任務4汽車數(shù)字電路與模擬電路的轉(zhuǎn)換

1、任務7.4 汽車模擬信號與數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換7.4.1 概述隨著數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展，在現(xiàn)代控制、自動檢測、科學實驗、軍事指揮等領(lǐng)域中，無不廣泛地采用數(shù)字電子計算機技術(shù)。這就需要首先將被處理的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送入計算機進行運算、處理；其次將處理的結(jié)果轉(zhuǎn)換為模擬量并為執(zhí)行機構(gòu)所接收。汽車在工作過程中，經(jīng)常需要將傳感器拾取的一些物理量如速度、溫度、壓力等模擬信號轉(zhuǎn)換為汽車ECU（電控單元），才能控制驅(qū)動裝置以實現(xiàn)對控制信號對象的控制。將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的過程稱為模/數(shù)（Analog to Digital）轉(zhuǎn)換，簡稱A/D轉(zhuǎn)換。實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的電路被稱之為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱ADC。把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為

2、模擬量的過程稱作數(shù)/模轉(zhuǎn)換，簡稱D/A轉(zhuǎn)換。 完成D/A轉(zhuǎn)換的電路被稱之為數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，簡稱DAC。以上過程的控制框圖如圖7-36所示。圖7-36 典型的數(shù)字控制系統(tǒng) 7.4.2 D/A轉(zhuǎn)換器1.實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的基本思想將二進制數(shù)ND(11001)B轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)。NDb4×24b3×23b2×22b1×21b0×20 1×241×230×220×211×20 數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合而成的，對于有權(quán)碼，每位代碼都有一定的權(quán)值，如能將每一位代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應的模擬量，然后，將這些模擬量相

3、加，即可得到與數(shù)字量成正比的模擬量，從而實現(xiàn)數(shù)字量與模擬量的轉(zhuǎn)換。由于構(gòu)成數(shù)字代碼的每一位都有一定的“權(quán)重”，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)重”轉(zhuǎn)換成相應的模擬量，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。2.R2R T型電阻D/A轉(zhuǎn)換器目前常用的D/A轉(zhuǎn)換器中有R2R T型電阻D/A轉(zhuǎn)換器、權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換器、全電流D/A轉(zhuǎn)換器、權(quán)電容D/A轉(zhuǎn)換器以及開關(guān)樹型D/A轉(zhuǎn)換器等幾種類型。以R2R T型電阻D/A轉(zhuǎn)換器為例，說明其轉(zhuǎn)換原理。T型電阻網(wǎng)絡的基本結(jié)構(gòu)如圖7-37所示。圖7-37 T型電阻網(wǎng)絡的基本結(jié)構(gòu)圖圖

4、7-40為一個四級的T型網(wǎng)絡。電阻值為R和2R的電阻構(gòu)成T型。由圖7-38中節(jié)點AA向右看的等效電阻值為R，而由BB，CC，DD各點向右看的等效電阻值也都是R，因此：i=i3=i=i2=i3=i1=i2=i0=i1=依此類推可推到n級。如圖7-38所示是T型網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器。圖7-38 T型網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器圖7-38中D0D3表示四位二進制輸入信號，D3為高位，D0為低位。VR是基準電壓。S0S3是四個電子模擬開關(guān)的示意圖，模擬開關(guān)S0S3分別受信號控制：當二進制代碼為0時，電子開關(guān)合到上方接地的一側(cè)；當二進制代碼為1時，電子開關(guān)合到下方運算放大器輸入的一側(cè)，該支路的電流成為運放輸入電流iK的

5、一部分，通過運算放大器進而將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號。由圖可知，因為求和放大器反相輸入端的電位始終接近于零，所以無論開關(guān)S0S3在何位置，都相當于接地，流過每個支路的電流也始終不變?？梢郧蟪鲞\算放大器的輸入電流iK為： 圖7-38中運放接成反相放大器的形式，又根據(jù)理想運放的“虛斷”的特性，其輸出電壓uo為： u0=-ikRf=-（D3×23+D2×22+D1×21+D0×20）由此可見輸出的模擬電壓正比于輸入的二進制數(shù)字信號。以此類推，對于n位D/A轉(zhuǎn)換器，則有u0=-（Dn-12n-1+Dn-22n-2+D121+D020） （7-9）T型網(wǎng)絡的輸出也可

