数模和模数转换器

概述 第8章数模和模数转换器 本章小结 A D转换器 D A转换器 8 1概述 主要要求 理解数模和模数转换器的概念和作用 一 数模和模数转换的概念和作用 数模转换即将数字量转换为模拟电量 电压或电流 使输出的模拟电量与输入的数字量成正比 实现数模转换的电路称数模转换器 Digital AnalogConverter 简称D A转换器或DAC 模数转换即将模拟电量转换为数字量 使输出的数字量与输入的模拟电量成正比 实现模数转换的电路称模数转换器 Analog DigitalConverter 简称A D转换器或ADC 为何要进行数模和模数转换 二 数模和模数转换器应用举例 主要要求 了解数模转换的基本原理 了解常用D A转换器的类型和主要参数 了解R 2R倒T形电阻网络D A转换器的电路与工作原理 8 1D A转换器 数 模转换就是将数字量转换成与它成正比的模拟量 数字量 D3D2D1D0 2 D3 23 D2 22 D1 21 D0 20 10 1101 2 1 23 1 22 0 21 1 20 10 模拟量 uo K D3 23 D2 22 D1 21 D0 20 10uo K 1 23 1 22 0 21 1 20 10 K为比例系数 一 数模转换的基本原理 指导思想 将数字量按权展开相加 即得到与数字量成正比的模拟量 组成 1 求和运算放大器 2 模拟开关 3 译码网络 4 基准电源 实现求和 通常接成反相比例求和 控制d 0或d 1时 求和电路的项数 用来实现2n 1 20 保证系数的一致性 要求精度高 D A转换器的种类很多 主要有 权电阻网络DAC T形电阻网络DAC倒T形电阻网络DAC 权电流DAC 8 1 2DAC的电路形式及工作原理 1 权电阻 权电阻DAC电路 当输入二进制数码中某一位Di 1时 开关Si接至基准电压UR 这时在相应的电阻Ri支路上产生电流 当Bi 0时 开关Si接地 电流ii 0 因此电流表达式应为 根据叠加原理 总的输出电流为 通过集成运算放大器 输出电压为 将代入则得 例如 UR 8V 输入八位二进制数码为11001011 则输出电压为 二 R 2R倒T形电阻网络DAC 模拟开关Si打向 1 侧时 相应2R支路接虚地 打向 0 侧时 相应2R支路接地 故无论开关打向哪一侧 倒T型电阻网络均可等效为下图 从A B C节点向左看去 各节点对地的等效电阻均为2R 可见 支路电流值Ii正好代表了二进制数位Di的权值2i 即I3 23I0 I2 22I0 I1 21I0 I0 20I0 u0 i RF DI0RF D i D3I3 D2I2 D1I1 D0I0 D323 D222 D121 D020 I0 DI0 n位DAC将参考电压VREF分成2n份 uO是每份的D倍 调节VREF可调节DAC的输出电压 三 常用DAC的类型和主要参数 一 常用DAC的类型 常用DAC主要有权电阻网络DAC R 2RT形电阻网络DAC R 2R倒T形电阻网络DAC和权电流网络DAC 其中 后两者转换速度快 性能好 因而被广泛采用 权电流网络DAC转换精度高 性能最佳 二 主要参数 1 分辨率 指D A转换器模拟输出所能产生的最小电压变化量与满刻度输出电压之比 例如 一个10位的DAC 分辨率为0 000978 DAC的位数越多 分辨率值就越小 能分辨的最小输出电压值也越小 3 转换时间 指DAC在输入数字信号开始转换 到输出的模拟信号达到稳定值所需的时间 转换时间越小 转换速度就越高 2 转换精度 指DAC实际输出模拟电压与理想输出模拟电压间的最大误差 它是一个综合指标 不仅与DAC中元件参数的精度有关 而且与环境温度 求和运算放大器的温度漂移以及转换器的位数有关 通常要求DAC的误差小于ULSB 2 常用的集成DAC有AD7520 DAC0832 DAC0808 DAC1230 MC1408 AD7524等 这里仅对DAC0832作简要介绍 1 D A转换器DAC0832DAC0832是CMOS工艺 8位D A转换器芯片 20脚双列直插封装 逻辑电平输入与TTL兼容 有三种工作方式 直通方式 单缓冲方式 双缓冲方式 可与单片机或微处理器直接接口 