第12章模拟量和数字量的转换.

本章基本要求：理解数模和模数转换器的概念和作用。了解数模转换的基本原理。了解R-2R倒T形电阻网络D/A转换器的电路与工作原理。了解常用D/A转换器的类型和主要参数。了解模数转换的基本原理。了解常用A/D转换器。了解A/D转换器的主要参数。第12章模拟量和数字量的转换模拟量数字量模拟量数字量传感器被控对象自然界物理量为何要进行数模和模数转换？第12章模拟量和数字量的转换第12章模拟量和数字量的转换定义：能将模拟量转换为数字量的装置称为模—数转换器，简称A/D或ADC；能将数字量转换为模拟量的装置称为数—模转换器，简称D/A或DAC。ADC和DAC是模拟电路和数字电路的接口，是联系模拟系统与数字系统的“桥梁”。本章主要介绍ADC、DAC的原理、技术指标和常用芯片。基本原理数—模转换装置输入的信号是数字信号，输出的信号则是与输入数字信号成比例的模拟电压或电流。12.1数—模转换器12.1.1数—模转换器的工作原理数模转换器实现数模转换的电路称数模转换器。实现数—模转换的电路有多种方式，最常用的是电阻网络转换器，其中较常见的有权电阻网络、T形电阻网络和倒T形电阻网络等。由于数字信号是用二进制代码组合起来的，每一个数字信号都可以按“权”相加得到一个对应的十进制数，即D=（N）B=Kn-1×2n-1+…+K1×21+K0×20。数—模转换装置输出的模拟量A就是和输入的数字量D成正比例的电压或电流信号。即A=KD，其中的K称为转换比例系数。以十位DAC为例，输入的是十位二进制代码，共有210种组合。若输出电压的最大值为5V，则该转换器所能转换出的最小电压为，其转换步距也为，显然DAC转换器输入数字量的位数越多，它所转换的模拟信号的步距越短。1055211023V51023V1.T形电阻网络数—模转换器电子模拟开关：S0、S1、S2、S3，这些电子开关分别由数码寄存器存放的四位二进制数的相应位数码d0、d1、d2、d3控制，根据它是“l”或“0”决定电阻网中的电阻是接参考电压(或称基准电压)UR还是接地。T形电阻网络：当输入的数字信号的某一位为“1”时，开关接到参考电压UR上，为“0”时接地，这个T形电阻网络开路时的输出电压UA(未接运算放大器时)可以应用叠加原理进行计算。即分别计算只当d0＝1、dl＝l、d2＝l、d3＝l(其余位为0)时的电压分量，而后叠加得到UA。应用叠加原理将这四个电压分量叠加，得出T形电阻网络开路时的输出电压UA，等效内阻(除去电源后开路网络的等效电阻)为R。集成运放的输出模拟电压为U0如果输入的是n位二进制数，则如果输入的是n位二进制数，则当取RF＝3R时，则上式为例如对四位的数—模转换器而言：R—2RT形电阻网络数—模转换器的优点是它只需及和2只两种阻值的电阻，这对选用高精度电阻和提高转换器的精度都是有利的。S0++-△∞uOS1S2S3D3D2D1D0iΣRFII3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI301111000RRR电路组成与转换原理2.倒T形电阻网络数—模转换器由倒T型电阻网络、模拟开关和一个电流电压转换电路(简称I/U转换电路)组成。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：II3I2I1I0VREF2R2RI02RI12RI22RI3RRRABC1)从A、B、C节点向左看去，各节点对地的等效电阻均为2R。2)不论模拟开关接到运算放大器的反相输入端(虚地)或接“地”(也就是不论输入信号是1或是0)，各支路的电流是不变的。因此，从参考电压端输入的电流为IR＝，而后根据电流分流公式得出各支路的电流：RUR由此可得出电阻网络的输出电流如果输入的是n位二进制数，则当取RF＝R时，则上式为与T形电阻网络的输出电压相同。12.1.2数—模转换器的主要技术指标1.分辨率分辨率是指转换器的最小输出电压与最大输出电压之比。