动调节阀、调 速系统等，需要将计算机输出的数字信号变换成外 设能够接受的模拟信号。 将模拟量转换成数字量的器件称为模数转换器 （Analog to Digital Converter，ADC），也称为 A/D转换器或者ADC器件； 将数字量转换成模拟量的器件称为数模转换器 （Digital to Analog Converter，DAC），也称为 D/A转换器。 6

第9章模数转换器与教模转换器 ◇以单片机为核心,具有模拟量输入和输出的应用 系统结构如图所示。 模拟电信号 开关量输出 信号|AD 放大1转换器 单片机 数字量显示 非电信号传感器 或通信 D/A模拟量 开关量输入 转换器「放大输出 图9-1具有模拟量输入输出的单片机系统

16:02:59 第9章 模数转换器与数模转换器 以单片机为核心，具有模拟量输入和输出的应用 系统结构如图所示。 模拟电信号 非电信号 传感器 A/D 转换器 单 片 机 数字量显示 或通信 D/A 转换器 模拟量 放大输出 开关量输出 开关量输入 信号 放大 图9-1 具有模拟量输入输出的单片机系统 7

89.1模数转换器的工作原理及性能指标 911模数转换器的工作原理 ◇根据转换的工作原理不同,模数转换器可以分为 计数-比较式、逐次逼近式和双斜率积分式。 ◇计数-比较式模数转换器结构简单,价格便宜,转 换速度慢,较少采用。 ◇下面主要介绍逐次逼近式和双斜率积分式模数转 换器的工作原理

16:02:59 §9.1模数转换器的工作原理及性能指标 9.1.1 模数转换器的工作原理 根据转换的工作原理不同，模数转换器可以分为 计数-比较式、逐次逼近式和双斜率积分式。 计数-比较式模数转换器结构简单，价格便宜，转 换速度慢，较少采用。 下面主要介绍逐次逼近式和双斜率积分式模数转 换器的工作原理。 11

1、逐次逼近式模数转换器的工作原理 ◇逐次逼近式模数转换器主要由逐次逼近寄存器SAR,数 字/电压转换器,比较器,时序及控制逻辑等部分组成。 饣>ve?输出为逻辑1?(或0 3.8V 比较器 o Yes 基准电源 D/A转换 0保留1 数L输 量/出 (Successive 11000010 C2H A pproximation SAR Register 转换命 时序及控制逻辑 状态线 图92逐次逼近式模数转换器的工作原理

16:02:59 1、逐次逼近式模数转换器的工作原理 逐次逼近式模数转换器主要由逐次逼近寄存器SAR, 数 字/电压转换器, 比较器, 时序及控制逻辑等部分组成。 比较器 D/A转换 ＋ SAR 时序及控制逻辑 VC 转换命令 状态线 Vx 数 字 量 － 输 出 基准电源 (Successive Approximation Register) 图9-2 逐次逼近式模数转换器的工作原理 1 0 0 0 0 0 0 0 SAR 1 Vx >Vc?输出为逻辑1?(或0) Yes 保留1 No 1→0 1 3.8V C2H 12

2、双积分式模数转换器的工作原理 ◇双积分模数转换器的组成框图如图所示。s①S闭合放电后再打开 充电电流 ②K向上闭合 R 正输入模拟电压 ③电容充电 U<0 N R REF 0 REF u 分器 . T 72 负基准 比较器 电源⑤K阿下闭 ⊥d电容放 ⑦又从0计数到N o 率 时钟 控制逻辑 ⑧U0<0 ⑧计数停止 P↑固定时间限“R 转换开始 转换结束 计数器④从0计数到2 n 放电电流 溢出 REF 数字量输出 R n 图93双积分式模数转换器的组成框图

16:02:59 2、双积分式模数转换器的工作原理 双积分模数转换器的组成框图如图所示。 数字量输出 转换开始 转换结束 比较器 积分器 基准电源 输入模拟电压 Vx 时钟 控制逻辑 计数器 图9-3 双积分式模数转换器的组成框图 t t T1 T2 1 t 2 t ' 2 t ' T2 ui Ui 1 = ' UO1 O1 U uo O O CP UI ui = 2 1 2 REF i n T N u T V = = 2 n N ui S ①S闭合放电后再打开 ④从0计数到2 n 溢出 ②K向上闭合 K ③电容充电 负 UO1 + 1 0 UO  2 0 UO  ⑤K向下闭合 ⑥电容放电 ⑦又从0计数到N 2 0 UO  ⑧计数停止 −VREF 正 + ⑧ R 充电电流: ui R 放电电流: REF -V R 固定时间: 定斜率 1 2 O1 i REF T T U u V RC RC = = 15

9.1.1模数转换器的工作原理 2、双积分式模数转换器的工作原理 ◇双积分式模数转换器转换方法的抗干扰能力比逐次 逼近式模数转换器强。 ◇该方法的基础是测量两个时间: ◆一个是模拟输入电压向电容充电的固定时间, ◆另一个是在已知参考电压下放电所需的时间, ◆模拟输入电压与参考电压的比值就等于上述两个 时间值之比。 1_N REF 2

16:02:59 9.1.1 模数转换器的工作原理 2、双积分式模数转换器的工作原理 双积分式模数转换器转换方法的抗干扰能力比逐次 逼近式模数转换器强。 该方法的基础是测量两个时间： 一个是模拟输入电压向电容充电的固定时间, 另一个是在已知参考电压下放电所需的时间, 模拟输入电压与参考电压的比值就等于上述两个 时间值之比。 2 1 2 i n T u N T V = = REF 16

2、双积分式模数转换器的工作原理 ◆双积分式模数转换器优点是精度髙、抗干扰能力强 在实际工程中得到了使用,缺点是转换速度慢。 ◆由于逐次逼近式模数转换器能很好的兼顾速度和精度, 故在16位以下的模数转换器中得到了广泛应用。 ◆还有并联比较型ADC采用各量级同时并行比较,各位 输出码同时并行产生,转换速度快是它的突出优点。 ◆并联比较型ADC的缺点是成本高、功耗大。 ◆因为n位输出的ADC,需要2个电阻,(2-1)个比较 器和D触发器,以及复杂的编码网络,其元件数量随位 数的增加,以几何级数上升。所以这种ADC适用于要 求高速、低分辩率的场合

16:02:59 2、双积分式模数转换器的工作原理 双积分式模数转换器优点是精度高、抗干扰能力强， 在实际工程中得到了使用, 缺点是转换速度慢。 由于逐次逼近式模数转换器能很好的兼顾速度和精度， 故在16位以下的模数转换器中得到了广泛应用。 还有并联比较型ADC采用各量级同时并行比较, 各位 输出码同时并行产生, 转换速度快是它的突出优点。 并联比较型ADC的缺点是成本高、功耗大。 因为n位输出的ADC, 需要2 n个电阻, (2n－1) 个比较 器和D触发器, 以及复杂的编码网络, 其元件数量随位 数的增加, 以几何级数上升。所以这种ADC适用于要 求高速、低分辩率的场合。 17