數(shù)模-模數(shù)轉(zhuǎn)換課件

1、第11章 模擬量與數(shù)字量的轉(zhuǎn)換在檢測、控制數(shù)字系統(tǒng)中，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量和將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量是必不可少的環(huán)節(jié)，其系統(tǒng)方框圖如下 被控對象微處理器ADCDAC系統(tǒng)方框圖檢測信號控制信號放大被控對象如溫度，壓力等物理量，經(jīng)傳感器檢測得到它們的模擬信號，將其進(jìn)行放大，然后送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后由微處理器對信號進(jìn)行處理。根據(jù)處理的結(jié)果，微處理器發(fā)出相應(yīng)的數(shù)字控制信號，再經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號去控制被控對象。 11.1數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC） 11.1.1 數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的轉(zhuǎn)換原理 數(shù)模轉(zhuǎn)換器有多種電路類型，其中T型電阻數(shù)模轉(zhuǎn)換是較常用的一種。

2、下圖是四位T型電阻轉(zhuǎn)換器原理圖，R和2R電阻構(gòu)成T形電阻網(wǎng)絡(luò)。S3、S2、S1、S0為模擬開關(guān)，其開關(guān)狀態(tài)分別受輸入的二進(jìn)制數(shù)字信號D3、D2、D1、D0控制。如D01時(shí)，模擬開關(guān)S0合向左邊，支路電流I0流向Ioutl；當(dāng)D00時(shí)，S0合向右邊，支路電流I0流向Iout2。運(yùn)算放大器A0為電流求和放大器，它對各位數(shù)字所對應(yīng)的電流求和，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓。UREF為高精度基準(zhǔn)電源。 A0+UREFIIout2 1 D0 D2 D1 D3 0Rf2R2R2R2R2RRRRS0S1S2S3UoI0I3I2I1Iout1四位T型電阻轉(zhuǎn)換器原理圖T型電阻DA轉(zhuǎn)換器的工作原理 由于運(yùn)算放大器的反相輸

3、入端為“虛地”，所以無論模擬開關(guān)接向左邊還是右邊，電阻2R接模擬開關(guān)一側(cè)的電位都為零，因此從UREF端看進(jìn)去的等效電阻為R。由此求得總電流IUREFR，各支路電流分別為 即每位支路電流與二進(jìn)制權(quán)值（23、22、21、20）成正比。當(dāng)每位開關(guān)合向左邊時(shí)，支路電流由Ioutl流出，開關(guān)合向右邊時(shí)，支路電流由Iout2流出。因此輸入不同的二進(jìn)制數(shù)時(shí)，流過Rf的電流Iout1的大小就不同，就可以得到大小不同的輸出電壓。對于輸入的任意四位二進(jìn)制數(shù)D3、D2、D1、D0，流過Rf的電流為Iout1I3D3I2D2I1D1I0D0 =運(yùn)算放大器的輸出電壓為 UoRfIout1 (23D3+22D2+21D1

4、+20D0)可見，輸出的模擬電壓與二進(jìn)制數(shù)字信號成正比。同理對于n位DA轉(zhuǎn)換器若取RfR，則Uo n-1Dn-1+2n-2Dn-2+-+21D1+20D0) 11.1.2 DA轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)分辨率定義為最小輸出電壓（對應(yīng)的輸入二進(jìn)制數(shù)為1）與最大輸出電壓（對應(yīng)的輸入二進(jìn)制數(shù)全為1）之比，即1.分辨率顯然位數(shù)越多，能分辨出的最小電壓越小。有時(shí)也直接用DA轉(zhuǎn)換器的位數(shù)表示分辨率，位數(shù)越多，分辨率越高。 通常用非線性誤差的大小表示DA轉(zhuǎn)換器的線性度。產(chǎn)生非線性誤差的原因是模擬開關(guān)導(dǎo)通的壓降，電阻網(wǎng)絡(luò)各阻值不盡相等等。 2.線性度 轉(zhuǎn)換器的精度是指輸出模擬電壓的實(shí)際值與理想值之差，其產(chǎn)生的原因是各模

