第8章模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換

1、第八章第八章 模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換在實(shí)際應(yīng)用中常常需要對模擬量和數(shù)字量進(jìn)在實(shí)際應(yīng)用中常常需要對模擬量和數(shù)字量進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。行相互轉(zhuǎn)換。 例如，用傳感器測得的溫度、壓力等的電壓或電例如，用傳感器測得的溫度、壓力等的電壓或電流信號一般都是模擬量，如果要將這些信號送到流信號一般都是模擬量，如果要將這些信號送到數(shù)字計算機(jī)中去進(jìn)行運(yùn)算和處理，就要將測得的數(shù)字計算機(jī)中去進(jìn)行運(yùn)算和處理，就要將測得的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量；而計算機(jī)處理的結(jié)果仍為模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量；而計算機(jī)處理的結(jié)果仍為數(shù)字量，只有將它轉(zhuǎn)換成模擬量才能去控制原來數(shù)字量，只有將它轉(zhuǎn)換成模擬量才能去控制原來的被控對象。的被控對象。

2、 將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的裝置稱為數(shù)將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的裝置稱為數(shù)/模轉(zhuǎn)換模轉(zhuǎn)換器，簡稱器，簡稱D/A轉(zhuǎn)換器或轉(zhuǎn)換器或DAC 將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的裝置稱為模將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的裝置稱為模/數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱器，簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或轉(zhuǎn)換器或ADC。 傳感器模擬控制ADCDAC數(shù)數(shù)字字計計算算機(jī)機(jī)A/D和和D/A轉(zhuǎn)換的原理框圖轉(zhuǎn)換的原理框圖8.1 8.1 數(shù)數(shù)/ /模轉(zhuǎn)換器模轉(zhuǎn)換器8.1.1 8.1.1 倒倒T T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的裝置轉(zhuǎn)換器是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的裝置 D/A轉(zhuǎn)換器由數(shù)碼寄存器、模擬電子開關(guān)、解碼轉(zhuǎn)換器由數(shù)碼寄存器

3、、模擬電子開關(guān)、解碼網(wǎng)絡(luò)、求和電路和基準(zhǔn)電壓幾部分組成。網(wǎng)絡(luò)、求和電路和基準(zhǔn)電壓幾部分組成。 +uoRfS0S1S2S3+URD0D1D2D3最低位（LSB）最高位（MSB）2R2R2R2R2RRRRIo1Io2IR+uoRfS0S1S2S3+URD0D1D2D3最低位（LSB）最高位（MSB）2R2R2R2R2RRRRIo1Io2IR+uoRfS0S1S2S3+URD0D1D2D3最低位（LSB）最高位（MSB）2R2R2R2R2RRRRIo1Io2IR+uoRfS0S1S2S3+URD0D1D2D3最低位（LSB）最高位（MSB）2R2R2R2R2RRRRIo1Io2IR（1）R和和2R兩

4、種阻值的電阻組成多級倒兩種阻值的電阻組成多級倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)（2）運(yùn)算放大器接成反相比例運(yùn)算電路，用以輸）運(yùn)算放大器接成反相比例運(yùn)算電路，用以輸出合適的模擬電壓出合適的模擬電壓uo。 （3）UR是參考電壓；是參考電壓；（4）D0、D1、D2、D3是待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量是待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量 （5）S0、S1、S2、S3是電子轉(zhuǎn)換開是電子轉(zhuǎn)換開關(guān)，由輸入數(shù)字關(guān)，由輸入數(shù)字量量D0、D1、D2、D3控制。控制。 RUIRR1RR3221RUII2RR2241RUII3RR1281RUII4RR02161RUII+UR2R2R2R2R2RRRRIRI0I1I2I301230123+UR2R2R2R2R2

5、RRRRIRI0I1I2I301230123)2222(2001122334R1oDDDDRUI)2222(2001122334Rf1ofoDDDDRURIRu如果輸入數(shù)字量為如果輸入數(shù)字量為n位二進(jìn)制數(shù)，則位二進(jìn)制數(shù)，則 )222(2002n2n1n1nnRfoDDDRURu時當(dāng)fRR ，則為，則為)222(2002n2n1n1nnRoDDDUu倒倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度快，但轉(zhuǎn)換誤差較大換速度快，但轉(zhuǎn)換誤差較大 8.1.2 8.1.2 權(quán)電流型權(quán)電流型D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器+uoRfS0S1S2S3URD0D1D2D3最低位（LSB）最高位（MSB）I12

