第四章數(shù)據(jù)采集與控制2010

第四章數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換

傳感器(溫度、壓力、流量等模擬量）A/D計算機（數(shù)字量）顯示器D/A執(zhí)行部件（模擬量控制）打印機概述能夠?qū)⒛M量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC。能夠?qū)?shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的器件稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，簡稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC。ADC和DAC是溝通模擬電路和數(shù)字電路的橋梁，也可稱之為兩者之間的接口.ADC和DAC的應(yīng)用：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸入通道A/D轉(zhuǎn)換是將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換過程通過取樣、保持、量化和編碼四個步驟完成。模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器的基本工作原理采樣保持量化編碼VIDO模擬量輸入數(shù)字量輸出

取樣（也稱采樣）是將時間上連續(xù)變化的信號，轉(zhuǎn)換為時間上離散的信號，即將時間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為一系列等間隔的脈沖，脈沖的幅度取決于輸入模擬量。取樣和保持取樣過程采樣脈沖輸入模擬信號采樣輸出信號

模擬信號經(jīng)采樣后，得到一系列樣值脈沖。采樣脈沖寬度τ一般是很短暫的，在下一個采樣脈沖到來之前，應(yīng)暫時保持所取得的樣值脈沖幅度，以便進行轉(zhuǎn)換。因此，在取樣電路之后須加保持電路。①在采樣脈沖S(t)到來的時間τ內(nèi)，VT導(dǎo)通，UI(t)向電容C充電，假定充電時間常數(shù)遠小于τ，則有：UO(t)＝US(t)＝UI(t)。－－采樣②采樣結(jié)束，VT截止，而電容C上電壓保持充電電壓UI(t)不變，直到下一個采樣脈沖到來為止。－－保持

場效應(yīng)管VT為采樣門，電容C為保持電容，運算放大器為跟隨器，起緩沖隔離作用。取樣保持電路及輸出波形

輸入的模擬電壓經(jīng)過取樣保持后，得到的是階梯波。而該階梯波仍是一個可以連續(xù)取值的模擬量，但n位數(shù)字量只能表示2n個數(shù)值。因此，用數(shù)字量來表示連續(xù)變化的模擬量時就有一個類似于四舍五入的近似問題。量化和編碼

將采樣后的樣值電平歸化到與之接近的離散電平上，這個過程稱為量化。指定的離散電平稱為量化電平Uq

。用二進制數(shù)碼來表示各個量化電平的過程稱為編碼。兩個量化電平之間的差值稱為量化單位Δ，位數(shù)越多，量化等級越細，Δ就越小。取樣保持后未量化的Uo值與量化電平Uq值通常是不相等的，其差值稱為量化誤差ε，即ε=Uo-Uq。量化的方法一般有兩種：只舍不入法和有舍有入法。1)只舍不入法

當(dāng)Uo的尾數(shù)＜Δ時，舍尾取整。這種方法ε總為正值，εmax＝Δ

。2)有舍有入法

當(dāng)Uo的尾數(shù)＜Δ/2時，舍尾取整；當(dāng)Uo的尾數(shù)≥Δ/2時，舍尾入整。這種方法ε可正可負，但是|ε

max|=Δ

/2?？梢姡恼`差要小。A/D轉(zhuǎn)換器有直接轉(zhuǎn)換法和間接轉(zhuǎn)換法兩大類。直接法是通過一套基準(zhǔn)電壓與取樣保持電壓進行比較，從而直接將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。其特點是工作速度高，轉(zhuǎn)換精度容易保證，調(diào)準(zhǔn)也比較方便。直接A/D轉(zhuǎn)換器有計數(shù)型、逐次比較型、并行比較型等。間接法是將取樣后的模擬信號先轉(zhuǎn)換成中間變量時間t或頻率f,然后再將t或f轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。其特點是工作速度較低，但轉(zhuǎn)換精度可以做得較高，且抗干擾性強。間接A/D轉(zhuǎn)換器有單次積分型、雙積分型等。A/D轉(zhuǎn)換器的主要電路形式1.并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器量化電平依據(jù)有舍有入劃分為7個電平。量化單位為Δ=(2/15)UREF量化誤差為|εmax|=(1/15)UREF電壓比較器