5、擬開關(guān)的壓降不一定相等，各電阻阻值的偏差不可能做到完全一致。3.精度 從輸入數(shù)字信號起，到輸出電壓或電流達(dá)到穩(wěn)定值所需時(shí)間稱為建立時(shí)間。其建立時(shí)間主要取決于運(yùn)算放大器到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)所需時(shí)間。對于十位的單片集成DA轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間一般不超過1s。4.輸出電壓（或電流）的建立時(shí)間 除以上參數(shù)外DA轉(zhuǎn)換器還有功率消耗，溫度系數(shù)等技術(shù)指標(biāo)。 11.1.3 集成數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC） DAC0832是分辨率為8位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，它采用20腳雙列直插式封裝結(jié)構(gòu)，管腳排列如右圖。DAC08321234567891020191817161514131211DAC0832CSWR1AGNDDI1DI3DI2DI0DI

6、4DI5DI6DI7UREFRfBDGNDUCCXFERIout2Iout1ILEDAC0832管腳排列圖WR1WR2 DAC0832是電流輸出型芯片，其輸出端要外接運(yùn)算放大器，以便將輸出模擬電流轉(zhuǎn)換為模擬電壓。它的電路原理框圖如下圖所示。 AGNDDGNDILE8位輸入寄存器（1）8位輸入寄存器（2）8位DA轉(zhuǎn)換器11&UCCUREFIout2Iout1RfBCSDI0 DI7RDAC0832原理框圖WR1WR2XFERDAC0832是由8位輸入寄存器（1）、8位輸入寄存器（2）及一個(gè)8位DA轉(zhuǎn)換器三部分組成。 采用兩個(gè)8位寄存器的目的是使DA轉(zhuǎn)換器在對其寄存器的數(shù)字信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換的同時(shí)，輸入

7、寄存器又可以接收新的輸入數(shù)字信號，從而提高了轉(zhuǎn)換速度。各管腳功能如下：DI0DI7：8位數(shù)字量的輸入端。Iout1，Iou2：模擬電流輸出端。外接運(yùn)算放大器的反相輸入端與Iout1相連，外接運(yùn)算放大器的同相輸入端和Iout2相連。Iout1輸出電流為各權(quán)電流之和，與輸入的數(shù)字量成線性對應(yīng)關(guān)系。RfB：芯片內(nèi)部電阻R的引出端，外接運(yùn)算放大器的輸出端，作為運(yùn)算放大器的反饋電阻，也可根據(jù)需要外接電阻后再接運(yùn)算放大器的輸出端，R的另一端在芯片內(nèi)部接Iout1端。 UREF： 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)電源輸入端，取值范圍為10V 10V，如為單極性輸出，則輸出電壓在 0 UREF范圍內(nèi)變化。 UCC：電源輸入端，

8、電源電壓可在515V范圍內(nèi)選擇， 當(dāng)UCC15V時(shí)，工作狀態(tài)最佳。DGND：數(shù)字部分接地端。AGND：模擬部分接地端。在芯片內(nèi)數(shù)字地與模擬地是分開的，以免兩者之間的相互干擾，根據(jù)需要在芯片外部的適當(dāng)部分將兩者地線相連。5個(gè)輸入信號控制端：ILE：數(shù)據(jù)允許鎖存信號，高電平有效。 ：片選信號，低電平有效。當(dāng) 0，ILE1， 0時(shí)，允許輸入數(shù)據(jù)存入寄存器（1）。：寫入信號2，低電平有效。 ：傳送控制信號，低電平有效。當(dāng) 0， 及 0時(shí)， 數(shù)據(jù)由寄存器（1）送入寄存器（2），且進(jìn)入8位DA轉(zhuǎn)換部分進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 下圖是兩片DAC0832同時(shí)使用的接線方式。電路對控制信號的時(shí)序要求如下數(shù)據(jù)送到第一芯片寄存器

