微機(jī)原理課件5版第10章

《微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)》第5版第10章

模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換本章主要內(nèi)容:

§10.1概述

§10.2D/A轉(zhuǎn)換器

§10.3A/D轉(zhuǎn)換器§10.1

概述10.1.1一個(gè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)10.1.2采樣、量化和編碼10.1.3采樣保持器計(jì)算機(jī)構(gòu)成數(shù)據(jù)采集或過程控制系統(tǒng)時(shí)，要采集的外部信號(hào)或被控制對(duì)象的參數(shù)，往往是溫度、壓力、流量、聲音和位移等連續(xù)變化的模擬量。模擬量必須由A/D轉(zhuǎn)換器（AnalogtoDigitalConverter，ADC）變成數(shù)字量后，才能送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。計(jì)算機(jī)處理后的結(jié)果，要經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器（Digi-taltoAnalogConverter，DAC），轉(zhuǎn)換成模擬量后，才能顯示、描記或驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件，達(dá)到控制的目的。10.1.1一個(gè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)一個(gè)包含A/D和D/A的實(shí)時(shí)閉環(huán)控制系統(tǒng)若只有A/D轉(zhuǎn)換通道，便是一個(gè)多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)若只包含D/A轉(zhuǎn)換通路，就是一個(gè)程序控制系統(tǒng)模擬量輸入通路傳感器：將壓力、流量、速度等非電模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換成電流或電壓信號(hào)。放大器：用高輸入阻抗運(yùn)放將μV或mV量級(jí)的模擬信號(hào)放大到一定幅度（幾V）。濾波器：選取信號(hào)中一定頻率范圍內(nèi)的成分，去掉各種干擾和噪聲。多路模擬開關(guān)：切換多路輸入信號(hào)，使共用一個(gè)ADC，降低成本，減小體積和功耗。也可選用內(nèi)部有多路開關(guān)的ADC，如ADC0809。采樣保持器：信號(hào)較緩慢，可直接加到ADC；如變化較快，還要用采樣保持器來提高A/D的正確性?！?0.1

概述10.1.1一個(gè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)10.1.2采樣、量化和編碼10.1.3采樣保持器10.1.2采樣、量化和編碼模擬信號(hào)經(jīng)預(yù)處理后從多路開關(guān)輸出時(shí)，幅度已達(dá)到幾伏量級(jí)，還必須經(jīng)過采樣、量化和編碼過程才能成為數(shù)字量。1.

采樣和量化采樣：按相等的時(shí)間間隔t，從電壓信號(hào)上截取一個(gè)個(gè)離散的電壓瞬時(shí)值。量化：采集下來的電壓瞬時(shí)值的數(shù)字表示。量化只能達(dá)到一定精度。模擬信號(hào)的量化過程信號(hào)電壓被分成7層，每層含1V;每個(gè)采樣落在唯一的分層；根據(jù)分層決定它的量化數(shù)值;量化單位q：每個(gè)分層包含的電壓范圍;q越小,采樣精度越高。數(shù)字量編碼：數(shù)字量可用若干種代碼來編碼。圖中為3位二進(jìn)制編碼，即用000~111表示數(shù)字量0~7。采樣率fS：采樣間隔t的倒數(shù)，t越小，fS越高，即每秒采集的點(diǎn)數(shù)越多，數(shù)字信號(hào)越接近于原信號(hào)。分層數(shù)：必須是2n，如23=8，即n=3，n也是數(shù)字量的位數(shù)。分辨率n：A/D轉(zhuǎn)換器能分辨最小量化信號(hào)的能力，用位數(shù)n表示。實(shí)際ADC中，n常取8，10，12，16等。最大輸入電壓范圍：ADC允許的輸入電壓量程，例如05V，-5V+5V，10V等。參考電壓VR：轉(zhuǎn)換過程采用的電壓標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)用來設(shè)定ADC能轉(zhuǎn)換的電壓范圍，即指定它的實(shí)際量程（滿量程）。量化單位q：一個(gè)8位ADC，量程0~5V，分成28=256層，它能分辨的最小的量化信號(hào)電平即量化單位：q=電壓量程范圍/2n