也可单独使用 8 1 3集成D A转换器及其应用 DAC0832D A转换器输出与输入的关系 设VREF 10V 2 DAC0832的应用 DAC0832的应用有三种工作方式 直通方式 单缓冲方式 双缓冲方式 1 直通方式 2 单缓冲方式 单缓冲方式适用于只有一路模拟量输出或几路模拟量不需要同时输出的场合 3 双缓冲方式 双缓冲方式适用于系统同时使用几个0832 它们共用数据线 并要求几个0832同时输出的场合 双缓冲方式连接 2 8位CMOS集成D A转换器CDA7520简介 基准电压输入端VREF可正可负 片选控制端 电源电压范围 5V 15V 8位数据输入端 其电平与TTL电平兼容 MSB表示最高位 LSB表示最低位 接地端 内部反馈电阻RF的引出端 两个输出端 一般将OUT2接地 OUT1接运放反向端 写信号控制端 解 当D7D6D5D4D3D2D1D0 11111111时 输出为满度值 uO UFSR 9 961V 8位的D A转换器常用的有DAC0832 DAC0808 都属于R 2RT型电阻网络型 刚才所介绍的AD7520为AD公司的产品 主要要求 了解模数转换的基本原理 了解A D转换器的主要参数 了解常用A D转换器 8 2A D转换器 一 A D转换的基本原理和一般步骤 表示取整 可见 输出数字量D正比于输入模拟量uI 称为ADC的单位量化电压或量化单位 它是ADC的最小分辨电压 采样 把时间连续变化的信号变换为时间离散的信号 保持 保持采样信号 使有充分时间转换为数字信号 量化 把采样保持电路的输出信号用单位量化电压的整数倍表示 编码 把量化的结果用二进制代码表示 A D转换的一般步骤 A D转换的一般步骤 取样定理 设取样脉冲s t 的频率为fS 输入模拟信号x t 的最高频率分量的频率为fmax 必须满足fs 2fmaxy t 才可以正确的反映输入信号 从而能不失真地恢复原模拟信号 通常取fs 2 5 3 fmax 2 由于A D转换需要一定的时间 在每次采样以后 需要把采样电压保持一段时间 s t 有效期间 开关管VT导通 uI向C充电 uO uc 跟随uI的变化而变化 s t 无效期间 开关管VT截止 uO uc 保持不变 直到下次采样 由于集成运放A具有很高的输入阻抗 在保持阶段 电容C上所存电荷不易泄放 图7 8采样 保持电路及输出波形 步骤 1 采样时 使UL为高电平 S闭合 UO UI 此时 UCH UI 2 采样结束时 S断开 由于A2的输入阻抗很高 Ch上的电压基本保持不变 3 当下一个采样控制信号到来后 S又闭合 电容Ch上的电压又跟随此时的输入信号UI而变化 2 量化和编码 数字量最小单位所对应的最小量值叫做量化单位 将采样 保持电路的输出电压归化为量化单位 的整数倍的过程叫做量化 用二进制代码来表示各个量化电平的过程 叫做编码 一个n位二进制数只能表示2n个量化电平 量化过程中不可避免会产生误差 这种误差称为量化误差 量化级分得越多 n越大 量化误差越小 划分量化电平的方法 最大量化误差 1 8 V 只舍不入 8 2 2常用ADC的类型和主要参数 一 常用ADC的类型 常用ADC主要有并联比较型 双积分型和逐次逼近型 其中 并联比较型ADC转换速度最快 但价格贵 双积分型ADC精度高 抗干扰能力强 但速度慢 逐次逼近型速度较快 精度较高 价格适中 因而被广泛采用 A D转换器 直接型 间接型 并联比较型 反馈比较型 计数型 逐次渐进型 电压时间变换型积分型 U T 电压频率变换型 U F ADC的主要技术参数 1 分辨率分辨率是指A D转换器输出数字量的最低位变化一个数码时 对应输入模拟量的变化量 通常以ADC输出数字量的位数表示分辨率的高低 因为位数越多 量化单位就越小 对输入信号的分辨能力也就越高 例如 输入模拟电压满量程为10V 若用8位ADC转换时 其分辨率为10V 28 39mV 10位的ADC是9 76mV 而12位的ADC为2 44mV 2 转换误差 转换误差表示A D转换器实际输出的数字量与理论上的输出数字量之间的差别 通常以输出误差的最大值形式给出 转换误差也叫相对精度或相对误差 转换误差常用最低有效位的倍数表示 