第八章-数模模数转换器

8 1D A转换器 8 1 1D A转换器电路及原理D A转换器由数码寄存器 模拟电子开关电路 解码网络 求和电路及基准电路等部分组成 数字量以串行或并行方式输入存于数码寄存器中 数字寄存器输出数码 分别控制对应位的模拟电子开关 使数码为1的位在位权网络上产生与之成正比的电流值 再由求和电路将各种权值相加 即得到数字量对应的模拟量 n位D A转换器的方框图如图8 1所示 下一页 返回 8 1D A转换器 8 1 2二进制权电阻网络D A转换器1 权电阻网络D A转换器电路及转换原理如果一个n位二进制数用Dn dn 1dn 2 d1d0表示 则从最高位到最低位的权依次为2n 1 2n 2 21 20 图8 2是四位权电阻网络D A转换器的原理图 它由权电阻网络 模拟开关 求和放大器三部分组成 权电阻网络中每个电阻的阻值与对应位的权成反比 下一页 上一页 返回 8 1D A转换器 2 二进制权电阻网络D A转换器的优 缺点二进制权电阻网络D A转换器的优点是该电路用的电阻较少 电路结构简单 可适用于各种有权码 各位同时进行转换 速度较快 它的缺点是各个电阻的阻值相差很大 尤其在输入信号的位数较多时 问题就更突出了 下一页 上一页 返回 8 1D A转换器 8 1 3T形电阻网络D A转换器为了克服权电阻网络D A转换器中电阻阻值相差过大的缺点 又研制出了如图8 3所示的T形电阻网络D A转换器 由R和2R两种阻值的电阻组成T形电阻网络 或称梯形电阻网络 为集成电路的设计和制作带来了很大方便 网络的输出端接到运算放大器的反相输入端 提高转换速度和减小尖峰脉冲的有效方法是将图8 4电路改成倒T形电阻网络D A转换电路 如图8 6所示 下一页 上一页 返回 8 1D A转换器 8 1 4主要技术指标1 分辨率分辨率是指D A转换器能分辨最小输出电压变化量与最大输出电压即满量程输出电压之比 2 精度D A转换器的精度是指实际输出电压与理论输出电压之间的偏离程度 3 转换时间D A转换器的转换时间是指在输入数字信号开始转换 到输出电压 或电流 达到稳定时所需要的时间 下一页 上一页 返回 8 1D A转换器 8 1 5D A转换器的应用1 集成D A转换器DA7520DA7520的外引线排列及连接电路如图8 7所示 DA7520共有16个引脚 各引脚的功能如下 4 13为十位数字量的输入端 下一页 上一页 返回 8 1D A转换器 1为模拟电流IO1输出端 接到运算放大器的反向输入端 2为模拟电流IO2输出端 一般接地 3为接地端 14为COMS模拟开关的 UDD电源接线端 15为参考电压电源接线端 UR可为正值或负值 16为芯片内部一个电阻R的引出端 该电阻作为运算放大器的反馈电阻RF 他的另一端在芯片内部接IO1端 下一页 上一页 返回 8 1D A转换器 DA7520的主要性能参数如下 分辨率 十位线性误差 1 2 LSB LSB表示输入数字量最低位 若用输出电压满刻度范围FSR的百分数表示则为0 05 FSR 转换速度 500ns温度系数 0 001 OC 下一页 上一页 返回 8 1D A转换器 2 应用举例图8 8所示的电路为一个由10位二进制加法计数器 DA7520转换器及集成运放组成的锯齿波发生器 10位二进制加法计数器从全 0 加到全 1 电路的模拟输出电压uo由0V增加到最大值 此时若再来一个计数脉冲则计数器的值由全 1 变为全 0 输出电压也从最大值跳变为0 输出波形又开始一个新的周期 如果计数脉冲不断 则可在电路的输出端得到周期性的锯齿波 上一页 返回 8 2A D转换器 8 2 1采样与保持取样定理 由于每次把采样电压转换为相应的数字信号时都需要一定的时间 因此在每次采样以后 需把采样电压保持一段时间 根据采样定理 用数字方法传递和处理模拟信号 并不需要信号在整个作用时间内的数值 只需要采样点的数值 下一页 返回 8 2A D转换器 8 2 2量化和编码数字信号不仅在时间上是离散的 而且在幅值上也是不连续的 任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小量值的整数倍 为了将模拟信号转换成数字信号 在A D转换器中必须将采样 保持电路的输出电压按某种近似方式规划到与之相应的离散电平上 将采样 保持电路的输出电压规划为数字量最小单位所对应的最小量值的整数倍的过程叫做量化 这个最小量值叫做量化单位 下一页 上一页 返回 8 2A D转换器 用二进制代码来表示各个量化电平的过程叫做编码 由于数字量的位数有限 一个n位的二进制数只能表示2n个值 因而任何一个采样 保持信号的幅值 只能近似地逼近某一个离散的数字量 