当输入的数字量为1时（仅最低位为1，其余各位全部为0），输出最小，当输入的数字量各位全部为1时，输出最大，此二者之比即为分辨率，例如10位DAC转换器的分辨率为：1/（210-1）≈0.001有时也用输入信号的有效位数来表示分辨率，有效位数越多分辨率就越高。显然分辨率越高，转换的精度就越高。但分辨率越高其转换电路就越复杂。表12-1不同DAC转换器的分辨率转换器输入数字量的位数分辨率41/1581/255101/1023121/4095161/655352.转换精度和线性度转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想值之差，即最大静态转换误差。这误差和运放的零点漂移、模拟开关的压降以及电阻阻值的偏差等很多原因引起的。线性度是指转换器的非线性误差，产生非线性误差的原因一般是由各模拟通路的偏差和压降不同造成的。3.输入数字电平和输出电平输入数字电平是指输入的数字信号分别为0和1时所对应的输入高、低电平的值，不同的转换器该值略有区别。输出电平是指输出电压的最大值，不同型号的转换器该值的相差较大，其中高压输出型的可达30V，电流输出型的可达3A。4.工作温度范围温度的高低将直接影响到转换器的精度指标，好的产品工作温度可在-40℃~150℃之间。12.1.3数—模转换器的主要产品介绍1.DAC0830系列DAC0830系列是8位分辨率的集成DAC转换电路，包含转换电路和外围电路，具有双缓冲结构，内部主要由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位DAC转换电路和转换控制电路构成，采用20脚双列直插封装，芯片外接集成运放，将转换成的模拟电流信号放大后变成电压信号输出。图12-5DAC0830系列的外引线排列图2.集成DA7520集成DA7520和前述0830系列不同的是其电路只包含转换网络和模拟电子开关。是10位CMOS电流开关型转换器，其结构简单，通用性好。DA7520的外引线排列图如图12.6所示。图12.6DA7520的外引线排列图1.A/D转换的基本原理和一般步骤“[]”表示取整。ADCD0D1Dn-2Dn-1…uI模拟输入信号n位二进制数输出D=Dn-1Dn-2D1D0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。uDＩ12.2模-数转换器模-数转换一般要经过采样、保持、量化和编码4个步骤。目前用的较多的是逐次逼近型、双积分型和电压频率变换型转换器等。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uI(t)C量化编码电路Dn-1D1D0…uI(t)S采样保持电路输入模拟量输出数字量2.集成采样－保持器LF198当S闭合时，A1和A2均工作在电压跟随器状态，所以uo＝u/o＝uI，电容上的电压uC＝uI；当S断开时，由于Ch上的电压不变，所以输出电压uo的数值得以保持不变。A1，A2是两个运算放大器S是电子开关L是开关的驱动电路CP为高电平时，S闭合；CP为低电平时，S断开。采样信号是否会丢失原信号的信息呢？对信号进行量化会引起误差吗？量化误差大小与ADC的位数、基准电压VREF和量化方法有关。采样定理：当采样频率不小于输入模拟信号频谱中最高频率的两倍时，采样信号可以不失真地恢复为原模拟信号。量化误差：因模拟电压不一定能被ULSB整除，量化时舍去余数而引起的误差。划分量化电平的两种方法最大量化误差==(1/8)V最大量化误差=/2=(1/15)V1=1/8V4=4/8V0(6/8)V(7/8)V000001010011100101110111模拟电平二进制代码代表的模拟电平0=0V2=2/8V3=3/8V5=5/8V6=6/8V7=7/8V(5/8)V(4/8)V(3/8)V(2/8)V(1/8)V(8/8)V模拟电平二进制代码代表的模拟电平0=0V1=2/15V2=4/15V3=6/15V4=8/15V5=10/15V6=12/15V7=14/15V(13/15)V0000001010011100101110111(11/15)V(15/15)V(9/15)V(3/15)V(7/15)V(1/15)V(5/15)V12.2.2逐次比较型ADC转换器1.