模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換

第23章模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換23.1D/A轉(zhuǎn)換器23.2A/D轉(zhuǎn)換器第23章模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換本章要求1.了解D/A、A/D轉(zhuǎn)換的基本概念和轉(zhuǎn)換原理;2.了解D/A、A/D轉(zhuǎn)換常用芯片的使用方法。

模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器是計算機與外部設(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。

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A/D轉(zhuǎn)換器或ADC)；傳感器模擬控制模擬信號數(shù)字計算機數(shù)字控制數(shù)字信號ADCDAC

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D/A轉(zhuǎn)換器或DAC)23.1

D/A轉(zhuǎn)換器數(shù)–模轉(zhuǎn)換（D/A轉(zhuǎn)換器）的基本思想：

由于構(gòu)成數(shù)字代碼的每一位都有一定的“權(quán)”，因此為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，就必須將每一位代碼按其“權(quán)”轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后再將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D/A轉(zhuǎn)換器的基本思想。1.電路23.1.1T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器由數(shù)個相同的電路環(huán)節(jié)構(gòu)成，每個電路環(huán)節(jié)有兩個電阻和一個模擬開關(guān)。參考電壓存放四位二進制數(shù)最低位(LSB)最高位(MSB)模擬開關(guān)UO+–2RA+URS2S0S1S32R2R2R2Rd0d1d2d30RRR110++-ARF2R0011數(shù)碼寄存器Q0Q1Q2Q31.電路23.1.1T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器參考電壓最低位(LSB)最高位(MSB)各位的數(shù)碼控制相應(yīng)位的模擬開關(guān)，數(shù)碼為“1”時，開關(guān)接電源UR；為0時接“地”。模擬開關(guān)UO+–2RA+URS2S0S1S32R2R2R2Rd0d1d2d30RRR110++-ARF2R0011數(shù)碼寄存器Q0Q1Q2Q3存放四位二進制數(shù)2.轉(zhuǎn)換原理分析輸入數(shù)字量和輸出模擬電壓Uo之間的關(guān)系

T型網(wǎng)絡(luò)開路時的輸出電壓UA即是反相比例運算電路的輸入電壓。反相比例運算電路T型電子網(wǎng)絡(luò)2RA+URS2S0S1S32R2R2R2Rd0d1d2d30RRR110UO++-ARF2R0011+–2.轉(zhuǎn)換原理用戴維寧定理和疊加定理計算UAA+URS2S0S1S32R2R2R2Rd0d1d2d30RRR1102R0011最低位(LSB)最高位(MSB)1000對應(yīng)二進制數(shù)為00012.

轉(zhuǎn)換原理對應(yīng)二進制數(shù)為0001時，A2R2R2RRRRR等效電路如右下圖1122332R2R2R2RRRR2RURARA002.轉(zhuǎn)換原理對應(yīng)二進制數(shù)為0001時，等效電路如下RA同理：對應(yīng)二進制數(shù)為0010時，有同理：對應(yīng)二進制數(shù)為1000時，有同理：對應(yīng)二進制數(shù)為0100時，有AR2.轉(zhuǎn)換原理

T型網(wǎng)絡(luò)開路時的輸出電壓UA，即等效電源電壓UE。等效電阻為R等效電路如右圖RAUE2.轉(zhuǎn)換原理若輸入的是n位二進制數(shù)，則2RUO++-ARF+–RUE+–A2.轉(zhuǎn)換原理若取RF=3R，則

若輸入的是n位二進制數(shù)，則2RUO++-ARF+–RUE+–A倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DA轉(zhuǎn)換器分析輸入數(shù)字量和輸出模擬電壓uo之間的關(guān)系轉(zhuǎn)換原理倒T型解碼網(wǎng)絡(luò)UO2RABD+URS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0++-ARFd3d2d1d00RRRI3I1I0I01C110I2IR.UC=UR

/2UB=UR/4UA=UR/8UD

=UR即：由于解碼網(wǎng)絡(luò)的電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)匹配，則圖中各點(D、C、B、A)電位逐位減半。UO2RABD+URS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0++-ARFd3d2d1d00RRRI3I1I0I01C110I2IR因此，每個2R支路中的電流也逐位減半。即：

UO2RABD+URS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0++-ARFd3d2d1d00RRRI3I1I0I01C110I2IRUO2RABD+URS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0++-ARFd3d2d1d00RRRI3I1I0I01C110I2IR23.1.2D/A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。

1.分辨率

2.線性度通常用非線性誤差的大小表示D/A轉(zhuǎn)換器的線性度。把偏離理想的輸入－輸出特性的偏差與滿刻度輸出之比的百分?jǐn)?shù)定義為非線性誤差。

3.輸出電壓(電流)的建立時間例:十位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為從輸入數(shù)字信號起，到輸出電壓或電流到達穩(wěn)定值所需時間有時也用輸入數(shù)字量的有效位數(shù)來表示分辨率。通常D/A轉(zhuǎn)換器的建立時間不大于1S集成ADC芯片舉例AD7520各管腳功能：d0~d9：十位數(shù)字量的輸入端；IO1、IO2：電流輸出端；RF：反饋信號輸入端；UDD：電源接線端；GND：接地端。UR：參考電源，可正可負(fù)；URIO1IO2RFGNDd4AD752012345678161514131211109UDD+URd3d2d1d0d5d6d7d8d9UO++–AD7520的外引線排列及連接電路