因此在量化过程中不可避免的会产生误差 通常把这种误差称为量化误差 显然 在量化过程中 量化级分得越多 量化误差就越小 下一页 上一页 返回 8 2A D转换器 8 2 3A D转换器工作原理1 并联比较型A D转换器并联比较型A D转换器是一种高速A D转换器 图8 9所示是3位并联型A D转换器 它由基准电压UREF 电阻分压器 电压比较器 寄存器和编码器等五部分组成 不同等级时寄存器的状态及相应的输出二进制数 如表8 1所示 下一页 上一页 返回 8 2A D转换器 2 双积分型A D转换器双积分型A D转换器又称为双斜率A D转换器 图8 10所示是双积分型A D转换器的原理框图 它由基准电压源 积分器 比较器 时钟脉冲输入控制门 n位二进制计数器 定时器和逻辑控制门电路组成 双积分型A D转换器中积分器的输入 输出与计数脉冲间的关系如图8 11所示 下一页 上一页 返回 8 2A D转换器 3 逐次逼近型模 数转换器逐次逼近型模 数转换器一般由顺序脉冲发生器 逐次逼近寄存器 模 数转换器和电压比较器等几部分组成 其原理框图如图8 12所示 一次转换过程如表8 3和图8 15所示 下一页 上一页 返回 8 2A D转换器 8 2 4A D转换器的应用1 ADC0809的内部逻辑结构ADC0809的内部逻辑结构如图8 16所示 2 ADC0809引脚结构ADC0809引脚结构如图8 17所示 下一页 上一页 返回 8 2A D转换器 3 ADC0809应用说明 1 ADC0809内部带有输出锁存器 可以与AT89S51单片机直接相连 2 初始化时 使ST和OE信号全为低电平 3 送要转换的哪一通道的地址到A B C端口上 4 在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号 5 是否转换完毕 可以根据EOC信号来判断 6 当EOC变为高电平时 这时给OE为高电平 转换的数据就输出给单片机了 下一页 上一页 返回 8 2A D转换器 8 2 5A D转换器的主要技术参数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 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 3 转换速度A D转换器从接收到转换控制信号开始 到输出端得到稳定的数字量为止所需要的时间 即完成一次A D转换所需的时间称为转换速度 下一页 上一页 返回 8 2A D转换器 8 2 6技术应用图8 18是采用AD7896构成的模拟信号 数字信号 A D 转换电路 A D7896是带有串行口的A D转换器 可将输入信号 传感器的输出信号 转换为数字信号 通过光电耦合器的电器隔离送至微型计算机进行处理 下一页 上一页 返回 8 2A D转换器 图8 19是隔离模拟信号 数字信号转换 A D 电路 在计测系统 监视系统和医疗系统中 为了确保安全 信号与系统之间需要进行电气隔离 隔离电路一般用于以下几种情况 既进行共模电压高的信号源的测量 雷击保护的电路 防止心率计等电流流入人体以免触电 高精度测量时计测方的地与系统的地分离 经常采用12位串行输出A D转换器和光电耦合器构成的A D转换器 下一页 上一页 返回 8 2A D转换器 图8 20是高精度远程直流传输的数字信号 模拟信号 D A 转换电路 实际进行远程直流传输时 由于线路压降使电压信号精度降低 在实际的系统中 地线还有其他的电流流通 因此 产生的误差更大 为此 采用图 c 所示电路 将电流流经的负载线路与设定电压的传感器线路分开 这样 电流不会受到影响 若地线也分为电流流经的负载回线与高阻抗的0V信号线 则使回程电流的影响最小 若在发送方增设运算放大器 分为电流流通的线路与传输电压信号的线路 则传输线路中电阻的影响可忽略不计 D A转换器与与放大器的连接到图 c 中的A2输出 不同系统的电源共一个地 上一页 返回 图8 1n位D A转换器方框图 返回 图8 2权电阻网络D A转换器原理图 返回 图8 3T形电阻网络D A转换器 返回 图8 4计算T形电阻网络的输出电压 d3d2d1d0 0001 返回 图8 6倒T形电阻网络D A转换器 返回 图8 7DA7520的外引线排列及连接电路 返回 图8 8DA7520组成的锯齿波发生器 返回 图8 93位并联比较型A D转换器 返回 表8 1双并联比较型A D转换器真值表 返回 图8 10双积分型A D转换器的原理框图 返回 图8 11积分器输入 输出与计数脉冲的关系 返回 图8 12逐次逼近型模 数转换器原理框图 返回 表8 3四