汽車電子技術基礎 教案31

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1、課程教案首頁 No.31 授課題目 A/D與D/A轉換 教學單元 學 時 2 [ < ] 4 [] 教學目標 ［知識F1標］: 時序邏輯電路的分析 ［能力目標］: 會分析時序邏輯電路的邏輯功能。 ［素質目標］: 培養(yǎng)學生邏輯思維能力。 重點 難點 A/D與D/A電路的結構及工作原理 A/D與D/A電路的結構及工作原理及應用 教學方法 啟發(fā)式教授法 能力訓練 （作業(yè)） 教學體會 授課班級 授課時間及地點 年 月 口 （星期 ）第 節(jié)，樓 室 年 月 日（星期 ）第 節(jié)，樓 室 年 月 日（星期 ）第 節(jié)，樓 室 年

2、 月 日（星期 ）第 節(jié)，樓 室 年 月 日（星期 ）第 節(jié)，樓 室  步驟一引言（5分鐘） 隨著現(xiàn)代科學技術的迅猛發(fā)展,特別是數(shù)字系統(tǒng)已廣泛應用于各種學科領域及日常生活，微型計算 機就是一個典型的數(shù)學系統(tǒng)。但是數(shù)字系統(tǒng)只能對輸入的數(shù)字信號進行處理，其輸出信號也是數(shù)字信 號。而在工業(yè)檢測控制和生活中的許多物理量都是連續(xù)變化的模擬量，如溫度、壓力、流量、速度等， 這些模擬量可以通過傳感器或換能器變成與之對應的電壓、電流或頻率等電模擬量。為了實現(xiàn)數(shù)字系 統(tǒng)對這些電模擬量進行檢測、運算和控制，就需要一個模擬量與數(shù)字量之間的相互轉換的過程。即常常 需要將模擬量轉換成數(shù)字量，簡稱

3、為AI）轉換，完成這種轉換的電路稱為模數(shù)轉換器（Analog to Digital Converter）,簡稱ADC;或將數(shù)字量轉換成模擬量，簡稱DA轉換，完成這種轉換的電路稱為數(shù)模轉換器 （Digital to Analog Converter），簡稱 DAC。 隨著通信事業(yè)、多媒體技術和數(shù)字化設備的6速發(fā)展，信號處理越來越趨向數(shù)字化，促進了高速DAC 有了長足進步，牽動著DAC制造商研制出許多新結構、新工藝及各種特殊用途的高速DAC。應用案例分 析：A/D轉換器、D/A轉換器的應用：電子計算機處理系統(tǒng)框圖分析。 步驟二A/D轉換器（65分鐘） 一、D/A轉換器A /D

4、轉換器及工作原理 D/A功能：將數(shù)字量成正比地轉換成模擬量 DAC的內部電路構成無太大差異，?般按輸出是電流還是電壓、能否作乘法運算等進行分類。大多 數(shù)DAC由電阻陣列和n個電流開關（或電壓開關）構成。按數(shù)字輸入值切換開關，產生比例于輸入的電流 （或電壓）。此外,也有為了改善精度而把恒流源放入器件內部的。DAC分為電壓型和電流型兩大類，電 壓型DAC有權電阻網(wǎng)絡、T型電阻網(wǎng)絡和樹形開關網(wǎng)絡等；電流型DAC有權電流型電阻網(wǎng)絡和倒T型電 阻網(wǎng)絡等。 1）電壓輸出型（如TLC5620）。電壓輸出型DAC雖有直接從電阻陣列輸出電壓的,但一般采用內置輸出 放大器以低阻抗輸出。直接輸出電壓

