第11章數(shù)模模數(shù)轉(zhuǎn)換

第11章數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換11.1概述11.2數(shù)模轉(zhuǎn)換器11.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器1傳感器(溫度、壓力、流量等模擬量）A/D計(jì)算機(jī)（數(shù)字量）顯示器D/A執(zhí)行部件（模擬量控制）打印機(jī)11.1概述能夠?qū)⒛M量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC。能夠?qū)?shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的器件稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，簡稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC。ADC和DAC是溝通模擬電路和數(shù)字電路的橋梁，也可稱之為兩者之間的接口.2一、D/A轉(zhuǎn)換器的基本工作原理11.2數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器是將輸入的二進(jìn)制數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，以電壓或電流的形式輸出。31.權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器11.2數(shù)模轉(zhuǎn)換器二、D/A轉(zhuǎn)換器的主要電路形式權(quán)電阻雙向模擬開關(guān)數(shù)字量輸入模擬量輸出運(yùn)算放大器411.2數(shù)模轉(zhuǎn)換器權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC的原理分析當(dāng)di=1時(shí)，Si接到參考電壓UREF上；當(dāng)di=0時(shí)，Si接地。511.2數(shù)模轉(zhuǎn)換器運(yùn)算放大器總的輸入電流為運(yùn)算放大器輸出電壓為令RF=R/2，則611.2數(shù)模轉(zhuǎn)換器當(dāng)Dn=Dn-1…D0=0時(shí)，uO=0；當(dāng)Dn=Dn-1…D0=11…1時(shí)，。輸入一組數(shù)字量，得到了與之對應(yīng)的模擬量7分辨率用于表征D/A轉(zhuǎn)換器對輸入微小量變化的敏感程度。分辨率11.2數(shù)模轉(zhuǎn)換器1.分辨率三、D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)①D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級數(shù)－－可用輸入數(shù)字量的位數(shù)n表示D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率；②可用D/A轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比來表示分辨率。811.2數(shù)模轉(zhuǎn)換器2.轉(zhuǎn)換精度輸出模擬電壓的實(shí)際值與理想值之差，即最大靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。3.轉(zhuǎn)換速度

從輸入的數(shù)字量發(fā)生突變開始，到輸出電壓進(jìn)入與穩(wěn)定值相差±0.5LSB范圍內(nèi)所需要的時(shí)間，稱為建立時(shí)間tset。目前單片集成D/A轉(zhuǎn)換器（不包括運(yùn)算放大器）的建立時(shí)間最短達(dá)到0.1微秒以內(nèi)。4.溫度系數(shù)

在輸入不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化產(chǎn)生的變化量。一般用滿刻度輸出條件下溫度每升高1℃，輸出電壓變化的百分?jǐn)?shù)作為溫度系數(shù)。911.2數(shù)模轉(zhuǎn)換器四、8位集成DAC08328位輸入寄存器8位DAC寄存器8位D/A轉(zhuǎn)換器UREFIOUT2RfbAGNDVCCDGNDDI7~DI0CSWR1WR2XFERILELELEIOUT1&&&RFB

它由一個(gè)8位輸入寄存器、一個(gè)8位DAC寄存器和一個(gè)8位D/A轉(zhuǎn)換器三大部分組成。LE＝1，跟隨＝0，鎖存1011.2數(shù)模轉(zhuǎn)換器2.DAC0832引腳功能DI7～DI0：8位輸入數(shù)據(jù)信號。IOUT1：DAC輸出電流1。當(dāng)DAC鎖存器中為全1時(shí)，IOUT1最大（滿量程輸出）；為全0時(shí)，IOUT1為0。IOUT2：DAC輸出電流2。它作為運(yùn)算放大器的另一個(gè)差分輸入信號（一般接地）。滿足IOUT1+IOUT2＝滿量程輸出電流。Rfb：反饋電阻（內(nèi)已含一個(gè)反饋電阻）接線端。DAC0832中無運(yùn)放，且為電流輸出，使用時(shí)須外接運(yùn)放。芯片中已設(shè)置了Rfb，只要將此引腳接到運(yùn)放的輸出端即可。若運(yùn)放增益不夠，還須外加反饋電阻。ILE：輸入鎖存允許信號，高電平有效。