DAC0832是八位的D/A轉(zhuǎn)換器,即在對其輸入八位數(shù)字量后，通過外接的運算放大器，可以獲得相應(yīng)的模擬電壓值。23.1.3

DAC0832D/A轉(zhuǎn)換器1)內(nèi)部簡化電路框圖DAC0832

簡化電路框圖八位寄存器輸入八位寄存器DAC八位轉(zhuǎn)換器UREFRFIout1Iout2AGNDUCCDGND&ILECSWR1WR2XFERD/AD7D0......11≥≥2)芯片管腳DAC

0832

管腳分布圖CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUREFRFDGNDILEXFERIout1Iout21234567891019181716151413121120片選信號，低電平有效寫入控制，低電平有效模擬地端D0~D7數(shù)字量輸入?yún)⒖茧妷狠斎攵薉AC0832

管腳分布圖CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUREFRFDGNDILEXFERIout1Iout21234567891019181716151413121120數(shù)字地端反饋電阻外接端CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUREFRFDGNDILEXFERIout1Iout21234567891019181716151413121120DAC0832管腳分布圖輸入鎖存允許信號，高電平有效芯片工作電壓輸入端

寫入控制端低電平有效，與配合使用XFERCSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUREFRFDGNDILEXFERIout1Iout21234567891019181716151413121120DAC0832管腳分布圖電流輸出端單極性輸出時。Iout2接模擬地

傳送控制端低電平有效，與WR2配合使用CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUREFRFDGNDILEXFERIout1Iout21234567891019181716151413121120DAC0832管腳分布圖23.2A/D轉(zhuǎn)換器

模–數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器的任務(wù)是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,它是模擬信號和數(shù)字儀器的接口。根據(jù)其性能不同，類型也比較多。

下面介紹逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換電路的原理和一種常用的集成電路組件。最后舉例說明其應(yīng)用。順序脈沖發(fā)生器逐次逼近寄存器DAC電壓比較器輸出數(shù)字量輸入電壓UiUA逐次逼近型模—數(shù)轉(zhuǎn)換器原理框圖23.2.1逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器

其工作原理可用天平秤重過程作比喻來說明。若有四個砝碼共重15克,每個重量分別為8、4、2、1克。設(shè)待秤重量Wx=13克，可以用下表步驟來秤量：28g+4g38g+4g+2g48g+4g+1g

18g8g<13g，12g<13g，14g>13g，13g＝13g，8g12g12g13g暫時結(jié)果砝碼重比較判斷順序保留保留撤去保留QF3SRRF2SQRF1SQRF0SQ&d3&d2&d1&d0讀出“與門”&&&&≥1≥1≥1d3d0E讀出控制端UiUA－＋∞△＋電壓比較器逐次逼近寄存器控制邏輯門時鐘脈沖五位順序脈沖發(fā)生器四位逐次逼近型模-數(shù)轉(zhuǎn)換器的原理電路四位D/A轉(zhuǎn)換器CQ4Q3Q2Q1Q0d2d11.轉(zhuǎn)換原理放哪一個砝碼砝碼是否保存(待轉(zhuǎn)換的模擬電壓)

順序脈沖發(fā)生器UI－＋＋數(shù)碼寄存器D/A轉(zhuǎn)換器uO控制邏輯時鐘清0、置數(shù)清0、置數(shù)CP(移位命令)“1”狀態(tài)是否保留控制端UA試探電壓2.轉(zhuǎn)換過程234

11000UA

<

UI6VUA

<

UI5.5V留去留留4VUA

>

UI5VUA

UI“1”留否d3d2d1d0UA(V)順序比較判斷110010101011例：UR=8V，UI=5.52VD/A轉(zhuǎn)換器輸出UA為正值轉(zhuǎn)換數(shù)字量10114+1+0.5=5.5V轉(zhuǎn)換誤差為–0.02V例：UR=8V，UI=5.52V若輸出為8位數(shù)字量轉(zhuǎn)換數(shù)字量10110001

4+1+0.5+0.03125=5.53125V轉(zhuǎn)換誤差為+0.01125V位數(shù)越多誤差越小逐次逼近轉(zhuǎn)換過程示意圖t0t1t310001100101010001011t2UA

>UIUA

<UI(轉(zhuǎn)換誤差:–0.02V)23.2.2A/D變換器的主要技術(shù)指標(biāo)1.分辨率

以輸出二進制數(shù)的位數(shù)表示分辨率。位數(shù)越多，誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高。2.轉(zhuǎn)換速度

完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時間，即從它接到轉(zhuǎn)換控制信號起，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字量輸出所需要的時間。3.相對精度實際轉(zhuǎn)換值和理想特性之間的最大偏差。

4.其它功率、電源電壓、電壓范圍等。

ADC0809八位A/D轉(zhuǎn)換器GNDCB

A－＋＋8通道模擬開關(guān)比較器邏輯控制逐次逼近寄存器

D/A轉(zhuǎn)換器地址鎖存譯碼器三態(tài)輸出鎖存器UDDUR(+)UR(-)D7D0D6D5D4D3D2D1IN7IN6IN5IN4IN3IN2IN1IN0

ALEEOCSTARTCLOCKEOUTADC0809管腳分布圖UR(-)

BD4D0D2D7D6D512345678910191817161514131211202524232221262728IN2IN1IN0GNDD1ALEEOCSTARTCLOCKD3IN3IN4IN5IN6IN7EOUTACUR(+)UDD23.2.2

雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器屬于電壓－時間變換的間接A/D轉(zhuǎn)換器。基本原理是將一段時間內(nèi)的輸入模擬電壓

Ui

和參考電壓UR通過兩次積分，變換成與輸入電壓平均值成正比的時間間隔,再變換成正比于輸入模擬信號的數(shù)字量。S1RS2CuA積分器CP_+