計算機組成之數(shù)模轉(zhuǎn)換

計算機組成之數(shù)模轉(zhuǎn)換第1頁，共28頁，2023年，2月20日，星期四模擬量與數(shù)字量模擬量(Analog)——連續(xù)變化的物理量數(shù)字量(Digit)——時間和數(shù)值上都離散的量模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADCDAC數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器第2頁，共28頁，2023年，2月20日，星期四

隨著計算機的飛速發(fā)展，其應用領(lǐng)域已越來越廣闊。計算機的應用，已不僅僅局限于數(shù)值計算，在信息處理、控制和通信等方面的應用也日趨深入。

在自動化領(lǐng)域中，常常采用微型計算機進行實時控制及數(shù)據(jù)處理，組成計算機的監(jiān)控系統(tǒng)。在各種自動控制和測量系統(tǒng)中，被控制或測量的參量往往是一些連續(xù)變化的物理量，如溫度、壓力、速度、高度、濃度、流量、電流、電壓等。眾所周知，計算機只能接收和處理數(shù)字量，因此，必須把這些模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，以便計算機接收處理。同樣，計算機輸出的也只能是數(shù)字信號，而大多數(shù)執(zhí)行機構(gòu)均不能直接接收數(shù)字信號，所以往往還需要將計算機加工處理后輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為模擬信號，去控制和驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。常把將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量的過程稱作模／數(shù)（A／D）轉(zhuǎn)換，將數(shù)字量轉(zhuǎn)化成模擬量的過程稱作數(shù)／模（D／A）轉(zhuǎn)換，完成相應轉(zhuǎn)換功能的器件稱為模／數(shù)轉(zhuǎn)換器（A／Dconverter

）和數(shù)／模轉(zhuǎn)換器（D／Aconverter

）。第3頁，共28頁，2023年，2月20日，星期四12.1模擬輸入輸出系統(tǒng)數(shù)字信號模擬信號現(xiàn)場信號1現(xiàn)場信號2現(xiàn)場信號n微型計算機放大器放大器放大器多路開關(guān)低通濾波傳感器低通濾波傳感器低通濾波傳感器A/D轉(zhuǎn)換器采樣保持器數(shù)字信號受控對象控制信號模擬信號D/A轉(zhuǎn)換器放大驅(qū)動電路…傳感器將各種現(xiàn)場的物理量測量出來并轉(zhuǎn)換成電信號（模擬電壓或電流）

放大器把傳感器輸出的信號放大到ADC所需的量程范圍低通濾波器用于降低噪聲、濾去高頻干擾，以增加信噪比多路開關(guān)把多個現(xiàn)場信號分時地接通到A/D轉(zhuǎn)換器采樣保持器周期性地采樣連續(xù)信號，并在A/D轉(zhuǎn)換期間保持不變第4頁，共28頁，2023年，2月20日，星期四這是一個典型的計算機控制系統(tǒng)組成框圖。

首先檢測被控對象的各種物理量，如果為非電量需要用傳感器將它轉(zhuǎn)換成電量信號，由傳感器輸出的信號通常是模擬信號，因而需要使用A／D轉(zhuǎn)換器把它轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，輸入到計算機中進行計算處理。輸出控制信號（數(shù)字量），經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換器變成模擬信號后，送到執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程或被控對象的控制。值得注意的是，如果計算機與生產(chǎn)過程現(xiàn)場的距離較遠，可用數(shù)字通信技術(shù)將圖13．1中的數(shù)字電信號通過有線或無線信道進行雙向遠距離傳輸。此時，A/D、D/A轉(zhuǎn)換器成為數(shù)字通信的編碼器、譯碼器的重要組成部分。由此可見，A／D、D／A轉(zhuǎn)換器在實際應用系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，它是計算機與模擬信號接口的關(guān)鍵部件。

第5頁，共28頁，2023年，2月20日，星期四事實上，在許多其它系統(tǒng)中，如通信、圖像處理、多媒體A／D、D／A轉(zhuǎn)換器也有著同樣的地位和作用。對計算機而言，外部物理世界的變量大多是模擬量，要對這些變量進行分析處理和控制，就存在著大量的模擬量輸入／輸出過程。所以，A／D、D／A轉(zhuǎn)換器已成為計算機接口技術(shù)中最常用的芯片之一，A／D、D／A接口成為微機應用系統(tǒng)中使用最為廣泛的一類接口。

