第24章 模拟量和数字量的转换

（下）第24章模拟量和数字量的转换返回第24章模拟量和数字量的转换24.1数—模转换器24.2模―数转换器后一页返回24.3典型D/A和A/D芯片简介模数与数模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。将模拟量转换为数字量的装置称为模数转换器(简称A/D转换器或ADC）；返回前一页后一页传感器模拟控制模拟信号数字计算机数字控制数字信号ADCDAC将数字量转换为模拟量的装置称为数模转换器(简称D/A转换器或DAC)24.1数–模转换器数–模转换（D/A转换器）的基本思想：由于构成数字代码的每一位都有一定的“权”，因此为了将数字量转换成模拟量，就必须将每一位代码按其“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。返回前一页后一页1.电路24.1.1T型电阻网络数-模转换器2RA+URS2S0S1S32R2R2R2Rd0d1d2d30RRR110Uo++-ARF2R0011数码寄存器+–由数个相同的电路环节构成，每个电路环节有两个电阻和一个模拟开关。参考电压存放四位二进制数最低位(LSB)最高位(MSB)模拟开关返回前一页后一页1.电路24.1T型电阻网络数-模转换器2RA+URS2S0S1S32R2R2R2Rd0d1d2d30RRR110Uo++-ARF2R0011数码寄存器+–参考电压存放四位二进制数最低位(LSB)最高位(MSB)各位的数码控制相应位的模拟开关，数码为“1”时，开关接电源UR；为0时接“地”。电子模拟开关返回前一页后一页2.转换原理分析输入数字量和输出模拟电压Uo之间的关系2RA+URS2S0S1S32R2R2R2Rd0d1d2d30RRR110Uo++-ARF2R0011+–T型网络开路时的输出电压UA即是反相比例运算电路的输入电压。反相比例运算电路T型电子网络返回前一页后一页2.转换原理用戴维宁定理和叠加原理计算UA。A+URS2S0S1S32R2R2R2Rd0d1d2d30RRR1102R0011最低位(LSB)最高位(MSB)1000对应二进制数为0001。返回前一页后一页2.转换原理对应二进制数为0001时，A2R2R2R2RRRR2RURA2R2R2RRRRR2RU042dUURA开路电压：RA042dUR等效电路如右下：返回前一页后一页2.转换原理对应二进制数为0001时，等效电路如下：RA042dUR同理：对应二进制数为0010时，有同理：对应二进制数为1000时，有同理：对应二进制数为0100时，有RA132dUR042dUURA开路电压：132dUURA开路电压：222dUURA开路电压：312dUURA开路电压：返回前一页后一页2.转换原理041322312222dUdUdUdUUURRRREAT型网络开路时的输出电压UA，即等效电源电压UE。等效电阻为R等效电路如右图RAUE)2222(2001122334ddddUR返回前一页后一页2.转换原理2RUo++-ARF+–EFoURRU3输出电压：)2222(23001122334ddddRURRFRUE+–A若输入的是n位二进制数，则)222(23002211dddRURUnnnnnRFo返回前一页后一页2.转换原理+2RUo++-ARF+–RUE–A若输入的是n位二进制数，则)222(23002211dddRURUnnnnnRFo若取RF=3R，则)222(2002211dddUUnnnnnRo返回前一页后一页倒T型电阻网络DA转换器分析输入数字量和输出模拟电压uo之间的关系倒T型解码网络转换原理uo2RABD+URS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0++-ARFd3d2d1d001RRRI3I1I0IC110I2返回前一页后一页.Uc=UR/2UB=UR/4UA=UR/8UD=UR即：由于解码网络的电路结构和参数匹配，则图中各点（D、C、B、A）电位逐位减半。2RABD+URS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0++-ARFd3d2d1d001RRRI3I1I0IC110I2返回前一页后一页因此，每个2R支路中的电流也逐位减半。即：1021II2I21I1I21I33I21I22RABD+URS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0++-ARFd3d2d1d001RRRI3I1I0IC110I2返回前一页后一页uo2RABD+URS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R++-ARFd3d2d1d001RRRI3I1I0IC110I20012316842dRUdRUdRUdRURRRR)24(8160123ddddRUR0123IIIII)24(8201234ddddRRUUFRO返回前一页后一页24.1.2D/A转换器的主要技术指标指最小输出电压和最大输出电压之比。1.分辨率2.线性度通常用非线性误差的大小表示D/A转换器的线性度。把偏离理想的输入－输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数定义为非线性误差。3.输出电压(电流)的建立时间例:十位D/A转换器的分辨率为00101023112110.从输入数字信号起，到输出电压或电流到达稳定值所需时间通常D/A转换器的建立时间不大于1S有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。返回前一页后一页24.2模–数转换器模–数(A/D)转换器的任务是将模拟量转换成数字量,它是模拟信号和数字仪器的接口。根据其性能不同，类型也比较多。下面介绍逐次逼近式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。