模擬量和數字量的轉換

第23章模擬量和數字量的轉換23.1D/A轉換器23.2A/D轉換器第23章模擬量和數字量的轉換本章要求1.了解D/A、A/D轉換的基本概念和轉換原理;2.了解D/A、A/D轉換常用芯片的使用方法。

模數與數模轉換器是計算機與外部設備的重要接口,也是數字測量和數字控制系統的重要部件。

將模擬量轉換為數字量的裝置稱為模數轉換器(簡稱A/D轉換器或ADC)；傳感器模擬控制模擬信號數字計算機數字控制數字信號ADCDAC

將數字量轉換為模擬量的裝置稱為數模轉換器(簡稱D/A轉換器或DAC)23.1

D/A轉換器數–模轉換（D/A轉換器）的基本思想：

由于構成數字代碼的每一位都有一定的“權”，因此為了將數字量轉換成模擬量，就必須將每一位代碼按其“權”轉換成相應的模擬量，然后再將代表各位的模擬量相加即可得到與該數字量成正比的模擬量，這就是構成D/A轉換器的基本思想。1.電路23.1.1T型電阻網絡D/A轉換器由數個相同的電路環(huán)節(jié)構成，每個電路環(huán)節(jié)有兩個電阻和一個模擬開關。參考電壓存放四位二進制數最低位(LSB)最高位(MSB)模擬開關UO+–2RA+URS2S0S1S32R2R2R2Rd0d1d2d30RRR110++-ARF2R0011數碼寄存器Q0Q1Q2Q31.電路23.1.1T型電阻網絡D/A轉換器參考電壓最低位(LSB)最高位(MSB)各位的數碼控制相應位的模擬開關，數碼為“1”時，開關接電源UR；為0時接“地”。模擬開關UO+–2RA+URS2S0S1S32R2R2R2Rd0d1d2d30RRR110++-ARF2R0011數碼寄存器Q0Q1Q2Q3存放四位二進制數2.轉換原理分析輸入數字量和輸出模擬電壓Uo之間的關系

T型網絡開路時的輸出電壓UA即是反相比例運算電路的輸入電壓。反相比例運算電路T型電子網絡2RA+URS2S0S1S32R2R2R2Rd0d1d2d30RRR110UO++-ARF2R0011+–2.轉換原理用戴維寧定理和疊加定理計算UAA+URS2S0S1S32R2R2R2Rd0d1d2d30RRR1102R0011最低位(LSB)最高位(MSB)1000對應二進制數為00012.

轉換原理對應二進制數為0001時，A2R2R2RRRRR等效電路如右下圖1122332R2R2R2RRRR2RURARA002.轉換原理對應二進制數為0001時，等效電路如下RA同理：對應二進制數為0010時，有同理：對應二進制數為1000時，有同理：對應二進制數為0100時，有AR2.轉換原理

T型網絡開路時的輸出電壓UA，即等效電源電壓UE。等效電阻為R等效電路如右圖RAUE2.轉換原理若輸入的是n位二進制數，則2RUO++-ARF+–RUE+–A2.轉換原理若取RF=3R，則

若輸入的是n位二進制數，則2RUO++-ARF+–RUE+–A倒T型電阻網絡DA轉換器分析輸入數字量和輸出模擬電壓uo之間的關系轉換原理倒T型解碼網絡UO2RABD+URS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0++-ARFd3d2d1d00RRRI3I1I0I01C110I2IR.UC=UR

/2UB=UR/4UA=UR/8UD

=UR即：由于解碼網絡的電路結構和參數匹配，則圖中各點(D、C、B、A)電位逐位減半。UO2RABD+URS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0++-ARFd3d2d1d00RRRI3I1I0I01C110I2IR因此，每個2R支路中的電流也逐位減半。即：

UO2RABD+URS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0++-ARFd3d2d1d00RRRI3I1I0I01C110I2IRUO2RABD+URS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0++-ARFd3d2d1d00RRRI3I1I0I01C110I2IR23.1.2D/A轉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/A轉換器的線性度。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轉換器的分辨率為從輸入數字信號起，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字量的有效位數來表示分辨率。通常D/A轉換器的建立時間不大于1S集成ADC芯片舉例AD7520各管腳功能：d0~d9：十位數字量的輸入端；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；URIO1IO2RFGNDd4AD752012345678161514131211109UDD+URd3d2d1d0d5d6d7d8d9UO++–AD7520的外引線排列及連接電路