9、（1）數(shù)據(jù)同時(shí)送入兩個(gè)芯片的寄存器（2）轉(zhuǎn)換成模擬量輸出。數(shù)據(jù)送到第二芯片寄存器（1）WR1WR2時(shí)序圖XFER “1”Iout1Iout2RfBCSWR1DI0DI7DAC0832Iout1Iout2RfBDI0DI7DAC0832輸入控制信號譯碼器24線Uo1Uo2ILE“1”ILE兩片DAC0832同時(shí)使用的接線方式圖XFERCSXFERWR1WR2WR2 兩個(gè)DA轉(zhuǎn)換器的 信號由譯碼器的兩個(gè)輸出端提供。將兩個(gè)DA轉(zhuǎn)換器的 端接在一起，由譯碼器的第三個(gè)輸出端提供控制信號 。工作時(shí)，譯碼器根據(jù)它的輸入信號對兩個(gè)DA轉(zhuǎn)換器分別發(fā)出控制信號 ，從而分時(shí)地將要轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)輸入到兩個(gè)芯片的寄存器（1

10、）中，再由 信號，同時(shí)將兩個(gè)數(shù)據(jù)送入相應(yīng)芯片的寄存器（2）中，然后進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。 11.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC） 11.2.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的轉(zhuǎn)換原理 AD轉(zhuǎn)換器的種類繁多，按工作原理可分為：并聯(lián)比較型，雙積分型及逐次逼近型。并聯(lián)比較型轉(zhuǎn)換速度快，但精度不高；雙積分型轉(zhuǎn)換精度較高，抗干擾能力較強(qiáng)，但轉(zhuǎn)換速度慢；逐次逼近型的轉(zhuǎn)換速度較快，轉(zhuǎn)換精度高，故應(yīng)用較多。下面僅介紹逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。 逐次逼近型AD轉(zhuǎn)換器的工作原理如同天平稱重物，采用逐次逼近的方法使重物和砝碼相等。逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，一般由順序脈沖發(fā)生器、逐次逼近寄存器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和電壓比較器等幾部分組成，其原理圖如下圖。

11、ADC數(shù)碼產(chǎn)生控制電路電壓比較器結(jié)果輸出帶轉(zhuǎn)換電壓UA3位DACd0DFB3QCDFB2QCDFB1QCDFB0QC+UIFG3CPd1d2G6G8d2d1d0EG7C1G4G5G2G11逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器原理圖QQFA2SRCQQFA1SRCQQFA0SRC 逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路由下列幾部分組成： 它是由四個(gè)觸發(fā)器FB3FB2FB1FB0構(gòu)成的環(huán)形計(jì)數(shù)器，初態(tài)為QB3QB2QB1QB01000數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC的輸入是逐次逼近寄存器的輸出，輸出電壓UA送到電壓比較器的同相輸入端。（1） 逐次逼近寄存器 它由三個(gè)RS觸發(fā)器FA2FA1FA0組成，輸出是三位二進(jìn)制數(shù)d2d1d0（2） 順序脈

12、沖發(fā)生器（3）數(shù)模轉(zhuǎn)換器（4）電壓比較電路 運(yùn)算放大器C構(gòu)成電壓比較器，由它來比較輸入電壓UI（加在反相輸入端）與UA的大小，若UAUI則輸出端F為“1”；若UAUI，則輸出端F為“0”。輸出端F接至控制邏輯與門G3G2G1的輸入端。 （5） 控制邏輯門 它由G1G8組成，其中G1G5用來控制逐次逼近寄存器的輸出，G6G8用來控制d2d1d0的輸出。當(dāng)讀出控制端E1時(shí)，輸出d2d1d0二進(jìn)制數(shù)。 設(shè)DA轉(zhuǎn)換器的參考電壓UREF 10V，輸入模擬電壓UI6.8V。電路的轉(zhuǎn)換過程為：轉(zhuǎn)換開始前，F(xiàn)B3FB2FB1FB0的輸出QB3QB2QB1QB01000。在第一個(gè)時(shí)鐘脈沖CP的上升沿到來后，使逐