U+≥U-時，Ci＝1；

U+＜U-時，Ci＝0。

并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器真值表1輸入模擬電壓寄存器狀態(tài)數(shù)字量輸出（編碼器輸入）（編碼器輸出）QQQQQQQ6543210ddd210uI15~()15)(15~15)(15~15)(15~15)(15~15)(15~15)(15~15)(~1033557799111113131UREFUREFUREFUREFUREFUREFUREFUREF00000011111111111110111001100110110111000100100000000100000001010011100101110111例如：uI＝4.2V，UREF＝6V。3.6V～4.4V則數(shù)字量輸出d2d1d0＝101。①優(yōu)點：轉(zhuǎn)換速度很快，故又稱高速A/D轉(zhuǎn)換器。含有寄存器的A/D轉(zhuǎn)換器兼有取樣保持功能，所以它可以不用附加取樣保持電路。②缺點：電路復(fù)雜，對于一個n位二進制輸出的并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器，需２n-1個電壓比較器和2n-1個觸發(fā)器，編碼電路也隨n的增大變得相當(dāng)復(fù)雜。且轉(zhuǎn)換精度還受分壓網(wǎng)絡(luò)和電壓比較器靈敏度的限制。因此，這種轉(zhuǎn)換器適用于高速，精度較低的場合。并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的特點2.逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器原理圖①轉(zhuǎn)換開始前先將逐次逼近寄存器SAR清“0”；②開始轉(zhuǎn)換以后，第一個時鐘脈沖首先將寄存器最高位置成1，使輸出數(shù)字為100…0。這個數(shù)碼被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓uo，經(jīng)偏移Δ/2后得到uO′＝uO－Δ/2，并送到比較器中與uI′進行比較。若uI′＜uo′，說明數(shù)字過大，故將最高位的1清除置零；若uI′≥uo′，說明數(shù)字還不夠大，應(yīng)將這一位保留。③然后，按同樣的方法將次高位置成1，并且經(jīng)過比較以后確定這個1是保留還是清除。這樣逐位比較下去，一直到最低位為止。比較完畢后，SAR中的狀態(tài)就是所要求的數(shù)字量輸出。逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理：例：若UREF＝-4V，n＝4。當(dāng)采樣保持電路輸出電壓uI′=2.49V時，試列表說明逐次逼近型ADC電路的A/D轉(zhuǎn)換過程。解：量化單位為偏移電壓為Δ/2＝0.125V轉(zhuǎn)換的結(jié)果為：d3d2d1d0＝1010。3.雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器

雙積分型ADC的轉(zhuǎn)換原理是先將模擬電壓UI轉(zhuǎn)換成與其大小成正比的時間間隔T，再利用基準(zhǔn)時鐘脈沖通過計數(shù)器將T變換成數(shù)字量。

雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器原理工作過程1.初始化階段CR清零，S2閉合，電容放電2.第一次積分（經(jīng)過2n個脈沖后，即t=2n*Tc后，3.第二次積分雙積分A/D轉(zhuǎn)換器優(yōu)點首先，其轉(zhuǎn)換結(jié)果與時間常數(shù)RC無關(guān)，從而消除了由于斜波電壓非線性帶來的誤差，允許積分電容在一個較寬范圍內(nèi)變化，而不影響轉(zhuǎn)換結(jié)果。其次，由于輸入信號積分的時間較長，且是一個固定值T1，而T2正比于輸入信號在T1內(nèi)的平均值，這對于疊加在輸入信號上的干擾信號有很強的抑制能力。最后，這種A/D轉(zhuǎn)換器不必采用高穩(wěn)定度的時鐘源，它只要求時鐘源在一個轉(zhuǎn)換周期（T1+T2）內(nèi)保持穩(wěn)定即可。這種轉(zhuǎn)換器被廣泛應(yīng)用于要求精度較高而轉(zhuǎn)換速度要求不高的儀器中。分辨率=1.分辨率分辨率指A/D轉(zhuǎn)換器對輸入模擬信號的分辨能力。從理論上講，一個n位二進制數(shù)輸出的A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)能區(qū)分輸入模擬電壓的2n個不同量級，能區(qū)分輸入模擬電壓的最小差異為（滿量程輸入的1/2n）。A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)例如，A/D轉(zhuǎn)換器的輸出為12位二進制數(shù)，最大輸入模擬信號為10V，則其分辨率為