6、以接至運算放大器的同相和反相兩個輸入端，如圖7-39所示。這種結(jié)構(gòu)也稱作倒T型電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器。圖7-39 倒T型網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器T型（或倒T型）電阻網(wǎng)絡的特點：電阻網(wǎng)絡中只有R、2R兩種阻值的電阻，給集成電路的設計和制作帶來了很大的方便，無論模擬開關(guān)狀態(tài)如何變化，各支路電流都直接流入地或者運放的虛地，電流值始終不變，因此不需要電流的建立時間；同時，各支路電流直接接至運放的輸入，它們之間不存在傳輸時間差。所有這些特點都有助于T型電阻網(wǎng)絡提高轉(zhuǎn)換速度，T型電阻網(wǎng)絡是目前D/A轉(zhuǎn)換中使用較多的一種。例7-1 如圖7-38所示電路中，若4位二進制數(shù)為1011，VR=15V，RF=R，求輸出電壓u

7、0的值解 由公式（7-9）可得 u0=-（D323+D222+D121+D020） =-（1×23+0×22+1×21+1×20） =-10.3125V3.常用的D/A轉(zhuǎn)換芯片D/A轉(zhuǎn)換器的類型很多。從輸入電路來說，一般的D/A轉(zhuǎn)換器都帶有輸入寄存器，與微機能直接連接；有的具有兩極鎖存器，使工作方式更加靈活。輸入數(shù)據(jù)一般為并行數(shù)據(jù)，也有串行數(shù)據(jù)。并行輸入的數(shù)據(jù)有8位、10位、12位等。從輸出信號來說，D/A轉(zhuǎn)換器的直接輸出是電流量，若片內(nèi)有輸出放大器，則能輸出電壓量，并能實現(xiàn)單極性或雙極性電壓輸出。 D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度較快，一般其電流建立時間為1s。

8、 有些D/A轉(zhuǎn)換器具有其它功能，如能輸出多路模擬量、輸出工業(yè)控制用的標準電流信號。典型的D/A轉(zhuǎn)換器如8位通用型DAC0832和12位的DAC1208，電壓輸出型的AD558和多路輸出型AD7528。DAC0832是8位分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片，它具有與微機連接簡單、轉(zhuǎn)換控制方便、價格低廉等特點，微機系統(tǒng)中得到廣泛的應用。如圖7-40是集成DAC0832的實物。 圖7-40 集成DAC0832實物DAC0832的管腳圖如圖7-44所示，結(jié)構(gòu)框圖如圖7-45所示，它由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位DAC轉(zhuǎn)換器及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。封裝為20腳雙列直插式。 DAC0832是美國國家半導體公

9、司生產(chǎn)的8位D/A芯片，共有20個引腳，如圖7-41所示。DAC0832的結(jié)構(gòu)框圖如圖7-42所示。圖7-41 DAC0832的管腳圖圖7-42 DAC0832的結(jié)構(gòu)框圖DAC0832主要引腳定義分別如下：D7D0。8位數(shù)字量輸入信號，其中D0為最低位，D7為最高位。ILE。輸入寄存器的允許信號，高電平有效。ILE信號和、共同控制選通輸入寄存器。當、均為低電平，而ILE為高電平時，輸入數(shù)據(jù)立即被送至8位輸入寄存器的輸出端。當上述三個控制信號中任一個無效時，輸入寄存器將數(shù)據(jù)鎖存，輸出端呈保持狀態(tài)。 。片選信號，輸入信號，低電平有效。當=0且ILE =1，=0時，才能將輸入數(shù)據(jù)存入寄存器。若=1，

10、輸入寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)被鎖存。輸入寄存器寫信號1，低電平有效。在和ILE均有效的條件下，=0允許寫入輸入數(shù)字信號。輸入寄存器寫信號2，低電平有效。=0且也為低電平時，用它將輸入寄存器的數(shù)字量傳到DAC寄存器，同時進入D/A轉(zhuǎn)換器開始轉(zhuǎn)換。 。數(shù)據(jù)傳送信號，低電平有效。用它來控制。IOUTl。電流輸出1。當DAC寄存器中全為“1”時，輸出電流最大，當DAC寄存器中全為“0”時，輸出電流最小。IOUT2。電流輸出2。它與IOUTl的關(guān)系是：IOUTI+IOUT2=常數(shù)Rfb。內(nèi)部反饋電阻引腳，該電阻在芯片內(nèi)，Rfb端可以直接接到外部運算放大器的輸出端。這樣，相當于將一個反饋電阻接在運算放大器的輸入端和