6、I22I32I42I+uoRfS0S1S2S3URD0D1D2D3最低位（LSB）最高位（MSB）I12I22I32I42I041322312222DIDIDIDII)2222(2)2222(001122334f04132231ffoDDDDRIDIDIDIDIRIRu 8.1.3 D/A8.1.3 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)1. 分辯率分辯率 指轉(zhuǎn)換器輸出模擬電壓可能被分離的數(shù)目指轉(zhuǎn)換器輸出模擬電壓可能被分離的數(shù)目 2. 比例系數(shù)誤差比例系數(shù)誤差 指實(shí)際轉(zhuǎn)換特性曲線的斜率與理想特性曲線斜率指實(shí)際轉(zhuǎn)換特性曲線的斜率與理想特性曲線斜率的偏差。的偏差。 3. 失調(diào)誤差失調(diào)誤差由

7、運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移引起的，其大小與由運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移引起的，其大小與輸入數(shù)字量無關(guān)輸入數(shù)字量無關(guān) 4. 非線性誤差非線性誤差 指指D/A轉(zhuǎn)換器的實(shí)際傳輸特性曲線和平均傳輸轉(zhuǎn)換器的實(shí)際傳輸特性曲線和平均傳輸特性曲線之間的最大偏差特性曲線之間的最大偏差 5. 建立時間建立時間 指指D/A轉(zhuǎn)換器的輸入從全轉(zhuǎn)換器的輸入從全“0”突變?yōu)槿蛔優(yōu)槿?”（或從全（或從全“1”突變?yōu)槿蛔優(yōu)槿?”）時，輸出達(dá)到與最終穩(wěn)定值相差）時，輸出達(dá)到與最終穩(wěn)定值相差 LSB范圍內(nèi)所需要的時間，也叫做滿量程建立時間。范圍內(nèi)所需要的時間，也叫做滿量程建立時間。 216. 傳輸延遲傳輸延遲從數(shù)字輸入變化到模擬輸出，

8、電流達(dá)到其最終值的從數(shù)字輸入變化到模擬輸出，電流達(dá)到其最終值的90%所需的時間。所需的時間。 7. 靜態(tài)功耗靜態(tài)功耗 8. 電源電壓抑制比電源電壓抑制比8.1.4 8.1.4 集成集成D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器16151413121110912345678RFGND1oI9D2oI5D8D7D6D4D3DRU2D1D0DCCUAD7520+uo16123413輸入數(shù)字量+5V1415URIo1Io2AD7520AD7520單極性電壓輸出的應(yīng)用實(shí)例單極性電壓輸出的應(yīng)用實(shí)例 +uo16123413輸入數(shù)字量+15V1415URIo1Io2+10k20k5k20kAD7520+uo16123413輸入

9、數(shù)字量+15V1415URIo1Io2+10k20k5k20k+uo16123413輸入數(shù)字量+15V1415URIo1Io2+10k20k5k20kAD7520雙極性電壓輸出的應(yīng)用實(shí)例雙極性電壓輸出的應(yīng)用實(shí)例 16151413121110912345678NCOIGND5D7D6D4D3DRU2D1D0DCCUDAC0808EEUCOMPRUDAC0808512數(shù)字量輸入+5V13315V16+141524RR= 5k5kUR5kuo模擬量輸出0.01FDAC0808的應(yīng)用電路的應(yīng)用電路8.2 8.2 模模/ /數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器的功能轉(zhuǎn)換器的功能是將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字是將輸

10、入的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出。信號輸出。 由于輸入的模擬信號在時間上是連續(xù)變化的，而輸由于輸入的模擬信號在時間上是連續(xù)變化的，而輸出的數(shù)字信號是不連續(xù)的，所以轉(zhuǎn)換只能在某些瞬出的數(shù)字信號是不連續(xù)的，所以轉(zhuǎn)換只能在某些瞬間對輸入進(jìn)行取樣，然后將這些取樣值轉(zhuǎn)換成數(shù)字間對輸入進(jìn)行取樣，然后將這些取樣值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出。量輸出。 8.2.1 8.2.1 并聯(lián)比較型并聯(lián)比較型A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器由電壓比較器、寄存器和代碼轉(zhuǎn)換器由電壓比較器、寄存器和代碼轉(zhuǎn)換器3部分組成部分組成 +uiURRRRRRRRR/2D2D1D0數(shù)字輸出R151UR153UR155UR157UR159UR1511UR1513

11、UDCDCDCDCDCDCDCCP11111111電壓比較器代碼轉(zhuǎn)換器寄存器模擬量輸入(最高位)(最低位)A1A2A3A4A5A6A7Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7+uiURRRRRRRRR/2D2D1D0數(shù)字輸出R151UR153UR155UR157UR159UR1511UR1513UDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCCP11111111111 1111 1電壓比較器代碼轉(zhuǎn)換器寄存器模擬量輸入(最高位)(最低位)A1A2A3A4A5A6A7Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q78個電阻將參考電壓個電阻將參考電壓UR分壓分壓 當(dāng)輸入電壓當(dāng)輸入電壓Ri151Uu ，各，各D觸發(fā)器均被置

