電工學(xué)秦曾煌第七版第二十三章

1、(1-0)第二十三章第二十三章 模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換(23-1)第二十三章第二十三章 模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換 23.1 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 23.2 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器(23-2) 數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器是計(jì)算機(jī)與數(shù)模與模數(shù)轉(zhuǎn)換器是計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備的重要接口，也是數(shù)字測量和數(shù)外部設(shè)備的重要接口，也是數(shù)字測量和數(shù)字控制系統(tǒng)的重要部件。字控制系統(tǒng)的重要部件。 能將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的裝置稱為能將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的裝置稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器（簡稱：數(shù)模轉(zhuǎn)換器（簡稱： ）；能）；能將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的裝置稱為模數(shù)將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的裝置稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（簡稱：轉(zhuǎn)換器（簡稱：

2、 ）。）。概概 述述(23-3)傳感器傳感器模擬控制模擬控制模模擬擬信信號(hào)號(hào)數(shù)字計(jì)算機(jī)數(shù)字計(jì)算機(jī) 數(shù)字控制數(shù)字控制 數(shù)數(shù)字字信信號(hào)號(hào)ADCDACD/A、A/D轉(zhuǎn)換器的原理框圖轉(zhuǎn)換器的原理框圖(23-4) 由于構(gòu)成由于構(gòu)成，因此為了把數(shù)字量轉(zhuǎn)換，因此為了把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，就必須將每一位代碼成模擬量，就必須將每一位代碼，然后再，然后再把代表各位的模擬量相加，即可得到與把代表各位的模擬量相加，即可得到與該數(shù)字量成正比的模擬量，這就是構(gòu)成該數(shù)字量成正比的模擬量，這就是構(gòu)成D/A轉(zhuǎn)換器的基本思想。轉(zhuǎn)換器的基本思想。23.1 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器(23-5)倒倒T T 形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò) D/A D/

3、A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓電子模擬開關(guān)電子模擬開關(guān)T T形電阻網(wǎng)絡(luò)形電阻網(wǎng)絡(luò)最低位最低位最高位最高位(23-6)RRUIRR(23-7)RO1() ddUddUiddddRR321030R21R321012344( 2222 )22222O R UuddddR 3210FR32104(2222 )2(23-8)例：例：一個(gè)八位倒一個(gè)八位倒 T 型電阻網(wǎng)絡(luò)數(shù)型電阻網(wǎng)絡(luò)數(shù) / 模轉(zhuǎn)換器，模轉(zhuǎn)換器， 當(dāng)輸入數(shù)字量為當(dāng)輸入數(shù)字量為 00000001 時(shí)，輸出電壓值時(shí)，輸出電壓值 為為-0.02V， 若輸入二進(jìn)制數(shù)為若輸入二進(jìn)制數(shù)為 11010101時(shí)，時(shí)， 輸出電壓為多少？輸出電壓為多少？解：解

4、： 輸入數(shù)字量為：輸入數(shù)字量為： 00000001 時(shí)，時(shí)， 輸出電壓值為：輸出電壓值為：uo= -0.02V （ 11010101）2 = 27+26+24+22+20 = （213）10 輸出電壓值為：輸出電壓值為： uo = 213(-0.02) = -4.26V(23-9)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) 指最小輸出電壓和最大輸出電壓之比。指最小輸出電壓和最大輸出電壓之比。 有時(shí)也用輸入數(shù)字量的有效位數(shù)來表示。有時(shí)也用輸入數(shù)字量的有效位數(shù)來表示。一、分辨率一、分辨率 例：十位例：十位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為轉(zhuǎn)換器的分辨率為 1 / ( 2101 ) =1 / 10230.