例如某ADC的相对精度为 1 2 LSB 这说明理论上应输出的数字量与实际输出的数字量之间的误差不大于最低位为 的一半 3 转换速度 完成一次A D转换所需要的时间叫做转换时间 转换时间越短 则转换速度越快 双积分ADC的转换时间在几十毫秒至几百毫秒之间 逐次比较型ADC的转换时间大都在10 50 s之间 并行比较型ADC的转换时间可达10ns A D转换器工作原理 1 逐次比较型A D转换器 天平称重过程 砝码 从最重到最轻 依次比较 保留 移去 相加 逐次比较思路 不同的基准电压 砝码 逐次逼近型ADC电路框图 基准电压UREF n位A D转换器 电路由启动脉冲启动后 实例 8位A D转换器 输入模拟量uI 6 84V D A转换器基准电压UREF 10V 相对误差仅为0 06 转换精度取决于位数 uI uO为1否则为0 组成 顺序脉冲发生器 依次产生各种重量的砝码 控制电路 决定本次所放砝码的取舍 寄存器 把顺序脉冲发生器和控制电路处理后的二进制数暂时存放起来 D A转换器 寄存器输出的数字量转换成模拟量 电压比较器 将D A转换器的输出电压与被转换的电压进行比较 输出用来控制控制电路 结论 3位A D转换器转换完成用了5个CP脉冲 n位A D转换器用n 2个脉冲 优点 精度高 转换速度快 转换时间固定 简化了与计算机同步 所以常常用作微机接口 2 常用的A D转换器芯片有ADC0809 ADC0804 AD574A 仅介绍ADC0890 CMOS器件 除了有8位A D转换器外 还有8路模拟开关以及地址锁存与译码 有三条地址输入线ADDA ADDB ADDC 可决定选通一路 该芯片内还有便于与微机数据总线连接的三态输出锁存器 MCS 51与ADC0809的接口ADC0809与805l之间的接口电路如图所示 ADC0809时钟信号由单片机的ALE信号 分频获得 ADC0809通道地址由P0口的低3位直接与ADC0809的A B C相连 五双积分型A D转换器 它属于间接型 基本原理是 通过两次积分 先把模拟电压UI转换成与之大小相对应的时间T 再在时间间隔T内用计数频率不变的计数器计数 计数器所计的数字量就正比于输入模拟电压 2 工作原理 1 初始化 令US 0 则Fn 1Fn 1 F1F0FC 00 000 D1 1 计数器不工作 D2 1 开关S0闭合使积分电容充分放电 由于QC 0 使开关S1接至ui一侧 2 第一次积分阶段 采样阶段 也叫定时积分 令US 1 则D2 0开关S0断开 D1 cp 积分器在固定时间T1内进行积分 T1 2nTc3 第二次积分 开关S1接至 UR 积分器开始反向积分 计数器又从零开始计数 经过时间T2后积分电压回升到0 比较器输出uc为低电平 将门D1封锁 停止计数 转换结束 优点 具有较强的抗干扰能力 体现在以下两个方面 1 采用了测量输入电压在采样时间T1内平均值的原理 因此对于周期等于T1或T1 n的对称干扰 从理论上讲具有无穷大的抑制能力 在工业系统中 当选择T1为20ms的整数倍时 如T1 40ms 因为50HZ工频干扰信号的周期为20ms 满足T1 n的要求 可很好地抑制工频干扰 2 因为两次积分采用同一积分器完成 所以转换结果及精度与积分器的有关参数R C等无关 同时电路比较简单 缺点 工作速度较低 一般为几十ms左右 常用在要求速度不高的场合 如数字式仪表等 常用的型号有3位半MC14433 精度相当于11位二进制数 4位半ICL7135 精度相当于14位二进制数 D A转换是将输入的数字量转换为与之成正比的模拟电量 常用的DAC主要有权电阻网络DAC R 2RT形电阻网络DAC R 2R倒T形电阻网络DAC和权电流网络DAC 其中 后两者转换速度快 性能好 因而被广泛采用 权电流网络DAC转换精度高 性能最佳 本章小结 A D转换是将输入的模拟电压转换为与之成正比的数字量 常用ADC主要有并联比较型 双积分型和逐次逼近型 其中 并联比较型ADC属于直接转换型 其转换速度最快 但价格贵 双积分型ADC属于间接转换型 其速度慢 但精度高 抗干扰能力强 逐次逼近型也属于直接转换型 其速度较快 精度较高 价格适中 因而被广泛采用 A D转换要经过