数模与模数转换

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,23,章,模拟量和数字量的转换,在现代控制、通信及检测领域中，为提高系统的性能指标，对信号的处理广泛使用了数字计算机技术。,由于需要处理的信号往往是一些模拟量（由实际的对象转化而来，如温度、压力、位移、图像等），要使用计算机或数字仪表能识别和处理这些信号，必须要先把模拟信号转化为数字信号；而经过分析、处理后的数字输出量也往往需要转化为对实际对象的控制信号，即转化为执行机构可以接受的模拟信号。,这样能够将模拟信号转换为数字信号的电路为,“模数转换器（,A/D,）”,，而能够将数字信号转化为模拟信号的电路为,“数模转换器（,D/A,）”,因此，数,/,模与模,/,数转换器是计算机与外部设备的重要接口,也是数字测量和数字控制系统的重要部件,为确保系统处理结果的精确，要求数,/,模与模,/,数转换器具有足够的转换精度；要实现实时控制又要求数,/,模与模,/,数转换器有较快的转换速度，因此转换精度和转换速度是数,/,模与模,/,数转换器的重要指标,23.1,数模转换技术,构成数字量代码的每一位都有一定的,“权”,，,因此将每一位代码按其“权”转换成相应的模拟量，然后再将代表各位的模拟量相加即可得到与该数字量成正比的模拟量，这就是构成,D/A,转换器的基本思想,23.1.1,电路的组成,介绍最常用数模转换电路,倒,T,型电阻网络,D/A,低位,高位,当,D,为,“,1,”,时，,S,接到,U,R,S,电子开关,当,D,为,“,0,”,时，,S,接到地,S1,S0,S2,S3,2R,2R,2R,2R,2R,+,+,-,A,uo,R,F,D0,D1,D2,D3,0,0,U,R,（,基准电压）,2R,R,R,R,0,1,1,倒,T,型电阻网络,D/A,当,D=1,时，,T2,管饱和导通，,T1,管截止，则,S,与,a,点通,当,D=0,时，,T1,管饱和导通，,T2,管截止，则,S,被接地,电子开关电路,T1,T2,S,D,a,1,当,D,3,D,2,D,1,D,0,=0001,时,1.,求,V,A,U,R,（,基准电压）,2R,2R,2R,2R,2R,A,U,R,R,R,R,(b),求,V,A,电路,S1,S0,S2,S3,2R,2R,2R,2R,2R,A,D0,D1,D2,D3,0,0,R,R,R,0,0,1,(a),求开路电压,V,A,，将网络划分为,00,、,11,、,22,、,33,几个部分，先求得,00,部分的开路电压,求解,V,A,划分电路,2R,2R,2R,2R,2R,A,U,R,R,R,R,0,0,1,1,2,2,3,3,2R,2R,U,R,0,0,U,00,(a),(b),再求得,00,部分的等效电阻为,R,，得到,00,部分的等效电路如图,23-1,，再与,11,电路组合得到电路如图,23-2,R,0,0,U,00,图,23-1 00,部分等效电路,2R,R,1,1,U,11,R,图,23-2 11,部分等效电路,求,11,部分的等效电阻为,R,，开路电压为,同样的方法求得个部分电路开路电压,同样方法计算得出：这,4,个开路电压分别是对应电路数字位的权，对应关系见表,23-1,D3,D2,D1,D0,开路电压,0,0,0,1,0,0,1,0,0,1,0,0,1,0,0,0,表,23-1,数字位的权与开路电压对应关系,应用叠加原理将表,23-1,中的四个电压分量叠加，得开路电压,V,A,的公式。