11、輸出端。VREF。參考電壓輸入端，可接正電壓，也可接負電壓，范圍為-10V+10V。Vcc。芯片電源。+5V+15V，典型值為+15V。AGND。模擬地。芯片模擬信號接地點。DGND。數(shù)字地。芯片數(shù)字信號接地點。4.D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標 （1）分辨率。分辨率用來描述輸出最小電壓的能力。它是指最小輸出電壓（對應的輸入數(shù)字量僅最低位為1）與最大輸出電壓（對應的輸入數(shù)字量各位全為1）之比。即分辨率=式中n表示數(shù)字量的位數(shù)。4位DAC的分辨率為0.067，8位DAC分辨率為0.0039?？梢?。位數(shù)越多，分辨率越小，分辨能力越強。有時也直接用DAC的位數(shù)表示分辨率，如8位、10位。2）轉(zhuǎn)換精度。轉(zhuǎn)

12、換精度是指輸出模擬電壓的實際值與理論值之差，即最大靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。（3）輸出電壓（電流）的建立時間。從輸入數(shù)字信號起，到輸出模擬電壓（電流）達到穩(wěn)定輸出值所需要的時間。10位或12位集成DAC的建立時間一般不超出1s。7.4.3 A/D轉(zhuǎn)換器 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）可分為直接ADC和間接ADC兩大類。在直接ADC中，輸入模擬信號直接被轉(zhuǎn)換成相應的數(shù)字信號，如逐次逼近型ADC、并行比較ADC、計數(shù)型ADC等，其特點是工作速度快，轉(zhuǎn)換精度容易保證。在間接ADC中，輸入模擬信號先被轉(zhuǎn)換成某種中間變量（頻率、時間等），然后再將中間變量轉(zhuǎn)換為最后的數(shù)字量，如單次積分型ADC、雙積分型ADC等，其特點是工資

13、速度較低，但轉(zhuǎn)換精度可以做得較高，抗干擾能力強，一般在測試儀表用得較多。1.逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器1）實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的基本思想逐次逼近轉(zhuǎn)換過程與用天平稱物重非常相似 。如圖7-43所示。mmin是砝碼的質(zhì)量，所用砝碼重量為8克、4克、2克和1克。mx是待測物體的質(zhì)量，設mx=13克。測量過程如表7-15所示。圖7-43 實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的基本思想的實例表7-15 測量過程順序所加砝碼質(zhì)量判斷比較結(jié)果第一次8 克砝碼總重 < 待測重量mx ，8克砝碼保留8 克第二次再加4克砝碼總重仍 <待測重量mx ，4克砝碼保留12 克第三次再加2克砝碼總重 > 待測重量mx ， 2克砝碼撤除

14、12 克第四次再加1克砝碼總重 待測重量mx， 1克砝碼保留13 克2）逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器基本原理將輸入模擬信號與不同的參考電壓進行多次比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量在數(shù)值上逐次逼近輸入模擬量，這就是逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器基本電路結(jié)構(gòu)框圖如圖7-44所示。它由順序脈沖發(fā)生器CP、逐漸逼近型寄存器、A/D轉(zhuǎn)換器DAC和電壓比較器四部分組成。其基本原理如下。（1）轉(zhuǎn)換開始前先將所有寄存器清零。（2）開始轉(zhuǎn)換以后，時鐘脈沖首先將寄存器最高位置成1，使輸出數(shù)字為1000。（3）這個數(shù)碼被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應的模擬電壓uo，送到比較器中與uI進行比較 若uIuo，說明數(shù)字過大了，

15、故將最高位的1清除。 若uIuo，說明數(shù)字還不夠大，應將這一位保留。（4）然后，再按同樣的方式將次高位置成1，并且經(jīng)過比較以后確定這個1是否應該保留。這樣逐位比較下去，一直到最低位為止。（5）比較完畢后，寄存器中的狀態(tài)就是所要求的數(shù)字量輸出。圖7-44 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)框圖如8位D/A轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)模擬電壓4.80V相當于數(shù)字量123的A/D轉(zhuǎn)換，具體過程如下。（1）當出現(xiàn)啟動脈沖時，逐次逼近寄存器清“0”；（2）當?shù)谝粋€CP脈沖到來，逐次逼近寄存器最高位d7置“1”，8位D/A轉(zhuǎn)換器輸入為10000000B，輸出u0為滿度的一半5V，即滿量值的128/255。若u0>uI，

