《電子與電工技術(shù)》課件第15章

15.1概述

15.2數(shù)/模轉(zhuǎn)換器15.3模/數(shù)轉(zhuǎn)換器小結(jié)

習(xí)題

第15章數(shù)/模轉(zhuǎn)換與模/數(shù)轉(zhuǎn)換隨著數(shù)字技術(shù)特別是計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展與普及，在現(xiàn)代控制、通信及檢測領(lǐng)域中，對信號的處理廣泛采用了數(shù)字計算機(jī)技術(shù)。由于系統(tǒng)的實際處理對象往往都是一些模擬量(如溫度、壓力、位移、速度等)，要使計算機(jī)或數(shù)字儀表能識別和處理這些信號，必須首先把這些模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再經(jīng)單片機(jī)、可編程控制器(PLC)或其它計算機(jī)控制系統(tǒng)分析、處理后，將輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)的模擬信號，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其具體過程如圖15－1所示。15.1概述圖15－1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1．D/A轉(zhuǎn)換原理

D/A的作用是將輸入的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成與其成正比的模擬信號輸出(電壓或電流)。數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合起來表示的，為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，必須將每一位的代碼按其位權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字量成正比的總模擬量，從而實現(xiàn)數(shù)/模轉(zhuǎn)換。這就是組成D/A轉(zhuǎn)換器的基本指導(dǎo)思想。15.2數(shù)/模轉(zhuǎn)換器

D/A原理框圖如圖15－2所示。在D/A轉(zhuǎn)換過程中，輸入的數(shù)字信號是二進(jìn)制編碼，通過轉(zhuǎn)換，將該編碼按每位權(quán)的大小換算成相應(yīng)的模擬量，然后將代表各位數(shù)字的模擬量相加，得到的和就是與輸入的數(shù)字信號成正比的模擬量。圖15－2D/A原理框圖

2．倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器

D/A轉(zhuǎn)換器的種類很多，其中最為常用的是倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器。四位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖如圖15－3所示。S0～S3為模擬開關(guān)，R－2R電阻譯碼網(wǎng)絡(luò)呈倒

T形，運(yùn)算放大器A構(gòu)成求和電路。圖15－3倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器

可以求出倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A中流入求和放大器輸入端的電流IΣ為

設(shè)求和放大器反饋電阻Rf=R，則輸出電壓uo為將輸入數(shù)字量擴(kuò)展到n位，可得n位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器輸出模擬量與輸入數(shù)字量之間的一般關(guān)系式如下：

【例15－1】

已知8位二進(jìn)制DAC，當(dāng)輸入數(shù)字量D1=(01111111)2時，電路輸出模擬電壓為Uo1=4.6V。若輸入數(shù)字量D2=(10101010)2，則電路輸出模擬電壓Uo2是多少？

解由于DAC輸出的模擬量與輸入的數(shù)字信號成正比，且D1=(01111111)2=127，D2=(10101010)2=170，所以

得Uo2=6.16V。

3．DAC的主要性能指標(biāo)

1)分辨率

分辨率是指對輸出電壓的分辨能力。分辨率定義為最小輸出電壓與最大輸出電壓之比。

DAC的分辨率與其位數(shù)n有關(guān)，隨輸入數(shù)字信號位數(shù)的增多，DAC的分辨率相應(yīng)提高。

2)轉(zhuǎn)換精度

D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度分絕對精度和相對精度。絕對精度是指實際輸出模擬電壓值與理論計算值之差，通常用最小分辨電壓的倍數(shù)表示。相對精度是絕對精度與滿刻度輸出電壓(或電流)之比，通常用百分?jǐn)?shù)表示。

3)轉(zhuǎn)換時間

D/A轉(zhuǎn)換器從輸入數(shù)字信號起，到輸出電壓或電流達(dá)到穩(wěn)定值時所需要的時間，稱為轉(zhuǎn)換時間。它決定了D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度。

4．集成D/A轉(zhuǎn)換器

常用的CMOS開關(guān)倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的集成電路有DAC0832(8位)、AD7520(10位)、DAC1210(12位)和AK7546(16位高精度)等?，F(xiàn)以D/A轉(zhuǎn)換典型芯片DAC0832

