第九章模擬信號和數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換

第九章模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換第一節(jié)數(shù)模轉(zhuǎn)換器第二節(jié)模數(shù)轉(zhuǎn)換器

模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器是計算機與外部設(shè)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)第九章模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換第一節(jié)數(shù)模轉(zhuǎn)換器一、R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器

由AA、BB、CC、DD各點向右看的等效電阻都為R1、R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)電流:uo2RABD+URS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0++-ARFd3d2d1d00RRRI3I1I0I01C110I2IR當(dāng)二進制代碼為1時，開關(guān)合到運算放大器輸入一側(cè)，該支路電流成為運放輸入電流的一部分；當(dāng)二進制代碼為0時，開關(guān)合到接地的一側(cè)。2、R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換電路uo2RABD+URS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0++-ARFd3d2d1d00RRRI3I1I0I01C110I2IR例1:已知R-2R梯形網(wǎng)絡(luò)D∕A轉(zhuǎn)換器中R=RF=20kΩUR=10V，試分別求出4位和8位D∕A轉(zhuǎn)換器的輸出最小電壓、最大電壓。解：4位D∕A轉(zhuǎn)換器d3～d0＝0001時輸出最小電壓U0min；d3～d0＝1111時輸出最大電壓U0max

。同理8位D∕A轉(zhuǎn)換器在UR和RF相同條件下，D∕A轉(zhuǎn)換器位數(shù)越多，輸出最小電壓越小，輸出最大電壓越大。

二、

D/A轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)指最小輸出電壓和最大輸出電壓之比。

1.分辨率

2.轉(zhuǎn)換誤差（轉(zhuǎn)換精度）3.輸出電壓(電流)的建立時間例:十位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為有時也用輸入數(shù)字量的有效位數(shù)來表示分辨率。轉(zhuǎn)換誤差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。轉(zhuǎn)換誤差常用輸出滿刻度FSR的百分?jǐn)?shù)表示，也有用最低有效位的倍數(shù)來表示。

輸入由全0變?yōu)槿?或由全1變?yōu)槿?起，到輸出穩(wěn)定電壓(電流)所需的時間。1.無鎖存無放大器

三、集成D/A轉(zhuǎn)換器按其組成結(jié)構(gòu)(即功能模塊)，集成D∕A轉(zhuǎn)換器可分為以下三種類型：完整的集成D∕A轉(zhuǎn)換器包括4個功能模塊：輸入數(shù)據(jù)寄存器、D∕A轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)、模擬輸出放大器及參考電壓源。早期的產(chǎn)品只包含D/A轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)，如AD7520，其電路和圖9-2相似，但運算放大器是外接的。2.有鎖存無放大器具有數(shù)字輸入寄存器，使用時需外接運算放大器。如：DAC0832DAC0832簡化電路框圖八位寄存器輸入八位寄存器DAC八位轉(zhuǎn)換器UREFRFIout1Iout2AGNDUCCDGND&ILECSWR1WR2XFERD/AD7D0......11≥≥DAC0832結(jié)構(gòu)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)字量輸入?yún)⒖茧妷狠斎攵薉AC0832管腳分布圖CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUREFRFDGNDILEXFERIout1Iout21234567891019181716151413121120數(shù)字地端反饋電阻外接端CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUREFRFDGNDILEXFERIout1Iout21234567891019181716151413121120DAC0832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XFERCSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUREFRFDGNDILEXFERIout1Iout21234567891019181716151413121120DAC0832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CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUREFRFDGNDILEXFERIout1Iout21234567891019181716151413121120DAC0832管腳分布圖DAC0832工作方式(1)直通方式

(2)單緩沖方式

(3)雙緩沖器型方式

例如DAC82：是CMOS型有鎖存有放大的8位D/A轉(zhuǎn)換器。3.有鎖存有放大型近期生產(chǎn)的D/A轉(zhuǎn)換器，包含了輸入數(shù)據(jù)寄存器、D∕A轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)、模擬輸出放大器及參考電壓源4部分功能電路，可實現(xiàn)模擬電壓的單極性或雙極性輸出。第二節(jié)模數(shù)轉(zhuǎn)換器