13、次逼近寄存器的輸出d2d1d0100，經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換輸出的模擬電壓為： UA （d222d121d020） 45V此時(shí)UIUA，則比較器C輸出F為“0”。同時(shí)在第一個(gè)時(shí)鐘脈沖CP的上升沿到來后，順序脈沖發(fā)生器右移一位，使QB3QB2QB1QB00100。第二個(gè)CP到來后， FA1被置1，由于原來的F=0，則FA2的1狀態(tài)被保留UA3位DACd0DFB3QCDFB2QCDFB1QCDFB0QC+UIFG3CPd1d2G6G8d2d1d0EG7C1G4G5G2G11逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器原理圖QQFA2SRCQQFA1SRCQQFA0SRC （否則FA2變?yōu)?）使d2d1d0110，經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換輸出模

14、擬電壓 UA 67.5V， 因?yàn)閁AUI，則比較器C輸出F為“1”，同時(shí)順序脈沖發(fā)生器右移一位，即QB3QB2QB1QB00010。當(dāng)?shù)谌齻€(gè)CP脈沖到來時(shí)，使FA0置1，由于原來的F=1，則FA1被置0，使d2d1d0101，此時(shí) UA （41）6.25V， UAUI，則比較器C輸出為0，同時(shí)順序脈沖發(fā)生器右移一位，這時(shí)Q3Q2Q1Q00001。當(dāng)?shù)谒膫€(gè)CP脈沖到來，F(xiàn)A0的1狀態(tài)被保留，使d2d1d0101保持不變，即為轉(zhuǎn)換結(jié)果。 若使E1，三個(gè)讀出與門打開，將d2d1d0送到輸出端。在第四個(gè)CP脈沖到來時(shí)，使Q3Q2Q1Q01000返回到原始狀態(tài)。完成了一次轉(zhuǎn)換。在這個(gè)例子中轉(zhuǎn)換誤差為6.

15、86.250.55V。轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多誤差越小。 其它類型的ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換器：模數(shù)轉(zhuǎn)換過后的數(shù)字量再做一次窄帶低通濾波處理。當(dāng)模擬量進(jìn)入轉(zhuǎn)換器后，先在調(diào)制器中做求積處理，并將模擬量轉(zhuǎn)為數(shù)字量，在這個(gè)過程中會產(chǎn)生一定的量化噪聲，這種噪聲將影響到輸出結(jié)果，因此，采用將轉(zhuǎn)換過的數(shù)字量以較低的頻率一位一位地傳送到輸出端，同時(shí)在這之間加一級低通濾波器的方法，就可將量化噪聲過濾掉，從而得到一組精確的數(shù)字量11.2.2 AD轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù) 分辨率通常以輸出的二進(jìn)制位數(shù)來表示，位數(shù)越多誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高，它說明AD轉(zhuǎn)換器對輸入信號的分辨能力。2. 轉(zhuǎn)換速度1. 分辨率用完成一次模數(shù)轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間來表示

16、，轉(zhuǎn)換時(shí)間是從接到轉(zhuǎn)換控制信號起，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字量輸出為止所需時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間越短，轉(zhuǎn)換速度越高，通常在幾十微秒左右。 相對精度是指實(shí)際的各個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)偏離理想特性的誤差，一般用最低有效位LSB表示。如相對精度1LSB，表明相對精度不大于最低有效位1。 3. 相對精度11.2.3 集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC0804是逐次逼近型8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，完成一次轉(zhuǎn)換時(shí)間為100s，轉(zhuǎn)換精度為1LSB，輸入電壓為05V。該芯片內(nèi)有輸出數(shù)據(jù)鎖存器，使輸出數(shù)據(jù)可以直接連接在CPU數(shù)據(jù)總線上。該芯片是20腳雙列直插式封裝，其腳管排列如右圖。1234567891020191817161514131211ADC0804