CS：片選信號，低電平有效。WR1：輸入數(shù)據(jù)選通信號，低電平有效。（上升沿鎖存）XFER：數(shù)據(jù)傳送選通信號，低電平有效。WR2：數(shù)據(jù)傳送選通信號，低電平有效。（上升沿鎖存）1111.2數(shù)模轉(zhuǎn)換器

任何導(dǎo)線都可以被理解成電阻，因此，盡管連在一起的“地”，其各個(gè)位置上的電壓也并非一致的，對于數(shù)字電路，由于噪聲容限較高，通常是不需要考慮“地”的形式的，但對于模擬電路而言，這個(gè)不同地方的“地”對測量的精度是構(gòu)成影響的，因此，通常是把數(shù)字電路部分的地和模擬部分的地分開布線，只在板中的一點(diǎn)把它們連接起來（通過0歐姆電阻）。DGND：數(shù)字地，是控制電路中各種數(shù)字電路的零電位。AGND：模擬地，是放大器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器中模擬電路的零電位。UREF：參考電壓輸入。一般此端外接一個(gè)精確、穩(wěn)定的電壓基準(zhǔn)源。UREF可在-10V至+10V范圍內(nèi)選擇。UCC：電源輸入端（一般取+5V～+15V）。123.DAC0832特性參數(shù)11.2數(shù)模轉(zhuǎn)換器分辨率：8位功耗：20mW4.DAC0832工作方式

當(dāng)ILE、CS和WR1同時(shí)有效時(shí)，輸入數(shù)據(jù)DI7～DI0進(jìn)入輸入寄存器；并在WR1的上升沿實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鎖存。當(dāng)WR2和XFER同時(shí)有效時(shí)，輸入寄存器的數(shù)據(jù)進(jìn)入DAC寄存器；并在WR2的上升沿實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鎖存。八位D/A轉(zhuǎn)換電路隨時(shí)將DAC寄存器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號（IOUT1+IOUT2）輸出。DAC0832的使用有雙緩沖器型、單緩沖器型和直通型三種工作方式。13DAC0832的三種工作方式11.2數(shù)模轉(zhuǎn)換器（b）單緩沖方式：此時(shí)只需一次寫操作，就開始轉(zhuǎn)換，提高了D/A的數(shù)據(jù)吞吐量。（a）雙緩沖方式：采用二次緩沖方式，可在輸出的同時(shí)，采集下一個(gè)數(shù)據(jù)，提高了轉(zhuǎn)換速度；也可在多個(gè)轉(zhuǎn)換器同時(shí)工作時(shí)，實(shí)現(xiàn)多通道D/A的同步轉(zhuǎn)換輸出。（c）直通方式：輸出隨輸入的變化隨時(shí)轉(zhuǎn)換。14A/D轉(zhuǎn)換是將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換過程通過取樣、保持、量化和編碼四個(gè)步驟完成。11.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器一、A/D轉(zhuǎn)換器的基本工作原理采樣保持量化編碼VIDO模擬量輸入數(shù)字量輸出15

模擬信號經(jīng)采樣后，在下一個(gè)采樣脈沖到來之前，應(yīng)暫時(shí)保持所取得的樣值脈沖幅度，以便進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因此，在取樣電路之后須加保持電路。11.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器①在采樣脈沖S(t)到來，VT導(dǎo)通，UI(t)向電容C充電，UO(t)＝US(t)＝UI(t)。－－采樣②采樣結(jié)束，VT截止，而電容C上電壓保持充電電壓UI(t)不變，直到下一個(gè)采樣脈沖到來為止。－－保持

場效應(yīng)管VT為采樣門，電容C為保持電容，運(yùn)算放大器為跟隨器，起緩沖隔離作用。取樣保持電路及輸出波形1.取樣和保持1611.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器1.并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器電壓比較器