芯片為例，介紹其結(jié)構(gòu)、特性及應(yīng)用方面的問題。圖15－4DAC0832的邏輯框圖及引腳排列

1．A/D轉(zhuǎn)換原理

將時間連續(xù)和幅值連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為時間離散、幅值也離散的數(shù)字量，A/D轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過采樣、保持、量化及編碼四個過程，如圖15－5所示。15.3模/數(shù)轉(zhuǎn)換器圖15－5A/D轉(zhuǎn)換原理圖

1)采樣和保持

采樣是將時間連續(xù)的模擬量轉(zhuǎn)換為時間上離散的模擬量，即獲得某時間點(diǎn)(離散時間)的模擬量值。

為使采樣后的信號能夠還原為模擬信號，根據(jù)取樣定理，采樣頻率fS必須大于或等于2倍輸入模擬信號的最高頻率fimax，即

fS≥2fimax

即兩次采樣時間間隔不能大于1/fS，否則將失去模擬輸入的某些特征。

圖15－6給出了采樣－保持電路的原理圖和經(jīng)采樣、保持后的輸出波形。圖中采樣電子開關(guān)S受采樣信號S(t)控制，定時地合上S，對保持電容CH充放電，因A1、A2接成電壓跟隨器，此時uo=ui。S打開時，保持電容CH因無放電回路而保持釆樣所獲得的輸入電壓，輸出電壓亦保持不變。圖15－6采樣－保持電路及輸入/輸出波形

2)量化與編碼

數(shù)字信號取值在時間上、幅度上均是離散變化的，所以數(shù)字信號的值必須是某個規(guī)定的最小數(shù)字單位的整數(shù)倍。為了將取樣保持后的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，還需對其進(jìn)行量化與編碼。量化方法有兩種：只舍不入法和有舍有入法。

(1)只舍不入法。

當(dāng)0≤uS＜Δ時，uS的量化值取0；

當(dāng)Δ≤uS＜2Δ時，uS的量化值取Δ；

當(dāng)2Δ≤uS＜3Δ時，uS的量化值取2Δ；依此類推。

可見采用只舍不入的量化方法，最大量化誤差近似為一個最小量化單位Δ。

(2)有舍有入法。

當(dāng)0≤uS＜Δ時，uS的量化值取0；

當(dāng)Δ≤uS＜Δ時，uS的量化值取Δ；

當(dāng)Δ≤uS＜Δ時，uS的量化值取2Δ；

依此類推。

2．逐次逼近型ADC

A/D轉(zhuǎn)換器的功能是將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成一組多位的二進(jìn)制數(shù)字輸出。逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率較高、誤差較低、轉(zhuǎn)換速度較快，在一定程度上兼顧了以上兩種轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)，因此得到普遍應(yīng)用。

4位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的邏輯電路如圖15－7所示。圖15－7逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的邏輯電路示意圖

【例15－2】

在4位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，D/A轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓UR=10V，輸入的模擬電壓ui=7.2V，試說明逐次比較的過程，并求出最后的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

解逐次比較過程可列表如表15－1所示。表15－1比較過程表

3．集成模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809

常用的集成逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器有ADC0808/0809系列(8)位、AD575(10位)、AD574A(12位)等，讀者可根據(jù)自己的要求參閱手冊進(jìn)行選擇。這里只介紹最常見的一種

集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809。

ADC0809是采用CMOS工藝制成的8位8通道單片A/D轉(zhuǎn)換器，采用逐次比較型ADC，適用于分辨率較高而轉(zhuǎn)換速度適中的場合。其引腳排列圖如圖15－8所示，地址譯碼器真值表見表15－2。圖15－8ADC0809引腳排列圖

表15－2ADC0809地址譯碼器真值表

4．ADC的主要指標(biāo)

1)分辨率

分辨率是指引起輸出二進(jìn)制數(shù)字量最低有效位變動一個數(shù)碼時，對應(yīng)輸入模擬量的最小變化量。小于此最小變化量的輸入模擬電壓，不會引起輸出數(shù)字量的變化。

2)相對精度

在理想情況下，所有的轉(zhuǎn)換點(diǎn)應(yīng)當(dāng)在一條直線上。相對精度是指實際的各個轉(zhuǎn)換點(diǎn)偏離理想特性的誤差。

3)轉(zhuǎn)換速度

轉(zhuǎn)換速度是指A/D轉(zhuǎn)換器完成一次從模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換所需要的時間，即從轉(zhuǎn)換開始到輸出端出現(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)字信號所需要的時間。