16、比較器輸出低電平，控制電路使逐次逼近寄存器最高位d7置“0”（反之，置“1”）。（3）當?shù)诙€CP脈沖到來，逐次逼近寄存器d6位置“1”，D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量輸入為01000000B，輸出電壓為2.5V，u0< uI，比較器輸出高電平，將d6位的“1”保留（否則，將d6位置“0”)。（4）第三個CP時鐘脈沖來，又將d5位置“1”重復上述過程直到d0位置“1”，再與輸入比較。其模數(shù)轉(zhuǎn)換見表7-16所示。表7-16 8位D/A轉(zhuǎn)換器設定試探值輸出電壓u0u0與uI的比較結(jié)果100000005.0u0uI，d7=00010000002.5u0uI，d6=164011000003.75u0uI，

17、d5=164+32=96011100004.375u0uI，d4=164+32+16=112011110004.69u0uI，d3=164+32+16+8=120011111004.84u0uI，d2=064+32+16+8=120011110104.76u0uI，d1=164+32+16+8+2=122011110114.80u0uI，d0=164+32+16+8+2+1=1232.常用的ADC0808/0809芯片A/D轉(zhuǎn)換器的種類很多。按轉(zhuǎn)換原理分類，有逐次逼近式、雙積分式、并行式等。雙積分轉(zhuǎn)換精度高，轉(zhuǎn)換時間長，大約需要幾百毫秒。并行式轉(zhuǎn)換速度最高，能達到2G次，即轉(zhuǎn)換時間僅50 ns

18、，但價格昂貴，產(chǎn)品的分辨率不高。逐次逼近式兼顧了轉(zhuǎn)換速度和轉(zhuǎn)換精度，是應用廣泛的A/D轉(zhuǎn)換器。逐次逼近式的種類很多，分辨率從8位到16位，轉(zhuǎn)換時間從100s到幾微秒，精度有不同等級，有的轉(zhuǎn)換器內(nèi)部還常有多路模擬開關(guān)。常用的幾種A/D轉(zhuǎn)換器有8位通用型ADC0808/0809、12位的AD574A和雙積分型5G14433。 ADC0808/0809是8通道、8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，美國NS公司產(chǎn)品。其性能指標一般，價格低廉，便于與微機連接，因而應用十分廣泛 。 1）結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)換原理如圖7-45所示為ADC0808/0809的結(jié)構(gòu)框圖。ADC0808/0809由三部分組成：8路模擬量選通開關(guān)、8

19、位A/D轉(zhuǎn)換器和三態(tài)輸出數(shù)據(jù)鎖存器。 圖7-45 ADC0808/0809的結(jié)構(gòu)框圖ADC0808/0809允許8路模擬信號輸入，由8路模擬開關(guān)選通其中一路信號， 模擬開關(guān)受通道地址鎖存和譯碼電路的控制。當?shù)刂锋i存信號ALE有效時，3位地址CBA進入地址鎖存器，經(jīng)譯碼后使8路模擬開關(guān)選通某一路信號。 8位A/D轉(zhuǎn)換器為逐次逼近式，由256R電阻分壓器、樹狀模擬開關(guān)（這兩部分組成一個D/A變換器）、電壓比較器、逐次逼近寄存器、邏輯控制和定時電路組成。其基本工作原理是采用對分搜索方法逐次比較，找出最逼近于輸入模擬量的數(shù)字量。電阻分壓器需外接正負基準電源VREF（+）和VREF（-）。CLOCK端外

20、接時鐘信號。A/D轉(zhuǎn)換器的啟動由START信號控制。轉(zhuǎn)換結(jié)束時控制電路將數(shù)字量送入三態(tài)輸出鎖存器鎖存，并產(chǎn)生轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC。三態(tài)門輸出鎖存器用來保存A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，當輸出允許信號OE有效時，打開三態(tài)門，輸出A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。因輸出有三態(tài)門，便于與微機總線連接。 2）引腳功能圖7-46所示為ADC0808/0809的引腳圖。 各引腳功能說明如下。 （1）IN0IN7。IN0IN7是8路模擬輸入端。 （2）ALE。地址鎖存器允許信號輸入端。當它為高電平時， 地址信號進入地址鎖存器中。 （3）CLOCK。CLOCK是外部時鐘輸入端。時鐘頻率典型值為640 kHz，允許范圍為101280 kHz。時鐘頻率降低時，A/D轉(zhuǎn)換速度也降低。 （4）START。START 是A/D轉(zhuǎn)換信號輸入端。有效信號為一正脈沖。在脈沖上升沿，A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部寄存器均被清零，在其下降沿開始A/D轉(zhuǎn)換。 圖7-46 ADC0808/0809的引腳圖（5）EOC。EOC 是A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。在START信號上升沿之后1到8個時鐘周期內(nèi)，EOC變?yōu)榈碗娖?，標志著轉(zhuǎn)換器正在進行轉(zhuǎn)換