数模与模数转换

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,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,当D3D2D1D0=0001时,1.求VA,UR（基准电压）,(b),求VA电路,求开路电压VA，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VA划分电路,(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,图23-100部分等效电路,2R,R,1,1,U11,R,图23-211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,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VA的公式。,VA=,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RF=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uo,解：因为,所以,23.1.2D/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,23.1.3D/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,AD7520是10位D/A转换器，内部倒T型网络，运放外接,23.1.4D/A转换器AD7520,DAC0808的电源+UCC的范围+4.5V+5.5V、-UEE的范围-4.5V-16.5V,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,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,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,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,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,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,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UA，通过电压比较器比较UA与Ui大小，如果UAUi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，UR=-8V，输入模拟电压UI=5.52V，从理论上给出输出数字量,解：因为,第一次转换D3D2D1D0=1000,第二次转换D3D2D1D0=1100,第三次转换D3D2D1D0=1010,第四次转换D3D2D1D0=1011,四次转换结束D3D2D1D0=1011，有误差0.02V。所以输出数字量的位数决定了误差的大小。,23.2.3A/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,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CLKIN：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VREF，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正确连接，否则干扰很严重。,正确的地线连接,23.2.4A/D转换器的转换精度与速度,1.A/D转换器的转换精度,常用分辨率和转换误差来描述A/D转换精度分辨率用A/D转换器输出数字量的位数来表