U+≥U-時(shí)，Ci＝1；

U+＜U-時(shí)，Ci＝0。

1711.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器

并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器真值表1輸入模擬電壓寄存器狀態(tài)數(shù)字量輸出（編碼器輸入）（編碼器輸出）QQQQQQQ6543210ddd210uI15~()15)(15~15)(15~15)(15~15)(15~15)(15~15)(15~15)(~1033557799111113131UREFUREFUREFUREFUREFUREFUREFUREF00000011111111111110111001100110110111000100100000000100000001010011100101110111例如：uI＝4.2V，UREF＝6V。3.6V～4.4V則數(shù)字量輸出d2d1d0＝101。18①優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度很快，故又稱高速A/D轉(zhuǎn)換器。含有寄存器的A/D轉(zhuǎn)換器兼有取樣保持功能，所以它可以不用附加取樣保持電路。②缺點(diǎn)：電路復(fù)雜，對于一個(gè)n位二進(jìn)制輸出的并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器，需２n-1個(gè)電壓比較器和2n-1個(gè)觸發(fā)器。

因此，這種轉(zhuǎn)換器適用于高速，精度較低的場合。11.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)：19分辨率=1.分辨率分辨率指A/D轉(zhuǎn)換器對輸入模擬信號的分辨能力。從理論上講，一個(gè)n位二進(jìn)制數(shù)輸出的A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)能區(qū)分輸入模擬電壓的2n個(gè)不同量級，能區(qū)分輸入模擬電壓的最小差異為（滿量程輸入的1/2n）。11.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器三、A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)例如，A/D轉(zhuǎn)換器的輸出為12位二進(jìn)制數(shù)，最大輸入模擬信號為10V，則其分辨率為？202.轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間是指A/D轉(zhuǎn)換器從接到轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號開始，到輸出端獲得穩(wěn)定的數(shù)字信號所經(jīng)過的時(shí)間。

A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度主要取決于轉(zhuǎn)換電路的類型，不同類型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度相差很大。①雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最慢，需幾百毫秒左右；②逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度較快，需幾十微秒；③并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最快，僅需幾十納秒時(shí)間。11.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器2111.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器3.轉(zhuǎn)換誤差

它表示A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上輸出的數(shù)字量之間的差別。常用最低有效位的倍數(shù)表示。例如，轉(zhuǎn)換誤差≤，就表明實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上應(yīng)得到的輸出數(shù)字量之間的誤差小于最低位的半個(gè)字。例：某信號采集系統(tǒng)要求用一片A/D轉(zhuǎn)換集成芯片在1s內(nèi)對16個(gè)熱電偶的輸出電壓分?jǐn)?shù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。已知熱電偶輸出電壓范圍為0～25mV（對應(yīng)于0～450℃溫度范圍），需分辨的溫度為0.1℃，試問應(yīng)選擇幾位的A/D轉(zhuǎn)換器？解：分辨率=12位ADC的分辨率=故需選用13位A/D轉(zhuǎn)換器。2211.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器四、8位集成ADC08091.ADC0809特性參數(shù)分辨率：8位精度：8位轉(zhuǎn)換時(shí)間：100μs增益溫度系數(shù)：20ppm/℃輸入電平：TTL功耗：15mWADC0809是采用CMOS工藝制成的8位八通道逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。23②發(fā)出A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號START，在START的上升沿將SAR清0，轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志EOC變?yōu)榈碗娖?，在START的下降沿開始轉(zhuǎn)換；11.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器2.ADC0809工作原理④轉(zhuǎn)換結(jié)束后，EOC跳為高電平，在OE端輸入高電平，從而得到轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出。①輸入3位地址信號，在ALE脈沖的上升沿將地址鎖存，經(jīng)譯碼選通某一通道的模擬信號進(jìn)入比較器；③轉(zhuǎn)換過程在時(shí)鐘脈沖CLK的控制下進(jìn)行；24IN0～I(xiàn)N7：8路模擬電壓輸入。ADDC、ADDB、ADDA：3位地址信號。ALE：地址鎖存允許信號輸入，高電平有效。D7～D0（2-1～2-8）：8位二進(jìn)制數(shù)碼輸出。OE：輸出允許信號，高電平有效。即當(dāng)OE=1時(shí)，打開輸出鎖存器的三態(tài)門，將數(shù)據(jù)送出。UR(+)和UR(-)：基準(zhǔn)電壓的正端和負(fù)端。11.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器3.ADC0809引腳功能25CLK：時(shí)鐘脈沖輸入端。一般在此端加500kHz的時(shí)鐘信號。START：A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號，為一正脈沖。在START的上升沿將逐次比