=5.0V/256≈0.019V=19mV1LSB：q是數(shù)字量中最低位LSB=1時(shí)所對(duì)應(yīng)的電壓值，因而也稱為1LSB。2.編碼數(shù)字量編碼：經(jīng)采樣和量化后，模擬量數(shù)字量，數(shù)字量要用代碼表示。編碼的形式：如，二進(jìn)制碼、BCD碼、ASCII碼等。常用編碼形式：自然二進(jìn)制編碼，雙極性二進(jìn)制編碼。選定編碼方式：特定器件中編碼方式是固定的，有些器件可通過外部連線來選擇幾種編碼方式。自然二進(jìn)制碼量化過程將參考電壓VR設(shè)定的滿量程（FSR）電壓值分成2n等分，然后看采樣值落在哪個(gè)分層內(nèi)，便量化成相應(yīng)的數(shù)字量。因此輸入模擬量與滿量程的比值是小于1的小數(shù)。用二進(jìn)制小數(shù)形式表示數(shù)字量，即自然二進(jìn)制碼。n位自然二進(jìn)制碼表示一個(gè)小數(shù)N：N=d12-1+d22-2+…+dn2-n系數(shù)di=0或1，是二進(jìn)制小數(shù)中第i位上的數(shù)碼。2-n是小數(shù)各位上的加權(quán)。第1位加權(quán)最大為1/2（最高有效位MSB）；最右邊第n位加權(quán)最小為1/2n（最小有效位LSB），等于量化單位q。自然二進(jìn)制編碼的小數(shù)點(diǎn)不表示出來。例

二進(jìn)制小數(shù)0.110101記作110101，表示10進(jìn)小數(shù)： N=1×0.5+1×0.25+0×0.125 +1×0.0625+0×0.03125+1×0.015625=0.828125即二進(jìn)制碼110101表示的模擬量是滿量程的82.8125％假設(shè)：VR為參考電壓，即滿量程值，VX是實(shí)際模擬電壓值，則VX=VR×N當(dāng)VR=+10V，數(shù)字量110101表示模擬電壓：VX=10V×0.828125=8.28125V當(dāng)VR=+5V，數(shù)字量110101表示的模擬電壓為：VX=5V×0.828125=4.140625VADC的量程不同，同一個(gè)數(shù)字量所表示的模擬量大小也不一樣。通過改變參考電壓，可改變量程。若已知參考電壓VR和模擬電壓VX，也可以計(jì)算出VX的數(shù)字量N來。例如，當(dāng)VR=+5V，VX=1.0V時(shí)，VX的數(shù)字量為：N=VX/VR=1.0V/5.0V=0.2二進(jìn)制小數(shù)0.2=0.00110010，由于在機(jī)器中小數(shù)點(diǎn)不表示出來，所以用00110010或32H來表示VX的數(shù)字量。FSR=5V和10V時(shí)，4位二進(jìn)制小數(shù)碼的表示方法數(shù)字量全1（滿碼），等于FSR×(1-2-n)，比滿量程小1LSB。例如FSR=+5V，滿碼1111表示5V×(1-2-4)=4.6875V?！?0.1

概述10.1.1一個(gè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)10.1.2采樣、量化和編碼10.1.3采樣保持器10.1.3采樣保持器1.采樣過程

將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散信號(hào)的采樣過程的形象表示采樣過程模擬信號(hào)x(t)加到采樣器輸入端,采樣脈沖S(t)控制開關(guān)S的通斷。S合上,x(t)送到輸出端；S斷開,采樣器無輸出。采樣脈沖S(t)是周期Δ、寬度t0的矩形脈沖序列。采樣脈沖出現(xiàn)時(shí),S接通t0秒,其余時(shí)間斷開。結(jié)果,輸出寬度t0、周期Δ的脈沖序列x(nΔ),序列幅度被x(t)所調(diào)制,這個(gè)過程就是采樣。x(nΔ)序列即為采樣所得的離散模擬量。采樣率fS：離散量出現(xiàn)的重復(fù)頻率，fS=1/Δ。量化過程采樣器輸出的是特定時(shí)間點(diǎn)的信號(hào)幅值，依然是模擬量，須由ADC轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)認(rèn)識(shí)的數(shù)字量。模數(shù)轉(zhuǎn)換包含量化、編碼等操作，完成這些操作的時(shí)間即為模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)間tC。若在tC內(nèi)輸入信號(hào)變化量Δx很小，采樣過程引入的誤差可忽略不計(jì)。采樣開關(guān)就可制作在ADC內(nèi)部，ADC直接連到采樣器輸出端。若輸入信號(hào)變化速率較高，必須在采樣開關(guān)和A/D間加采樣保持器（SampleandHold,S/H）。采樣保持采樣