,V,A,=,显然，输出模拟电压的大小直接与输入二进制数的大小成正比，从而实现了数字量到模拟量的转换,在倒,T,型电阻网络,D/A,电路中，根据反相比例运算公式可得：,2.,转换原理,如取,R,F,=3R,对,n,位二进制数的转换，则,例,1,将数字量,1001,转化为模拟量，参考电压为,5V,，求运放输出电压,u,o,解：因为,所以,23.1.2 D/A,转换器的技术指标,1.,分辨率,分辨率用于表征,D/A,转换器对微小量变化敏感程度,输入数字量位数越多输出电压可分离的等级越多，分辨率越高,n,位,D/A,转换器的分辨率可以表示为,2.,精度,D/A,转换器实际输出与理想输出之间的误差,3.,线性度,线性度误差是,D/A,转换器实际输出与理想输出直线之间的误差,4.,建立时间,D/A,转换器完成一次转换所需要的时间,23.1.3 D/A,转换器,DAC0808,DAC0808,是常用的,D/A,转换器，它的电路符号如图。它的分辨率是,8,位，建立时间为,150ns,。该芯片可以与,TTL,和,CMOS,电路直接相连,DAC0808,符号,A,1,DAC0808,+U,CC,-U,EE,A,2,A,3,A,4,A,5,A,6,A,8,A,7,数字输入,+V,R,-V,R,GND,I,O,(,模拟输出,),补偿端,AD7520,是,10,位,D/A,转换器，内部倒,T,型网络，运放外接,23.1.4 D/A,转换器,AD7520,DAC0808,的电源,+U,CC,的范围,+4.5V+5.5V,、,-U,EE,的范围,-4.5V-16.5V,+,-,+,I,O1,GND,D,1,D,2,D,3,D,4,D,6,D,7,D,8,D,9,U,DD,D,5,1,2,3,4,5,6,7,8,I,O2,D,0,U,R,R,F,16,15,14,13,12,9,11,10,AD7520,的管脚和外接电路,23.2,模数转换技术,23.2.1,并行模数转换器,A/D,转换器根据其性能不同，类型也比较多,下面介绍两种,A/D,转换电路的原理和一种常用的集成电路组件，最后举例说明其应用,并行,A/D,转换器的优点是转换速度快，缺点是所需比较器数目多，电路结构见图,23-3,电路内部由三部分组成,:,分压器,、,比较器,和,编码器,4E/8,5E/8,6E/8,7E/8,+,+,-,u,i,E,R,R,R,R,R,R,R,R,A,G,F,E,C,D,B,3E/8,2E/8,E/8,模拟输入,D,2,D,1,D,0,数字输出,编,码,器,+,+,-,+,+,-,+,+,-,+,+,-,+,+,-,+,+,-,分压器由,8,个电阻,R,组成、比较器电路有,7,个开环运放比较器、编码器是一个,8/3,编码器,分压器的分压输出是比较器的参考电压,比较器的输出是编码器的输入，是数字量形式,图,23-3,并行比较型,A/D,并联比较,A/D,器逻辑状态关系表,0,0,0,A,B,C,D,E,F,G,D,2,D,0,D,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,0,0,0,0,1,1,1,1,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,0,0,0,比较器输入,E,u,i,7E/8,7E/8,u,i,6E/8,6E/8,u,i,5E/8,5E/8,u,i,4E/8,4E/8,u,i,3E/8,3E/8,u,i,2E/8,2E/8,u,i,1E/8,E/8,u,i,0,编码器输出,输入电压,u,i,例,2,某并联比较型,A/D,电路是,3,位的，,E=8V,，对于图示的模拟输入电压，从理论上给出输出数字量,采样脉冲,t,u,i,1,2,3,4,5,6,7,8,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,解：由已知条件,E=8V,知比较器的输入电压分别是,1,、,2,、,3,、,4,、,5,、,6,、,7V,由图看到模拟输入电压在第,1,次采样时是,3.6V,，由前面的,A/D,电路可以知道比较器输出,ABCDEFG=0000111,最后编码器输出,011,模拟输入电压,同样地，得到,10,次采样时的,A/D,转换结果如表,23-2,表,23-2,模拟输入电压和对应转换数字量,采样脉冲,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,模拟量,(V),3.6,4.9,5.9,6.4,6.8,6.3,5.5,5.2,5.5,5.9,数字量,011,100,101,110,110,110,100,100,100,100,23.2.2,逐次逼近型模数转换器,逐次逼近是较为普遍使用的,A/D,转换技术。