5、的器件僅用于高阻抗負載，由于無輸出放大器部分的延遲，故常作為高速DAC使用。 2） 電流輸出型（如THS5661A ）。電流輸出型DAC很少直接利用電流輸出，大多外接電流-電壓轉換電 路得到電壓輸出，后者有兩種方法:一是只在輸出引腳上接負載電阻而進行電流-電壓轉換，二是外接 運算放大器。 3） 乘算型（如AD7533） ° DAC中有使用恒定基準電壓的，也有在基準電壓輸入上加交流信號的,后者由 于能得到數(shù)字輸入和基準電壓輸入相乘的結果而輸出，因而稱為乘算型DACo乘算型DAC 一般不僅可以 進行乘法運算，而且可以作為使輸入信號數(shù)字化地衰減的衰減器及對輸入信號進行調制的調制器使用。

6、 4） 一位DAC。一位DAC與前述轉換方式全然不同，它將數(shù)字值轉換為脈沖寬度調制或頻率調制的輸出， 然后用數(shù)字濾波器作平均化而得到一般的電壓輸出，用于音頻等場合。 D/A轉換器 D/A轉換器原理 （1） D/A功能:將數(shù)字量成正比地轉換成模擬量 〃 4位數(shù)字量 模擬量 8位 n位 n" 10位尹> D/A 一 0~5V或 12 位 0~10V ^16位 D/A功能（續(xù)） 4位數(shù)據(jù)：0000 - 0V、 F J 分辨率： ? 5V/15=0.333V /每1個最低有效位 mi 8位數(shù)據(jù)： 00000000 — 0V ）分辨率： > 5V/2

7、55=0.0196V ）/每1個最低有效位 11111111 '5V- D/A的組成（續(xù)） 電阻網(wǎng)絡 精密參 D2 與考電壓 $0~，3： 模擬電子開關 D=0, S倒向地 D=1,S 倒向 Vref 求和運算放大器 -UO囂 輸入4位二進制數(shù) 當 D jD2D1Do=00()0 時, — 3R— S3S2S&都倒向地 3R/2 Ay= -1 u°=ov D/A轉換原理（續(xù)）當以3。2防。°=1000時3R

8、 當 d3d2d1d0=oioo S|S|S° 都倒向地 Vrf/ r-Lt s擱向、M 卜1『/2UZ%4 同理可推導，當D3D2D,Do=OO1O時，uo= -\rREVJS 當 D3D2D1D0W00I 時，Uo= -Vref/16 D/A轉換原理(續(xù)) D3D2D1Do=10O0時，Uo=-Vref/2=-D3Vref/21 。3。2。]。0=0100時,Uo= -Vref/4= -D2Vref/22 D3D2D1Do=0010時，Uo= -Vref/8= -D[Vre/23 D3D2D1D迦1 時，Uo=-Vref

9、/16= -d'ref。， 根據(jù)疊加原理： Uo= -(D3Vref/2?+ D2Vref722 + 叫 Vref/23 + D0VREF/2^) =-(D3/2'+ D2/22 + D/23 + Dy24) VREF =一 (Vref /24) (23 D3 + 22D2+21D1 + 2° Do) 二、A/D轉換器及A/D轉換器工作原理 模擬信號轉換為數(shù)字信號，一般分為四個步驟進行,即取樣、保持、量化和編碼。前兩個步驟在取 樣-保持電路中完成，后兩步驟則在ADC中完成。常用的ADC有積分型、逐次逼近型、并行比較型/串并行型、X -A調制型、電容陣列逐次比較型及壓頻變換型。下

10、面簡要介紹常用的幾種類型的基木原 理及特點。 1） 積分型（如TLC7135） 積分型ADC工作原理是將輸入電壓轉換成時間或頻率，然后由定時器/計數(shù)器獲得數(shù)字值。其優(yōu)點 是用簡單電路就能獲得高分辨率，但缺點是由于轉換精度依賴于積分時間，因此轉換速率極低。初期的 單片ADC大多采用積分型，現(xiàn)在逐次比較型己逐步成為主流。雙積分是一種常用的AD轉換技術,具有精 度高,抗干擾能力強等優(yōu)點。但高精度的雙積分AI）芯片，價格較貴,增加了單片機系統(tǒng)的成本。 2） 逐次逼近型（如TLC0831） 逐次逼近型AD由一個比較器和DA轉換器通過逐次比較邏輯構成，從MSB開始，順序地對每一位將 輸入