由于集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，目前A／D、D／A轉(zhuǎn)換器已采用中、大規(guī)模集成電路，有單片集成、混合集成和模塊型等幾種結(jié)構(gòu)形式。隨著技術(shù)和工藝水平的提高，其性能在不斷地改進，且正在向標準化、系列化方向發(fā)展。目前，市場上轉(zhuǎn)換器種類繁多，從精度上分有8位、12位、16位等；從速度上分，有低、中、高、超高速；從傳輸方式上分串行、并行。有不少產(chǎn)品已具有并行接口的能力，可與微機直接相連。近年來，不少廠家生產(chǎn)了A／D、D／A插件板，使用起來非常方便。第6頁，共28頁，2023年，2月20日，星期四12.2D/A轉(zhuǎn)換器DAC數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器模擬量數(shù)字量第7頁，共28頁，2023年，2月20日，星期四D／A轉(zhuǎn)換器基本原理

D／A轉(zhuǎn)換器用于將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，它的輸入量是數(shù)字量D，輸出為模擬量VO。要求輸出量與輸入量成正比，即：其中VR為基準電壓在每次轉(zhuǎn)換過程中為常量)第8頁，共28頁，2023年，2月20日，星期四其中d0，d1，……dn為輸入的數(shù)字量代碼，n為輸入位數(shù)將輸入的每一位數(shù)字量轉(zhuǎn)換為與其權(quán)相應的模擬量，各位對應的模擬量相加則得到D／A轉(zhuǎn)換器的輸出，模擬輸出與數(shù)字量輸入成正比。一般的D／A轉(zhuǎn)換器都是根據(jù)這一原理設(shè)計的。

第9頁，共28頁，2023年，2月20日，星期四數(shù)字量→按權(quán)相加→模擬量1101B＝1×23＋1×22＋0×21＋1×20＝13第10頁，共28頁，2023年，2月20日，星期四D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖（1）Iout2Iout1RfbRfbVout+_I1S1D1c2RRI2S2D2b2RRI0S0D0d2R2RRI3S3D3a2RVREF電阻網(wǎng)絡(luò)基準電壓電子開關(guān)第11頁，共28頁，2023年，2月20日，星期四D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖（2）Iout2Iout1RfbRfbVout+_I1S1D1c2RRI2S2D2b2RRI0S0D0d2R2RRI3S3D3a2RVREF阻抗＝2R運算放大器虛地第12頁，共28頁，2023年，2月20日，星期四

D／A轉(zhuǎn)換器一般由電阻解碼網(wǎng)絡(luò)、模擬電子開關(guān)、基準電壓、運算放大器等組成.圖中每一位二進制數(shù)對應一個電阻及一個電子開關(guān)。T型電阻網(wǎng)絡(luò)中電阻只有兩種：R和2R。各節(jié)點電阻都接成T形，故稱T型電阻解碼網(wǎng)絡(luò)。電子開關(guān)受輸入數(shù)字量的數(shù)字代碼所控制，代碼為0時，開關(guān)接地，代碼為1時，開關(guān)接運算放大器虛地點第13頁，共28頁，2023年，2月20日，星期四從圖中不難看出，基準電壓流出的電流每經(jīng)過一個節(jié)點，電流減少一半，因為從各節(jié)點向左看和向上看的等效電阻都是2R。整個網(wǎng)絡(luò)的等效輸入電阻為R。第14頁，共28頁，2023年，2月20日，星期四D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖（3）Va＝VREFVb＝VREF/2Vc＝VREF/4Vd＝VREF/8I0＝Vd/2R＝VREF/（8×2R）I1＝Vd/2R＝VREF/（4×2R）I2＝Vd/2R＝VREF/（2×2R）I3＝Vd/2R＝VREF/（1×2R）第15頁，共28頁，2023年，2月20日，星期四D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖（4）Iout1＝I0＋I1＋I2＋I3