逐次比较型ADC转换器的组成（1）DAC转换器它将数据寄存器中的数字量转换成相应的模拟电压去与被测电压比较。（2）数据寄存器转换开始后，从最高位开始对数据寄存器置1，其他位置0，将该数据经DAC转换器转换为模拟量，在比较器中与输入量比较，根据比较结果决定最高位是留下，还是清除，然后置次高位为1，转换、比较……，所有位比较完毕后统一输出。（3）电压比较器。将数据寄存器中数据对应的电压与输入电压比较，输出结果用于修改数据寄存器中的数据。（4）控制逻辑及时钟。用于实现整机的逻辑控制。2.工作过程FF8－FF1组成8位数据寄存器10个D触发器接成环形移位寄存器第一个CP到来时，W8＝1，其余Wi均为0，Q8－Q1为10000000，uI与128v比较，小于，因此uC＝0，保留。假设输入电压uI＝149V第二个CP到来时，W7＝1，其余Wi均为0。数据寄存器的状态为11000000，该数据使uD＝192V，大于，不保留。其他依次类推。12.2.3双积分型ADC转换器双积分型又称双斜率ADC转换器。它的基本原理是对输入模拟电压和基准电压进行两次积分：先将输入模拟电压uI转换成与之大小相对应的时间间隔TC，再在此时间间隔内用固定频率的计数器计数，计数器所计的数字量就正比于输入模拟电压；同样也对参考电压进行相同的处理。特点：由于要两次积分，因此双积分型ADC转换器的转换速度较低，但转换数字量位数n增加时，电路复杂程度增加不大，易于提高分辨率，其通常用在对速度要求不高的场合，如数字万用表等。具体电路略双积分型ADC转换器原理图指ADC实际输出数字量与理想输出数字量之间的最大差值。通常用最低有效位LSB的倍数来表示。(二)主要参数2.相对精度(又称转换误差)指ADC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。1.分辨率例如最大输出电压为5V的8位ADC的分辨率为：5V/28=19.6mA分辨率也可用ADC的位数表示。位数越多，能分辨的最小模拟电压值就越小。例如转换误差不大于1/2LSB，即说明实际输出数字量与理想输出数字量之间的最大误差不超过1/2LSB。3.转换时间转换速度比较：并联比较型逐次逼近型双积分型数十ns数十s数十ms指ADC完成一次转换所需要的时间，即从转换开始到输出端出现稳定的数字信号所需要的时间。转换时间越小，转换速度越高。12.2.3常用ADC简介目前常用ADC大多是单片集成转换器，种类很多。1.ADC0800系列ADC0800系列属逐次比较型比较器，如ADC0801，ADC0804，ADC0809等，可把输入模拟信号转换为8位数字信号输出。ADC0809片内有带锁存功能的8路模拟开关，可实现对8路输入模拟电压进行分时转换，输出采用TTL三态锁存缓冲器，可直接与外部数据总线连接。采用28脚双列直插封装，其外引线排列图如图所示。ADC0809的外引线图ADC0809的实物图12.2.4ADC在智能仪器的数据采集系统中的应用数据采集系统是计算机、智能仪器与外界物理世界联系的桥梁，是获取信息的主要途径，对整个系统进行控制和数据处理。它的核心是计算机，而计算机所处理的是数字信号，因此输入的模拟信号必须进行ADC转换，将连续的模拟信号量化。多通道并行数据采集系统的结构框图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、T形电阻网络和倒T形电阻网络。A/D转换要经过采样－保持和量化与编码两步实现。采样－保持电路对输入模拟信号抽取样值，并展宽(保持)；量化是对样值脉冲进