5、001二、輸出電壓二、輸出電壓( 電流電流 )的建立時(shí)間的建立時(shí)間 指從輸入數(shù)字信號(hào)起，到輸出電壓（電指從輸入數(shù)字信號(hào)起，到輸出電壓（電流）達(dá)穩(wěn)定值時(shí)所需的時(shí)間。流）達(dá)穩(wěn)定值時(shí)所需的時(shí)間。(23-10) 指輸出模擬電壓的實(shí)際值與理想值之指輸出模擬電壓的實(shí)際值與理想值之差。即最大靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。差。即最大靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。三、精度三、精度四、線性度四、線性度 通常用非線性誤差的大小表示。通常用非線性誤差的大小表示。五、電源抑制比五、電源抑制比 指輸出電壓的變化與相對(duì)應(yīng)的電源電指輸出電壓的變化與相對(duì)應(yīng)的電源電壓（模擬開關(guān)、運(yùn)放電源）的變化之比。壓（模擬開關(guān)、運(yùn)放電源）的變化之比。(23-11) 目前，目

6、前，D/AD/A轉(zhuǎn)換器集成電路芯片種轉(zhuǎn)換器集成電路芯片種類很多。按輸入二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)分類有類很多。按輸入二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)分類有八位、十位、十二位、十六位等，使用八位、十位、十二位、十六位等，使用者可根據(jù)任務(wù)要求進(jìn)行選擇。者可根據(jù)任務(wù)要求進(jìn)行選擇。(23-12)集成芯片集成芯片AD7520d0 d9：十位數(shù)字量輸入端；：十位數(shù)字量輸入端；IO1、IO2：電流輸出端；：電流輸出端；RF：內(nèi)部電阻引出端；：內(nèi)部電阻引出端；UDD：模擬開關(guān)電源接線端；：模擬開關(guān)電源接線端；GND：接地端。：接地端。URIO1IO2RFGNDd4AD752012345678161514131211109UDD+URd3d

7、2d1d0d5d6d7d8d9 +UR：參考電源，可正可負(fù)；：參考電源，可正可負(fù)；RF(23-13) A/D轉(zhuǎn)換器的任務(wù)是把模擬量轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器的任務(wù)是把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，它是模擬信號(hào)和數(shù)字儀換成數(shù)字量，它是模擬信號(hào)和數(shù)字儀器的接口。器的接口。 A/D轉(zhuǎn)換器的類型很多，有并聯(lián)轉(zhuǎn)換器的類型很多，有并聯(lián)比較型、逐次逼近型、雙積分型等。比較型、逐次逼近型、雙積分型等。在此僅介紹逐次逼近型。在此僅介紹逐次逼近型。 23.2 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器(23-14) 其工作原理可用天平秤重作比喻。若有其工作原理可用天平秤重作比喻。若有四個(gè)砝碼共重四個(gè)砝碼共重15克，每個(gè)重量分別為克，每個(gè)重量分別為8、4、2、1克。

8、設(shè)待秤重量克。設(shè)待秤重量Wx = 13克，可以用下表克，可以用下表步驟來秤量：步驟來秤量：砝碼重砝碼重第一次第一次第二次第二次第三次第三次第四次第四次加加4克克加加2克克加加1克克8 克克砝碼總重砝碼總重 待測重量待測重量Wx ，故保留，故保留砝碼總重仍砝碼總重仍 待測重量待測重量Wx ，故撤除，故撤除砝碼總重砝碼總重 待測重量待測重量Wx ，故保留，故保留暫時(shí)結(jié)果暫時(shí)結(jié)果8 克克12 克克12 克克13 克克 結(jié)結(jié) 論論逐次逼近型逐次逼近型 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器(23-15) 逐次逼逐次逼近寄存器近寄存器 電壓電壓比較器比較器 控制控制邏輯門邏輯門輸入輸入輸出輸出準(zhǔn)備工作準(zhǔn)備工作Q Q4 4Q

9、Q0 0=10000=10000第五個(gè)第五個(gè)CPCP時(shí)數(shù)據(jù)輸出時(shí)數(shù)據(jù)輸出QF3SRRF2SQRF1SQRF0SQ&d d3 3&d d2 2&d d1 1&d d0 0&111111d d3 3d d0 0E E讀出控制端讀出控制端U UI IU UO O 時(shí)鐘脈沖時(shí)鐘脈沖五位順序脈沖發(fā)生器五位順序脈沖發(fā)生器四位四位D/AD/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器CPCPQ Q4 4Q Q3 3Q Q2 2Q Q1 1Q Q0 0d d2 2d d1 1 脈沖脈沖發(fā)生器發(fā)生器 數(shù)數(shù)- -模轉(zhuǎn)換器模轉(zhuǎn)換器(23-16)1 0 0 0 01：1 0 0 0 101 01 01 01