2.轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間是指A/D轉(zhuǎn)換器從接到轉(zhuǎn)換啟動信號開始，到輸出端獲得穩(wěn)定的數(shù)字信號所經(jīng)過的時間。

A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度主要取決于轉(zhuǎn)換電路的類型，不同類型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度相差很大。①雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最慢，需幾百毫秒左右；②逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度較快，需幾十微秒；③并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最快，僅需幾十納秒時間。3.轉(zhuǎn)換誤差

它表示A/D轉(zhuǎn)換器實際輸出的數(shù)字量和理論上輸出的數(shù)字量之間的差別。常用最低有效位的倍數(shù)表示。例如，轉(zhuǎn)換誤差≤。就表明實際輸出的數(shù)字量和理論上應(yīng)得到的輸出數(shù)字量之間的誤差小于最低位的半個字。例：某信號采集系統(tǒng)要求用一片A/D轉(zhuǎn)換集成芯片在1s內(nèi)對16個熱電偶的輸出電壓分數(shù)進行A/D轉(zhuǎn)換。已知熱電偶輸出電壓范圍為0～25mV（對應(yīng)于0～450℃溫度范圍），需分辨的溫度為0.1℃，試問應(yīng)選擇幾位的A/D轉(zhuǎn)換器？其轉(zhuǎn)換時間為多少？解：分辨率=12位ADC的分辨率=故需選用13位A/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換時間=模數(shù)轉(zhuǎn)換器舉例-8位集成ADC08091.ADC0809特性參數(shù)分辨率：8位精度：8位轉(zhuǎn)換時間：100μs增益溫度系數(shù)：20ppm/℃輸入電平：TTL功耗：15mWADC0809是采用CMOS工藝制成的8位八通道逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。②發(fā)出A/D轉(zhuǎn)換啟動信號START，在START的上升沿將SAR清0，轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志EOC變?yōu)榈碗娖?，在START的下降沿開始轉(zhuǎn)換；2.ADC0809工作原理④轉(zhuǎn)換結(jié)束后，EOC跳為高電平，在OE端輸入高電平，從而得到轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出。①輸入3位地址信號，在ALE脈沖的上升沿將地址鎖存，經(jīng)譯碼選通某一通道的模擬信號進入比較器；③轉(zhuǎn)換過程在時鐘脈沖CLK的控制下進行；IN0～IN7：8路模擬電壓輸入。ADDC、ADDB、ADDA：3位地址信號。ALE：地址鎖存允許信號輸入，高電平有效。D7～D0（2-1～2-8）：8位二進制數(shù)碼輸出。OE：輸出允許信號，高電平有效。即當(dāng)OE=1時，打開輸出鎖存器的三態(tài)門，將數(shù)據(jù)送出。UR(+)和UR(-)：基準(zhǔn)電壓的正端和負端。3.ADC0809引腳功能CLK：時鐘脈沖輸入端。一般在此端加500kHz的時鐘信號。START：A/D轉(zhuǎn)換啟動信號，為一正脈沖。在START的上升沿將逐次比較寄存器SAR清0，在其下降沿開始A/D轉(zhuǎn)換過程。EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志輸出信號。在START信號上升沿之后EOC信號變?yōu)榈碗娖?；?dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，EOC變?yōu)楦唠娖?。此信號可作為向CPU發(fā)出的中斷請求信號。

