第二十三章模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換

1、第23章 模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換23.1 D/A轉(zhuǎn)換器23.2 A/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)

2、”，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。23.1.1 倒T型電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器參考電壓 各位的數(shù)碼控制相應位的模擬開關，數(shù)碼為“1”時，開關接運放反相輸入端；為 “0” 時接“地”。1. 電路模 擬開 關從基準電壓UR輸出的總電流固定不變2. 轉(zhuǎn)換原理運算放大器輸出的模擬電壓流入運算放大器的總電流若輸入 n 位二進制數(shù)若RF=R23.1.2 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術指標 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

3、/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數(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 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，可以獲得相應的模擬電壓值。23.1.3 DAC0832 D/A轉(zhuǎn)換器1. 內(nèi)部簡化電路框圖DAC 0832 簡化電路框圖2. 芯片管腳DAC 0832 管腳分布圖片選信號，低電平有效寫入控制，低電平有效模擬地端D0 D7數(shù)字

4、量輸入?yún)⒖茧妷狠斎攵薉AC 0832 管腳分布圖數(shù)字地端反饋電阻外接端DAC 0832 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XFERDAC 0832 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DAC 0832 管腳分布圖DA0832的典型應用單片機的地址線P2.7與XFER連接作為片選信號；D/A中兩級寄存器的寫信號均由單片機的WR端控制； 當P2.7為“0”選中DAC0832時，只要輸出WR控制信號， DAC8032就能完成數(shù)字量的輸入鎖存和D/A的輸出。當基準電壓是5V時，輸出電壓范

5、圍是05V。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；AD7520的外引線排列及連接電路A/D轉(zhuǎn)換8位電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器。I/V轉(zhuǎn)換可通過編程，利用數(shù)/模轉(zhuǎn)換器輸出特定波形。23.2 A/D轉(zhuǎn)換器 模 數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器的任務是將模擬量轉(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。最后舉例說明其應用。逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器原理框圖23.2.1 逐次逼近式

6、 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。設待秤重量Wx = 13克，可以用下表步驟來秤量：28 g + 4 g38 g + 4 g + 2 g48 g + 4 g + 1 g 18 g8g 13g ，12g 13g，13g 13g，8 g12 g12 g13g暫時結(jié)果砝 碼 重比 較 判 斷順 序保留保留撤去保留1. 轉(zhuǎn)換原理放哪一個砝碼砝碼是否保存2. 轉(zhuǎn)換過程234 11 0 0 0UA UI6V UA UI5VUA UI“1”留否d3 d2 d1 d0UA(V)順 序比 較 判 斷1 1 0 01 0 1 01 0

7、 1 1 例：UR= 8V，UI = 5.52VD/A轉(zhuǎn)換器輸出UA為正值轉(zhuǎn)換數(shù)字量1011 4+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)23.2.2 A/D 變換器的主要技術指標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

8、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 實際的各個轉(zhuǎn)換點偏離理想特性的誤差。 4.其它 功率、電源電壓、電壓范圍等。 ADC0809八位A/D轉(zhuǎn)換器ADC 0809管腳分布圖 B23.2.2 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。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的電路圖1. 電路圖A/D轉(zhuǎn)換器的工作波形圖2. 轉(zhuǎn)換原理(1) 轉(zhuǎn)換開始前 轉(zhuǎn)換信號uC=0,各觸發(fā)器清零,并使S2閉合,讓積分電路的電容C完全放電。 使uL=1，由控制電路將，S2斷開，并將S1接到輸入電壓端，積分電路開始對uI積分。積分輸出uA為負值，比較器輸出uC為1，開通CP控制門G，計數(shù)器開始計數(shù)。(2) 對輸入模擬電壓的積分A/D轉(zhuǎn)換器的工作波形圖2. 轉(zhuǎn)換