10、102：0113：4：5：UI=5.52VD/A參考電壓參考電壓UR=-8Vd3=1: 4Vd2=1: 2Vd1=1: 1Vd0=1: 0.5V100011001010101110110 1 0 01 0 0 1 0 1 0 10 0 1 0 0 0 0 00 0 0 1 1 0 0 00 0 0 0 0 0 0 10 0 0 0 0 0 0 0(23-17)1 0 0 06V 5. 5V4V5V1 1 0 01 0 1 01 0 1 1 )2222(28001122334A ddddUD/A轉(zhuǎn)換器輸出轉(zhuǎn)換器輸出UA為正值為正值(23-18) )222(280066778 dddUA(23-1

11、9)6OU3D2Dt0Dt11000543210t21100t3UO UI1010t41011t51011UO UI逐逐次次逼逼近近轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換過過程程示示意意圖圖tttt00001D(23-20)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) 一、分辨率一、分辨率二、轉(zhuǎn)換速度二、轉(zhuǎn)換速度 以輸出二進(jìn)制代碼位數(shù)表示分辨率。位以輸出二進(jìn)制代碼位數(shù)表示分辨率。位數(shù)越多，量化誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高。數(shù)越多，量化誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高。 指從它接到轉(zhuǎn)換命令起，直到輸出端得指從它接到轉(zhuǎn)換命令起，直到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字量輸出時(shí)所需要的時(shí)間。到穩(wěn)定的數(shù)字量輸出時(shí)所需要的時(shí)間。(23-21) 實(shí)際轉(zhuǎn)換值和理想

12、特性間的最大偏差。實(shí)際轉(zhuǎn)換值和理想特性間的最大偏差。三、相對(duì)精度三、相對(duì)精度四、電源抑制四、電源抑制 在輸入模擬電壓不變的情況下，轉(zhuǎn)換電在輸入模擬電壓不變的情況下，轉(zhuǎn)換電路電源電壓的變化對(duì)輸出電壓的影響，可路電源電壓的變化對(duì)輸出電壓的影響，可用輸出數(shù)字量的絕對(duì)變化量表示。用輸出數(shù)字量的絕對(duì)變化量表示。(23-22) A/D轉(zhuǎn)換器有多種型號(hào)的集成芯片可轉(zhuǎn)換器有多種型號(hào)的集成芯片可供選擇。如：高速的，高分辨率的，高供選擇。如：高速的，高分辨率的，高速且高精度的等等，使用者可根據(jù)任務(wù)速且高精度的等等，使用者可根據(jù)任務(wù)要求進(jìn)行選擇。要求進(jìn)行選擇。(23-23)ADC0809結(jié)構(gòu)框圖結(jié)構(gòu)框圖GNDAB

13、C8通通 道道 模模 擬擬 開開 關(guān)關(guān) 比較器比較器邏輯控制邏輯控制逐次逼近逐次逼近寄存器寄存器 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器地址鎖存地址鎖存 譯碼器譯碼器三態(tài)輸出鎖存器三態(tài)輸出鎖存器UDDUR(+)UR(-)D7D0D6D5D4D3D2D1IN7IN6IN5IN4IN3IN2IN1IN0 ALEEOCSTARTCLOCKEOUT地址鎖存地址鎖存=640kHz轉(zhuǎn)換結(jié)束轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出允許輸出允許清零清零轉(zhuǎn)換開始轉(zhuǎn)換開始(23-24)ADC 0809管腳分布圖管腳分布圖UR(-)BD4D0D2D7D6D5IN2IN1IN0 GNDD1ALEEOC STARTCLOCKD3 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7EOUTACUR (+)UDDADC 0809(23-25)UR(-)BD4D0D2D7D6D5IN2IN1IN0 GNDD1ALEEOC STARTCLOCKD3 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7EOUTACUR (+)UDDADC 0809D0 D7數(shù)字量輸入數(shù)字量輸入IN0 IN7數(shù)字量輸