【例15－3】

某信號采集系統(tǒng)要求用一片A/D轉(zhuǎn)換集成芯片對熱電偶的輸出電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。已知熱電偶輸出電壓的范圍為0～0.025V(對應(yīng)于0～500℃溫度范圍)，需要分辨的溫度為0.1℃，試問應(yīng)選擇多少位的A/D轉(zhuǎn)換器？

解對于0～500℃的溫度范圍，信號電壓范圍為0～0.025V，分辨的溫度為0.1℃，這相當(dāng)于的分辨率。12位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率為，所以必須選用13位的A/D轉(zhuǎn)換器。

5.選用原則

(1)類型合理：根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器在系統(tǒng)中的作用以及與系統(tǒng)中其他電路的關(guān)系進(jìn)行選擇，不但可以減少電路的輔助環(huán)節(jié)，還可以避免出現(xiàn)一些不易發(fā)現(xiàn)的邏輯與時序錯誤。

(2)轉(zhuǎn)換速度：三種應(yīng)用最廣泛的產(chǎn)品——并行型A/D轉(zhuǎn)換器的速度最高；逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的速度次之；雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的速度最慢，可根據(jù)系統(tǒng)的要求進(jìn)行選取。

(3)精度選擇：在精度要求不高的場合，選用8位A/D轉(zhuǎn)換器即可滿足要求，而不必選用更高分辨率的產(chǎn)品。

(4)功能選擇：盡量選用恰好符合要求的產(chǎn)品。多余的功能不但無用，還有可能造成意想不到的故障。

(1)D/A轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器是現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)中的重要組成部分，在計算機(jī)控制、快速檢測和信號處理等系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛。數(shù)字系統(tǒng)所能達(dá)到的精度和速度最終取決于

模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度。因此，轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度是模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的兩個最重要的指標(biāo)。小結(jié)

D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率用輸入二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)n表示，或者用最小輸出電壓(對應(yīng)的輸入二進(jìn)制數(shù)只有最低位為1)與最大輸出電壓(對應(yīng)的輸入二進(jìn)制數(shù)的所有位全為1)的比值

來表示。所以，D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率說明了對輸出電壓微小變化的敏感程度。

A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率用輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)n表示，能分辨的最小模擬電壓是最大輸入模擬電壓的。所以，A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率說明了轉(zhuǎn)換精度的高低。

(2)D/A轉(zhuǎn)換器的功能是將輸入的二進(jìn)制數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的模擬信號輸出。

(3)A/D轉(zhuǎn)換器的功能是將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成一組多位的二進(jìn)制數(shù)字輸出。不同的模/數(shù)轉(zhuǎn)換方式具有各自的特點(diǎn)，在不同的應(yīng)用場合，可選用不同類型的A/D轉(zhuǎn)換器。逐次逼近型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器還具有分辨率較高、轉(zhuǎn)換誤差較低、轉(zhuǎn)換速度較快等特點(diǎn)。

(4)不論是A/D轉(zhuǎn)換還是D/A轉(zhuǎn)換，基準(zhǔn)電壓Vref都是一個很重要的應(yīng)用參數(shù)，要理解基準(zhǔn)電壓的作用，尤其是在A/D轉(zhuǎn)換中，它的值對量化誤差、分辨率都有影響。一般應(yīng)按器

件手冊給出的電壓范圍取用，并且保證輸入的模擬電壓最大值不能大于基準(zhǔn)電壓值。15－1填空題：

(1)ADC是將

量轉(zhuǎn)換成

量的器件，DAC是將

量轉(zhuǎn)換成

量的器件。

(2)A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟包括

、

、

、

。(3)就逐次逼近型和雙積分型兩種A/D轉(zhuǎn)換器而言，

的干擾能力強(qiáng)，

的轉(zhuǎn)換速度快。

(4)DAC的主要參數(shù)有

，ADC的主要參數(shù)有

。習(xí)題15－2選擇題：

(1)D／A轉(zhuǎn)換器的分辨率取決于()。

A.輸入數(shù)字量的位數(shù)B.輸出模擬電壓uo的大小

C.基準(zhǔn)電壓Vref的大小D.輸出數(shù)字量的位數(shù)

(2)A/D轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換速度最高的是()。

A.雙積分型B.逐次逼近型C.并聯(lián)比較型

(3)D／A轉(zhuǎn)換電路N=8，基準(zhǔn)電壓Vref=5V，其最大輸出電壓約為()。

A.4.98VB.5.98V