转换速度快，转换时间固定,其工作原理可用天平秤重过程来说明。,若有四个砝码共重,15,克，每个重量分别为,8,、,4,、,2,、,1,克,设待秤重量,Wx,=,13,克,砝码重,结论,暂时结果,第,1,次,8,克,砝码总重,待测重量,Wx,，保留,8,克,第,2,次,4,克,砝码总重,待测重量,Wx,，放弃,12,克,第,4,次,1,克,砝码总重,=,待测重量,Wx,，保留,13,克,总结前面天,平秤重工作过程是,按重量由大到小逐次加上砝码,总砝码重量与待测重量比较后，如果较大则保留最后加的那个砝码，否则放弃,所有砝码都加过了，转换结束,逐次逼近型,A/D,转换器原理和上述砝码秤重过程相同,逐次逼近型,A/D,转换器电路结构图,顺序脉冲发生器,逐次逼近寄存器,D/A,转换器,电压,比较器,输出数字量,U,A,U,i,以一个,4,位逐次逼近型,A/D,为例，叙述其工作过程,逐次逼近寄存器,由四个触发器组成，由,顺序脉冲发生器,控制，由高位向低位逐次置“,1”,，每次置“,1”,后马上由,D/A,转换器转换为模拟量,U,A,，通过,电压比较器,比较,U,A,与,U,i,大小，如果,U,A,U,i,则保留最后的置“,1”,位，否则放弃。如此直到最低位也被置“,1”,、比较，转换结束,例,3,某逐次逼近型,A/D,电路是,4,位的，,U,R,=-8V,，输入模拟电压,U,I,=5.52V,，从理论上给出输出数字量,解：因为,第一次转换,D,3,D,2,D,1,D,0,=1000,第二次转换,D,3,D,2,D,1,D,0,=1100,第三次转换,D,3,D,2,D,1,D,0,=1010,第四次转换,D,3,D,2,D,1,D,0,=1011,四次转换结束,D,3,D,2,D,1,D,0,=1011,，有误差,0.02V,。所以输出数字量的位数决定了误差的大小。,23.2.3 A/D,转换器,ADC0804,ADC0804,是常用的,A/D,转换器，它是,8,位逐次逼近的工作方式，建立时间为,100us,。自带时钟,ADC0804,管脚图,18,17,A,2,4,A,1,ADC0804,+U,CC,AGND,A,3,A,4,A,5,A,6,A,8,A,7,数字输出,CLK IN,Vin+,Vin-,REF/2,CLK R,DGND,INTR,CS,RD,WR,1,2,3,6,7,9,20,8,10,5,19,11,16,15,14,13,12,模拟输入,ADC0804,管脚说明：,Vin+,和,Vin-,：模拟信号输入端。用以接受单极性、双极性和差模信号,A8A1,：数据输出端，有三态特性，能与微机总线相连,AGND,：模拟信号地,DGND,：数字信号地,CLK IN,：外电路提供时钟时脉冲输入端,CLKR,：内部时钟发生器外接电阻端,CS,：片选信号输入端，低电平有效,WR,：写信号输入端，低电平有效。,CS,、,WR,同时为低电平时，启动转换,RD,：读信号输入端，低电平有效。,CS,、,RD,同时为低电平时，可读取转换器输出数据,INTR,：转换结束输出信号，低电平有效。该信号常作为向微机系统发出的中断请求信号。,ADC0804,在使用时应注意：,转换时序,CS,、,WR,同时为低电平启动转换；,WR,上升沿后,100us,后模数转换结束；同时,INTR,自动变为低电平；若,CS,、,RD,同时为低电平，则数据锁存器三态门打开，数字信号送出,参考电压的调节,为保证转换精度，可以调节参考电压,V,REF,，以保证小信号输入时,ADC0804,芯片,8,位的转换精度,接地,模数、数模转换电路要特别注意地线的