ADC0809與單片機的接口參數(shù)表時序D/A轉(zhuǎn)換器實質(zhì)上是一個譯碼器（解碼器）。一般常用的線性D/A轉(zhuǎn)換器，其輸出模擬電壓uO和輸入數(shù)字量Dn之間成正比關(guān)系。UREF為參考電壓。D/A轉(zhuǎn)換器的設(shè)計原理數(shù)模轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器是將輸入的二進制數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，以電壓或電流的形式輸出。uO＝DnUREF

將輸入的每一位二進制代碼按其權(quán)值大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將代表各位的模擬量相加，則所得的總模擬量就與數(shù)字量成正比，這樣便實現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。即：D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓uO，等于代碼為1的各位所對應(yīng)的各分模擬電壓之和。DAC的分類電壓輸出型（如TLC5620）

電壓輸出型DA轉(zhuǎn)換器雖有直接從電阻陣列輸出電壓的，但一般采用內(nèi)置輸出放大器以低阻抗輸出。直接輸出電壓的器件僅用于高阻抗負載，由于無輸出放大器部分的延遲，故常作為高速DA轉(zhuǎn)換器使用。

電流輸出型(如THS5661A)

電流輸出型DA轉(zhuǎn)換器很少直接利用電流輸出，大多外接電流—電壓轉(zhuǎn)換電路得到電壓輸出，后者有兩種方法：一是只在輸出引腳上接負載電阻而進行電流—電壓轉(zhuǎn)換，二是外接運算放大器。乘算型（如AD7533）

DA轉(zhuǎn)換器中有使用恒定基準(zhǔn)電壓的，也有在基準(zhǔn)電壓輸入上加交流信號的，后者由于能得到數(shù)字輸入和基準(zhǔn)電壓輸入相乘的結(jié)果而輸出，因而稱為乘算型DA轉(zhuǎn)換器。一位DA轉(zhuǎn)換器

D/A轉(zhuǎn)換器一般由數(shù)碼緩沖寄存器、模擬電子開關(guān)、參考電壓、解碼網(wǎng)絡(luò)和求和電路等組成。數(shù)模轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成數(shù)碼緩沖寄存器n位數(shù)控模擬開關(guān)解碼網(wǎng)絡(luò)n位數(shù)字量輸入模擬量輸出求和電路參考電壓n位D/A轉(zhuǎn)換器方框圖

數(shù)字量以串行或并行方式輸入，并存儲在數(shù)碼緩沖寄存器中；寄存器輸出的每位數(shù)碼驅(qū)動對應(yīng)數(shù)位上的電子開關(guān)，將在解碼網(wǎng)絡(luò)中獲得的相應(yīng)數(shù)位權(quán)值送入求和電路；求和電路將各位權(quán)值相加，便得到與數(shù)字量對應(yīng)的模擬量。1.權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC原理圖D/A轉(zhuǎn)換器的主要電路形式權(quán)電阻雙向模擬開關(guān)數(shù)字量輸入模擬量輸出權(quán)電阻的排列順序和權(quán)值的排列順序相反。運算放大器

集成運算放大器，作為求和權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)的緩沖，并將電流轉(zhuǎn)換為電壓輸出。權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC的原理分析

開關(guān)Si的位置受數(shù)據(jù)鎖存器輸出的數(shù)碼di控制：當(dāng)di=1時，Si將對應(yīng)的權(quán)電阻接到參考電壓UREF上；當(dāng)di=0時，Si將對應(yīng)的權(quán)電阻接地。虛短虛斷運算放大器總的輸入電流為運算放大器輸出電壓為令RF=R/2，則即：輸出的模擬電壓uO正比于輸入的數(shù)字量Dn，從而實現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC的原理分析因而uO的變化范圍是當(dāng)Dn=Dn-1…D0=0時，uO=0；當(dāng)Dn=Dn-1…D0=11…1時，。權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的特點①優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，電阻元件數(shù)較少；②缺點：阻值相差較大，制造工藝復(fù)雜。權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC的原理分析2.倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器數(shù)字量輸入模擬量輸出