＝VREF/2R×（1/8＋1/4＋1/2＋1）Rfb＝RVout＝－Iout1×Rfb

＝－VREF×[（20＋21＋22＋23）/24]Vout＝－（D/2n）×VREF第16頁，共28頁，2023年，2月20日，星期四D/A轉(zhuǎn)換器性能參數(shù)

描述D／A轉(zhuǎn)換器性能的參數(shù)很多，下面僅介紹幾個常用的參數(shù)。正確地理解這些參數(shù)，對于在接口設(shè)計時，正確地選擇器件是非常重要和有益的。分辨率

分辨率指D／A轉(zhuǎn)換器所能產(chǎn)生的最小模擬量增量，是數(shù)字量最低有效位（LSB）所對應的模擬值。這個參數(shù)反映了D／A轉(zhuǎn)換器對模擬量的分辨能力第17頁，共28頁，2023年，2月20日，星期四精度

精度用于衡量D／A轉(zhuǎn)換器在將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量時，所得模擬量的精確程度。它表明了模擬輸出實際值與理想值之間的偏差。溫度靈敏度

這個參數(shù)表明D／A轉(zhuǎn)換器受溫度變化影響的特性第18頁，共28頁，2023年，2月20日，星期四A／D轉(zhuǎn)換器用于將模擬量轉(zhuǎn)換成相應的數(shù)字量。當外部的模擬量要輸入計算機進行處理時，必須將輸入模擬量通過A／D轉(zhuǎn)換接口送入計算機。A／D接口通常包括多路模擬開關(guān)、采樣保持電路和A／D轉(zhuǎn)換器等，如圖A／D轉(zhuǎn)換器原理第19頁，共28頁，2023年，2月20日，星期四第20頁，共28頁，2023年，2月20日，星期四模擬信號的采樣、量化和編碼

模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通常經(jīng)歷采樣、量化和編碼三個步驟第21頁，共28頁，2023年，2月20日，星期四1．采樣

采樣過程將時間連續(xù)的信號變成時間不連續(xù)的模擬信號。這個過程是通過模擬開關(guān)來實現(xiàn)的。模擬開關(guān)每隔一定的時間間隔一次，一個連續(xù)信號通過這個開關(guān)，就形成一系列的脈沖信號，稱為采樣信號。采樣過程如圖第22頁，共28頁，2023年，2月20日，星期四第23頁，共28頁，2023年，2月20日，星期四根據(jù)香農(nóng)采樣定理，如果采樣頻率f不小于隨時間變化的模擬信號f（t）的最高頻率fmax的2倍，即f≥2fmax，則采樣信號f（KT）包含了f（t）的全部信息，通過f（KT）可以不失真地恢復f（t）。因此，采樣定理規(guī)定了不失真采樣的頻率下限。在實際應用中常取f＝（5～10）fmax

第24頁，共28頁，2023年，2月20日，星期四2．量化

采樣后的信號雖然時間上不連續(xù)，但幅度仍然連續(xù)，仍為模擬信號，必須經(jīng)過量化，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，才能送入計算機。

第25頁，共28頁，2023年，2月20日，星期四量化過程即是進行A／D轉(zhuǎn)換的過程，A／D轉(zhuǎn)換將采樣后的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。圖為采樣信號，幅值在0～5之間。采用四舍五入的方法，進行量化處理，得到離散的量化值，幅度在0，1，2…5中取值。如圖所示。顯然，量化過程會引入誤差第26頁，共28頁，2023年，2月20日，星期四3．編碼

為了方便處理，通常將量化值進行二進制編碼，如圖所示。最大量化誤差為1／2LSB，對相同范圍的模擬量，編碼位數(shù)越多，量化誤差越小。對無正負區(qū)分的單極性信號，所有的二進制編碼位均表示其數(shù)值大小。對有正負的雙極性信號則必須有一位符號位表示其極性，通常有三種表示方法：

1）符號---數(shù)值法：與計算機的原碼表示法相同。

2）補碼：與計算機的補碼表示法相同。

3）偏移二進制碼：符號位特征與補碼相反，其余數(shù)值部分與補碼相同。這種編碼常用于雙極性模擬量的轉(zhuǎn)換。

第27頁，共28頁，2023年，2月20日，星期