12、觸發(fā)器均被置0 RiR153151UuU當(dāng)，Q1為為1，其余觸發(fā)器被置，其余觸發(fā)器被置0。 42QD 2461QQQD12345670QQQQQQQD+uiURRRRRRRRR/2D2D1D0數(shù)字輸出R151UR153UR155UR157UR159UR1511UR1513UDCDCDCDCDCDCDCCP11111111電壓比較器代碼轉(zhuǎn)換器寄存器模擬量輸入(最高位)(最低位)A1A2A3A4A5A6A7Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7+uiURRRRRRRRR/2D2D1D0數(shù)字輸出R151UR153UR155UR157UR159UR1511UR1513UDCDCDCDCDCDCDCDCDCDCD

13、CDCDCDCCP11111111111 1111 1電壓比較器代碼轉(zhuǎn)換器寄存器模擬量輸入(最高位)(最低位)A1A2A3A4A5A6A7Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q78.2.2 8.2.2 逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器天平稱重的過程天平稱重的過程順序順序砝碼重量砝碼重量比較判別比較判別砝碼是否砝碼是否保留保留18g8g 13g保留保留28g+4g12g 13g去除去除48g+4g+1g13g = 13g保留保留逐次逼近型逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的原理框圖轉(zhuǎn)換器的原理框圖順序脈沖發(fā)生器逐次逼近寄存器DAC電壓比較器數(shù)字量輸出模擬量輸入uiuo順序脈沖發(fā)生器逐次逼近寄存器DAC電壓比

14、較器數(shù)字量輸出模擬量輸入uiuoQF3SRQF2SRQF1SRQF0SR4位D/A轉(zhuǎn)換器&111&Q0D0Q1D1Q2D2Q3D3Q4D4Q5D5CP+uiuo電壓比較器逐次逼近寄存器控制邏輯門d3d2d1d0d3(MSB)d2d1d0(LSB)讀出與門6位順序脈沖發(fā)生器uAQF3SRQF2SRQF1SRQF0SR4位D/A轉(zhuǎn)換器&111&Q0D0Q1D1Q2D2Q3D3Q4D4Q5D5CP+uiuo電壓比較器逐次逼近寄存器控制邏輯門d3d2d1d0d3(MSB)d2d1d0(LSB)讀出與門6位順序脈沖發(fā)生器uAQF3SRQF2SRQF1SRQF0SR4位D/

15、A轉(zhuǎn)換器&111&Q0D0Q1D1Q2D2Q3D3Q4D4Q5D5CP+uiuo電壓比較器逐次逼近寄存器控制邏輯門d3d2d1d0d3(MSB)d2d1d0(LSB)讀出與門6位順序脈沖發(fā)生器QF3SRQF3SRQF2SRQF2SRQF1SRQF1SRQF0SRQF0SR4位D/A轉(zhuǎn)換器&111111& & & &Q0D0Q0D0Q1D1Q1D1Q2D2Q2D2Q3D3Q3D3Q4D4Q4D4Q5D5Q5D5CP+uiuo電壓比較器逐次逼近寄存器控制邏輯門d3d2d1d0d3(MSB)d2d1d0(LSB)讀出與門6位順序脈沖發(fā)生器uA順

16、序脈沖發(fā)生器的輸出波形順序脈沖發(fā)生器的輸出波形 CP123456Q5Q4Q3Q2Q1Q0CP123456Q5Q4Q3Q2Q1Q08.2.3 A/D8.2.3 A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)1. 分辨率分辨率 分辨率是指分辨率是指A/D轉(zhuǎn)換器能夠分辨最小的量化信號的能轉(zhuǎn)換器能夠分辨最小的量化信號的能力，一般以輸出二進(jìn)制數(shù)或十進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示。力，一般以輸出二進(jìn)制數(shù)或十進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示。 2. 量化誤差量化誤差 A/D轉(zhuǎn)換器的量化誤差是由于轉(zhuǎn)換器的有限分辨率轉(zhuǎn)換器的量化誤差是由于轉(zhuǎn)換器的有限分辨率（量化單位有限）而造成的。（量化單位有限）而造成的。 3. 最大線性誤差（即精度）最大

17、線性誤差（即精度）指其實(shí)際傳輸特性曲線與理想傳輸特性曲線之間指其實(shí)際傳輸特性曲線與理想傳輸特性曲線之間的最大偏差的最大偏差 4. 轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間 8.2.4 8.2.4 集成集成A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器ADC0809ADC08098選1模擬量選擇器8位逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器三態(tài)輸出鎖存器IN0IN7三態(tài)輸出鎖存器ABCALESTART)R(U)R(UEOUTCLOCKEOCD0D78選1模擬量選擇器8位逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器三態(tài)輸出鎖存器IN0IN7三態(tài)輸出鎖存器ABCALESTART)R(U)R(UEOUTCLOCKEOCD0D7ADC0809的結(jié)構(gòu)框圖的結(jié)構(gòu)框圖 ADC0809的外引線排列圖的外引線排列圖161