電阻解碼網(wǎng)絡(luò)中，電阻只有R和2R兩種，并構(gòu)成倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)di=1時，相應(yīng)的開關(guān)Si接到求和點；當(dāng)di=0時，相應(yīng)的開關(guān)Si接地。但由于虛短，求和點和地相連，所以不論開關(guān)如何轉(zhuǎn)向，電阻2R總是與地相連。這樣，倒T型網(wǎng)絡(luò)的各節(jié)點向上看和向右看的等效電阻都是2R，整個網(wǎng)絡(luò)的等效輸入電阻為R。求和點倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器原理圖參考電壓UREF供出的總電流為：分流：流入求和點的各支路電流為：流入求和點的電流為：虛斷，運算放大器的輸出電壓為：倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的特點：

①優(yōu)點：電阻種類少，只有R和2R，提高了制造精度；而且支路電流流入求和點不存在時間差，提高了轉(zhuǎn)換速度。②應(yīng)用：它是目前集成D/A轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換速度較高且使用較多的一種，如8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832，就是采用倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)。令RF=R，則即：輸出的模擬電壓uO正比于輸入的數(shù)字量Dn，從而實現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。分辨率用于表征D/A轉(zhuǎn)換器對輸入微小量變化的敏感程度。分辨率

分辨率越高，轉(zhuǎn)換時對輸入量的微小變化的反應(yīng)越靈敏。而分辨率與輸入數(shù)字量的位數(shù)有關(guān)，n越大，分辨率越高。1.分辨率D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)①D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級數(shù)－－可用輸入數(shù)字量的位數(shù)n表示D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率；②可用D/A轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比來表示分辨率。05/75001010011100101110111vo/VD0002.轉(zhuǎn)換精度D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是指輸出模擬電壓的實際值與理想值之差，即最大靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。3.轉(zhuǎn)換速度

從輸入的數(shù)字量發(fā)生突變開始，到輸出電壓進入與穩(wěn)定值相差±0.5LSB范圍內(nèi)所需要的時間，稱為建立時間tset。目前單片集成D/A轉(zhuǎn)換器（不包括運算放大器）的建立時間最短達到0.1微秒以內(nèi)。4.溫度系數(shù)

在輸入不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化產(chǎn)生的變化量。一般用滿刻度輸出條件下溫度每升高1℃，輸出電壓變化的百分數(shù)作為溫度系數(shù)。數(shù)模轉(zhuǎn)換器舉例_8位集成DAC08321.DAC0832結(jié)構(gòu)框圖8位輸入寄存器8位DAC寄存器8位D/A轉(zhuǎn)換器UREFIOUT2RfbAGNDVCCDGNDDI7~DI0CSWR1WR2XFERILELELEIOUT1&&&RFB

它由一個8位輸入寄存器、一個8位DAC寄存器和一個8位D/A轉(zhuǎn)換器三大部分組成，D/A轉(zhuǎn)換器采用了倒T型R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)。LE＝1，跟隨＝0，鎖存DAC0832內(nèi)部原理2.DAC0832引腳功能DI7～DI0：8位輸入數(shù)據(jù)信號。IOUT1：DAC輸出電流1。當(dāng)DAC鎖存器中為全1時，IOUT1最大（滿量程輸出）；為全0時，IOUT1為0。IOUT2：DAC輸出電流2。它作為運算放大器的另一個差分輸入信號（一般接地）。滿足IOUT1+IOUT2＝滿量程輸出電流。Rfb：反饋電阻（內(nèi)已含一個反饋電阻）接線端。DAC0832中無運放，且為電流輸出，使用時須外接運放。芯片中已設(shè)置了Rfb，只要將此引腳接到運放的輸出端即可。若運放增益不夠，還須外加反饋電阻。ILE：輸入鎖存允許信號，高電平有效。

CS：片選信號，低電平有效。WR1：輸入數(shù)據(jù)選通信號，低電平有效。（上升沿鎖存）XFER：數(shù)據(jù)傳送選通信號，低電平有效。WR2：數(shù)據(jù)傳送選通信號，低電平有效。（上升沿鎖存）