11、電壓與內置DA轉換器輸出進行比較，經(jīng)n次比較而輸出數(shù)字值。其電路規(guī)模屬于中等。其優(yōu)點是 速度較高、功耗低，在低分辨率（＜ 12位）時價格便宜，但高精度（＞ 12位）時價格很高。 3） 并行比較型/串并行比較型（如TLC5510） 并行比較型AD采用多個比較器，僅作一次比較而實行轉換，又稱FLash型。由于轉換速率極高，n 位的轉換需要2n - 1個比較器,因此電路規(guī)模也極大，價格也高，只適用于視頻AI）轉換器等速度特別高 的領域。串并行比較型AD結構上介于并行型和逐次比較型之間，最典型的是由2個n /2位的并行型AD 轉換器配合DA轉換器組成,用兩次比較實行轉換，所以稱為Half

12、flash型。 4） S-A 調制型（如 AD7701） △型ADC以很低的采樣分辨率（1位）和很高的采樣速率將模擬信號數(shù)字化，通過使用過采樣、 噪聲整形和數(shù)字濾波等方法增加有效分辨率,然后對ADC輸出進行采樣抽取處理以降低有效采樣速率。 ￡-△型ADC的電路結構是由非常簡單的模擬電路和十分復雜的數(shù)字信號處理電路構成。 5） 電容陣列逐次比較型 電容陣列逐次比較型AD在內置DA轉換器中采用電容矩陣方式，也可稱為電荷再分配型。一般的電 阻陣列DA轉換器中多數(shù)電阻的值必須一致,在單芯片上生成高精度的電阻并不容易。如果用電容陣列 取代電阻陣列，可以用低廉成本制成高精度單片AD轉換器。

13、最近的逐次比較型AD轉換器大多為電容陣 列式的。 6） 壓頻變換型（如AD650） 壓頻變換型是通過間接轉換方式實現(xiàn)模數(shù)轉換的。其原理是首先將輸入的模擬信號轉換成頻率，然 后用計數(shù)器將頻率轉換成數(shù)字量。從理論上講這種AD的分辨率幾乎可以無限增加，只要采樣的時間能 夠滿足輸出頻率分辨率要求的累積脈沖個數(shù)的寬度。其優(yōu)點是分辨率高、功耗低、價格低，但是需要外 部計數(shù)電路共同完成Al)轉換。 A/D轉換器 A/D功能及分類 (DA/D功能:將模擬電壓成正比地轉換成數(shù)字量 (2)A/D轉換器分類 根據(jù)內部電路不同，分為以下三類： ① 并聯(lián)比較型 特點：轉換速度快，轉換時間

14、lOns-lgs ② 逐次遇近型 特點：轉換速度中，轉換時間幾四~1()。ps ③ 雙積分型 特點:轉換速度慢,轉換時間幾百ps 并聯(lián)比較型A/D轉換器(三位)原理 7Vr/8 6Vr/8 5Vr/8 4Vr/8 3V/8 2V/8 ur輸入模擬電壓 .電壓比較器 D鎖存器 U.7Vr/8時，輸出=1 Q、 U.7Vr/8時，輸出=0 U|>6\'J8時，輸出=1 后 U<6Vr/8時，輸出=0 — ■=^^ —\+ A R k- ~|7 +| v ,bF_t=~~I U|>Ur/8時，輸出=1 R ffg ~~k_tl U；

15、，輸出=0 1 精密電阻網(wǎng)絡(23個電阻)CP 輸出數(shù)字量/n2D!D  并聯(lián)比較型A/D轉換器中的編碼器真值表 Ui Qa Qb Qc Qd Qe Qf q《； Do Vr>U,>7Vr/8 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 7Vr/8 >U[XVr/8 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 6VJ8 >U|>5Vr/8 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 5VJ8 >U,>4Vr/8 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 4Vr/8 >U]>3Vr/8 0 0