DAC0832是八位的D/A轉換器,即在對其輸入八位數字量后，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

DAC0832D/A轉換器1)內部簡化電路框圖DAC0832

簡化電路框圖八位寄存器輸入八位寄存器DAC八位轉換器UREFRFIout1Iout2AGNDUCCDGND&ILECSWR1WR2XFERD/AD7D0......11≥≥2)芯片管腳DAC

0832

管腳分布圖CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUREFRFDGNDILEXFERIout1Iout21234567891019181716151413121120片選信號，低電平有效寫入控制，低電平有效模擬地端D0~D7數字量輸入參考電壓輸入端DAC0832

管腳分布圖CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUREFRFDGNDILEXFERIout1Iout21234567891019181716151413121120數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23.2A/D轉換器

模–數(A/D)轉換器的任務是將模擬量轉換成數字量,它是模擬信號和數字儀器的接口。根據其性能不同，類型也比較多。

下面介紹逐次逼近式A/D轉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。順序脈沖發(fā)生器逐次逼近寄存器DAC電壓比較器輸出數字量輸入電壓UiUA逐次逼近型?！獢缔D換器原理框圖23.2.1逐次逼近式A/D轉換器

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：28g+4g38g+4g+2g48g+4g+1g

18g8g<13g，12g<13g，14g>13g，13g＝13g，8g12g12g13g暫時結果砝碼重比較判斷順序保留保留撤去保留QF3SRRF2SQRF1SQRF0SQ&d3&d2&d1&d0讀出“與門”&&&&≥1≥1≥1d3d0E讀出控制端UiUA－＋∞△＋電壓比較器逐次逼近寄存器控制邏輯門時鐘脈沖五位順序脈沖發(fā)生器四位逐次逼近型模-數轉換器的原理電路四位D/A轉換器CQ4Q3Q2Q1Q0d2d11.轉換原理放哪一個砝碼砝碼是否保存(待轉換的模擬電壓)

順序脈沖發(fā)生器UI－＋＋數碼寄存器D/A轉換器uO控制邏輯時鐘清0、置數清0、置數CP(移位命令)“1”狀態(tài)是否保留控制端UA試探電壓2.轉換過程234

11000UA

<

UI6VUA

<

UI5.5V留去留留4VUA

>

UI5VUA

UI“1”留否d3d2d1d0UA(V)順序比較判斷110010101011例：UR=8V，UI=5.52VD/A轉換器輸出UA為正值轉換數字量10114+1+0.5=5.5V轉換誤差為–0.02V例：UR=8V，UI=5.52V若輸出為8位數字量轉換數字量10110001

4+1+0.5+0.03125=5.53125V轉換誤差為+0.01125V位數越多誤差越小逐次逼近轉換過程示意圖t0t1t310001100101010001011t2UA

>UIUA

<UI(轉換誤差:–0.02V)23.2.2A/D變換器的主要技術指標1.分辨率

以輸出二進制數的位數表示分辨率。位數越多，誤差越小，轉換精度越高。2.轉換速度

完成一次A/D轉換所需要的時間，即從它接到轉換控制信號起，到輸出端得到穩(wěn)定的數字量輸出所需要的時間。3.相對精度實際轉換值和理想特性之間的最大偏差。

4.其它功率、電源電壓、電壓范圍等。

ADC0809八位A/D轉換器GNDCB

A－＋＋8通道模擬開關比較器邏輯控制逐次逼近寄存器

D/A轉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(-)

BD4D0D2D7D6D512345678910191817161514131211202524232221262728IN2IN1IN0GNDD1ALEEOCSTARTCLOCKD3IN3IN4IN5IN6IN7EOUTACUR(+)UDD23.2.2

雙積分型A/D轉換器雙積分型A/D轉換器屬于電壓－時間變換的間接A/D轉換器?；驹硎菍⒁欢螘r間內的輸入模擬電壓

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字量。S1RS2CuA積分器CP_+