17、CSAGNDDB1DB3DB2DB0DB4DB5DB6DB7UREF/2DGNDUCCWRUIN(+)UIN()RDCLKRCLKADC0804管腳排列圖INTR 各管腳引線功能如下： DB0DB7：8位二進(jìn)制數(shù)字輸出端，可直接接在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線上。UIN()和UIN()：模擬信號輸入端，如果輸入電壓的變化范圍從0V5V，則輸入電壓加在UIN(+) 端，而UIN()端接地。UREF2：參考電壓端，是芯片內(nèi)所需的基準(zhǔn)電壓。輸入電壓的范圍可以通過調(diào)整UREF2管腳處的電壓加以改變，UREF2端電壓值應(yīng)是輸入電壓范圍的二分之一。 如輸入電壓范圍是0.5V4.5V， 則在UREF2端應(yīng)加2V的電壓，當(dāng)

18、輸入電壓是05V時(shí)，將UREF2端懸空，基準(zhǔn)電壓可由VCC經(jīng)內(nèi)部分壓得到。 UCC：電源電壓端，該芯片由5V電源提供。DGND、AGND：分別為數(shù)字地與模擬地端。CLK、CLKR：時(shí)鐘脈沖端，時(shí)鐘脈沖的頻率決定了芯片逐位比較的節(jié)拍。由于芯片內(nèi)部有時(shí)鐘發(fā)生器，只需在CLKR和CLK端外接電阻電容，如右圖所示，即可產(chǎn)生所需頻為f 的內(nèi)部時(shí)鐘脈沖。RC1234567891020191817161514131211ADC0804CSAGNDDB1DB3DB2DB0DB4DB5DB6DB7UREF/2DGNDUCCWRUIN(+)UIN()RDCLKRCLKADC0804時(shí)鐘接線圖INTR 若采用外部時(shí)

19、鐘，則可直接加在CLK端，不必接R、C元件。 ：片選信號，低電平有效。：寫入信號端，低電平有效。當(dāng) 0時(shí)讀入模擬量，當(dāng) 上升沿到來時(shí)啟動轉(zhuǎn)換。：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號端，低電平有效，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)產(chǎn)生結(jié)束信號 輸出，通知外部設(shè)備讀取結(jié)果。：讀出信號端，低電平有效。當(dāng) 0， 0時(shí)，讀取轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)，同時(shí) 自動變高電平。 數(shù)據(jù)輸出高阻態(tài)接通轉(zhuǎn)換時(shí)間RDINTR(輸出)ADC0804的工作時(shí)序CSWRADC0804的工作時(shí)序圖如下 LED+5V+5VRPUCCURFE/2UIN(+)UIN(-)GND單次脈沖CLK連續(xù)脈沖DB0DB7CSADC0804AD轉(zhuǎn)換器特性測試電路接線圖RDWR輸出端DB0DB7分別接

20、發(fā)光二極管LED，CLK端直接接連續(xù)脈沖，其頻率大于1KHZ。調(diào)節(jié)電位器 RP可獲得05V的輸入電壓，轉(zhuǎn)換的數(shù)字量可由發(fā)光二極管觀測到。 11.3 模擬開關(guān)及采樣保持電路在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中通常要對多路模擬量進(jìn)行采集，而且將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量要經(jīng)過采樣，保持，轉(zhuǎn)換三個(gè)步驟。對多路模擬量進(jìn)行采集可以用模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)；采樣、保持由采樣保持電路完成；轉(zhuǎn)換由AD轉(zhuǎn)換器完成。下面介紹一下模擬開關(guān)和采樣保持電路。11.3.1. 模擬開關(guān) 模擬開關(guān)通常由控制電路和開關(guān)電路兩部分組成，一般采用MOS場效應(yīng)晶體管或雙極型晶體管。由N溝道增強(qiáng)型MOS管T1和P溝道增強(qiáng)型MOS管T2構(gòu)成的傳輸門如右圖CPT1UoT2CPUiUDD傳輸門電路 輸入電壓Ui為010V。當(dāng)CP為10V（CP1）時(shí)，則 為0V（ 0）。設(shè)MOS管的柵極開啟電壓范圍為：2.1V3V。Ui為07V時(shí)，T1導(dǎo)通； Ui為310V時(shí)，T2導(dǎo)通。 所以當(dāng)CP1、Ui在0