16、 0 0 1 1 1 0 I 1 3Vr/8 >U〕>2Vr/8 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 2Vr/8 >U|> Vr/8 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 Vr/8 >U]> 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 根據(jù)以上真值表設計編碼器的組合邏輯電路（設計略） 計算機數(shù)據(jù)采集原理簡介 A/D轉換器內部組成 模擬 輸入 電源 申清計算機中斷） （來自計算機） 計算機數(shù)據(jù)采集原理簡介（續(xù)） A/I）轉換器與計算機的連接 模擬 輸入 模擬輸入電壓在

17、A/D轉換期間應保持不變，否則,VD的輸出 數(shù)據(jù)總隨輸入電壓而變，所以需要采樣/保持器。 三、ADC和DAC的主要技術指標 1. ADC分辨率指輸出數(shù)字量變化一個最低有效位（LSB）所需的輸入模擬電壓的變化量。 2 .ADC的精度決定于量化誤差及系統(tǒng)內其他誤差之總和。一般精度指標為滿量程的±（）. 02%，高精度 指標為滿量程的0. 0（）1%。 3. 轉換速率是指完成一次從模擬轉換到數(shù)字的AI）轉換所需的時間的倒數(shù)。積分型AI）的轉換時間是毫 秒級屬低速AD,逐次比較型AD是微秒級屬中速AD,全并行/串并行型AD可達到納秒級。 4. 量化誤差由于AD的有限分辨率

18、而引起的誤差，即有限分辨率AD的階梯狀轉移特性曲線與無限分辨 率AD （理想AD）的轉移特性曲線（直線）之間的最大偏差。通常是1個或半個最小數(shù)字量的模擬變化量， 表示為1LSB、1 /2LSB。DAC的主要技術指標。 1） 分辯率指輸出模擬電壓的最小增量，即表明DAC輸入一個最低有效位（LSB）而在輸出端上模擬電壓的 變化量。 2） 建立時間是將一個數(shù)字量轉換為穩(wěn)定模擬信號所需的時間，也可以認為是轉換時間。DA中常用建立 時間來描述其速度,而不是AD中常用的轉換速率。一般地，電流輸出DA建立時間較短，電壓輸出DA則 較長。 3） 精度是指輸入端加有最大數(shù)值量時,DAC的實際輸出

19、值和理論計算值之差，它主要包括非線性誤差、 比例系統(tǒng)誤差、失調誤差。 4） 線性度在理想情況下,DAC的數(shù)字輸入量作等量增加時，其模擬輸出電壓也應作等量增加，但是實際輸 出往往有偏離。 四、ADC和DAC的發(fā)展趨勢和應用前景 隨著通信事業(yè)、多媒體技術和數(shù)字化設備的飛速發(fā)展,信號處理越來越趨向數(shù)字化，促進了高速DAC 有了長足進步,牽動著DAC制造商研制出許多新結構、新工藝及各種特殊用途的高速DAC。高速DAC的 應用領域主要有三個方面:數(shù)字化儀器,包括波形重建和任意波形發(fā)生器;直接數(shù)合成（DDS）,包括接收 器本機振蕩器、跳頻無線電設備、通信系統(tǒng)、正交調制（QAM）系統(tǒng)和雷達系統(tǒng)；圖形顯示系統(tǒng)，包括失量 掃描和光柵掃描。 數(shù)據(jù)轉換器技術是模擬信號和數(shù)字信號之間的重要橋梁，低電壓、大電流、高效率、小尺寸、 低成本是ADC/DAC轉換器發(fā)展的趨勢。同時，ADC /DAC轉換器的效率和密度也在不斷增加。除此以外， 通信與網(wǎng)絡設備的集成化趨勢需要ADC /DAC轉換器集成更多的功能，同時具有更寬的輸出電壓或多路 輸出。近年來轉換器產品己達到數(shù)千種,ADC和DAC的市場呈穩(wěn)步增長的發(fā)展趨勢,它們在現(xiàn)代軍用和民 用電子系統(tǒng)中均顯示出其重要性。 步驟三總結、練習（20分鐘） ADC和DAC的結構及工作原理