模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量間接A/D轉(zhuǎn)換器：工作速度較低，但轉(zhuǎn)換精度較高，抗干擾能力強，在測量儀表中得到廣泛應(yīng)用。分為直接A/D轉(zhuǎn)換器和間接A/D轉(zhuǎn)換器兩大類直接A/D轉(zhuǎn)換器:工作速度高、轉(zhuǎn)換精度容易保證。如逐次逼近型、并行比較型、計數(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器等如單積分型A/D轉(zhuǎn)換器、雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器等一、逐次逼近型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(shè)待秤重量Wx=13克，可以用下表步驟來秤量：28g+4g38g+4g+2g48g+4g+1g

18g8g<13g，12g<13g，14g>13g，13g＝13g，8g12g12g13g暫時結(jié)果砝碼重比較判斷順序保留保留撤去保留2.轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換開始先將寄存器最高位預(yù)置1，輸出數(shù)字量為100…0，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓UΣ,并與輸入模擬電壓

UX比較,若UΣ<

UX

,最高位的1保留；若UΣ>

UX

，最高位定為0；再將寄存器的次高位預(yù)置1，按上述方法逐位比較下去，直到最低位為止。1結(jié)構(gòu)圖3.

轉(zhuǎn)換過程234

11000UΣ

<

UX6VUΣ

<

UX5.5V留去留留4VUΣ

>

UX5VUΣ

UX“1”留否d3d2d1d0UΣ(V)順序比較判斷110010101011例：UR=8V，UX

=5.52VD/A轉(zhuǎn)換器輸出UΣ為正值轉(zhuǎn)換數(shù)字量10114+1+0.5=5.5V轉(zhuǎn)換誤差為–0.02V例：UR=8V，UX

=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t0t1t310001100101010001011t2UΣ

>UXUΣ

<UX(轉(zhuǎn)換誤差:–0.02V)

ADC0809八位A/D轉(zhuǎn)換器GNDCB

A－＋＋8通道模擬開關(guān)比較器邏輯控制逐次逼近寄存器

D/A轉(zhuǎn)換器地址鎖存譯碼器三態(tài)輸出鎖存器UDDUR(+)UR(-)D7D0D6D5D4D3D2D1IN7IN6IN5IN4IN3IN2IN1IN0

ALEEOCSTARTCLOCKEOUTADC0809管腳分布圖UR(-)

BD4D0D2D7D6D512345678910191817161514131211202524232221262728IN2IN1IN0

GNDD1ALEEOCSTARTCLOCKD3IN3IN4IN5IN6IN7EOUTACUR(+)UDD二、雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器1.結(jié)構(gòu)圖

2.轉(zhuǎn)換過程(1)對輸入電壓UI積分階段(T1)UI>0,開關(guān)S1導(dǎo)通其他開關(guān)斷開，積分電路對輸入電壓UI積分:T1階段結(jié)束時積分器的輸出電壓(2)對參考電壓回積（T2）階段開關(guān)S2導(dǎo)通，其余斷開。積分電路對參考電壓（-UR）積分，使積分器的輸出回積到0?；胤e過程，T2階段的時間可由下式?jīng)Q定在T1和UR均為常數(shù)時，T2與成正比，實現(xiàn)了U/T的轉(zhuǎn)換。在T2階段結(jié)束時計數(shù)器所累計的計數(shù)N2正比于被測電壓在T1階段中的平均值

(3)清零與準(zhǔn)備（T3）階段

此階段要為本次轉(zhuǎn)換作收尾工作，并為下次轉(zhuǎn)換作好準(zhǔn)備。暫時關(guān)閉控制門G，計數(shù)器值N2送到鎖存器寄存；N2被鎖存后計數(shù)器清零,積分電容C完全放電。三、A/D變換器的主要技術(shù)指標(biāo)1.分辨率：