返回前一页后一页24.2.1逐次逼近式A\D转换器其工作原理可用天平秤重过程作比喻来说明。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，可以用下表步骤来秤量：28g+4g38g+4g+2g48g+4g+1g18g8g13g，12g13g，14g13g，13g＝13g，8g12g12g13g暂时结果砝码重比较判断顺序保留保留撤去保留返回前一页后一页1.转换原理(待转换的模拟电压)UI数码寄存器顺序脉冲发生器－＋＋D/A转换器uc控制逻辑时钟清0、置数清0、置数C、(移位命令)“1”状态是否保留控制端UA试探电压放哪一个砝码砝码是否保存返回前一页后一页2.转换过程23411000UAUI6VUAUI5.5V留去留留4VUAUI5VUAUI“1”留否d3d2d2d0UA（V）顺序比较判断110010101011例：UR=8V，UI=5.52V)2222(28001122334ddddUAD/A转换器输出UA为正值返回前一页后一页转换数字量10114+1+0.5=5.5V转换误差为–0.02V例：UR=8V，UI=5.52V若输出为8位数字量转换数字量101100014+1+0.5+0.03125=5.53125V转换误差为+0.01125V(位数越多误差越小))222(280066778dddUA返回前一页后一页1.逐次逼近式A/D转换器转换原理(待转换的模拟电压)ux数码寄存器移位寄存器－＋＋D/Auc控制逻辑时钟清0、置数清0、置数CP、(移位命令)“1”状态是否保留控制端uo´试探电压00000000顺序脉冲发生器返回前一页后一页0000(待转换的模拟电压)ux数码寄存器移位寄存器－＋＋D/Auc控制逻辑时钟清0、置数清0、置数CP、(移位命令)“1”状态是否保留控制端uo´试探电压00001000返回前一页后一页(待转换的模拟电压)ux数码寄存器移位寄存器－＋＋D/Auc控制逻辑时钟清0、置数清0、置数CP、(移位命令)“1”状态是否保留控制端uo´试探电压100000001000返回前一页后一页1000(待转换的模拟电压)ux数码寄存器移位寄存器－＋＋uc控制逻辑时钟清0、置数清0、置数CP、(移位命令)“1”状态是否保留控制端D/Auo´试探电压1000uo1´uxuc=1“1”状态保留返回前一页后一页(待转换的模拟电压)ux数码寄存器移位寄存器－＋＋控制逻辑时钟清0、置数清0、置数控制端D/Auo´试探电压uc=1返回前一页后一页CP、(移位命令)100001001000100(待转换的模拟电压)ux数码寄存器移位寄存器－＋＋控制逻辑时钟清0、置数清0、置数控制端D/Auo´试探电压前一页后一页100001001000100uo2´uxuc=0“1”状态去掉0返回前一页后一页时钟移位寄存器控制逻辑10000100(待转换的模拟电压)ux数码寄存器－＋＋清0、置数清0、置数控制端D/Auo´试探电压1000100uc0CP、(移位命令)返回2.转换过程列表23411000UAUI6VUAUI5.5V留去留留4VUAUI5VUAUI“1”留否d3d2d2d0UA（V）顺序比较判断110010101011例：UR=8V，UI=5.52V，4+1+0.5=5.5V（转换误差:–0.02V）。若输出为8位数字量,转换数字量101100014+1+0.5+0.03125=5.53125V(转换误差+0.01125V)，位数越多越精确。转换数字量1011返回前一页后一页逐次逼近转换过程示意图V6VUA/3D2D1D0Dt0t1t310001100101010001011t2RUD2113对应于时,RUD4112对应于时,RUD8111对应于时,RUD16110对应于时,,VUR8设参考电压返回前一页后一页V5V4V3V2V10。设输入电压VUI525.UAUIUAUI输出数字量转换完毕,10110123dddd。对应模拟电压VU55.(转换误差:–0.02V)24.2.2A/D变换器的主要技术指标1。分辨率以输出二进制数的位数表示分辨率。位数越多，误差越小，转换精度越高。2。转换速度完成一次A/D转换所需要的时间，即从它接到转换控制信号起，到输出端得到稳定的数字量输出所需要的时间。3。相对精度实际转换值和理想特性之间的最大偏差。4。其它：功率、电源电压、电压范围等。返回前一页后一页24.3典型D/A和A/D芯片简介1.DAC0832D/A转换器。DAC0832是八位的D/A转换器,即在对其输入八位数字量后，通过外接的运算放大器，可以获得相应的模拟电压值。1)内部简化电路框图返回前一页后一页1)内部简化电路框图ADC0832简化电路框图八位寄存器输入八位寄存器DAC八位转换器UREFRFIout1Iout2AGNDVCCDGND&ILECSWR1WR2XFERD/AD7D0......11返回前一页后一页2)管脚芯片ADC0832管脚分布图CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUREFRFDGNDILEXFERIout1Iout21234567891019181716151413121120返回前一页后一页ADC0832管脚分布图CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUREFRFDGNDILEXFERIout1Iout21234567891019181716151413121120片选信号，低电平有效写入控制，低电平有效模拟地端D0~D7数字量输入参考电压输入端返回前一页后一页ADC0832管脚分布图CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUREFRFDGNDILEXFERIout1Iout21234567891019181716151413121120数字地端反馈电阻外接端返回前一页后一页ADC0832管脚分布图WR2CSWR1AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUREFRFDGNDILEXFE