第7章 數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換

第7章數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換*7.2模/數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)7.1數(shù)/模轉(zhuǎn)換技術(shù)本章要求1.了解數(shù)/模、模/數(shù)轉(zhuǎn)換的基本概念和轉(zhuǎn)換原理。

2.了解數(shù)/模、模/數(shù)轉(zhuǎn)換常用芯片的使用方法。數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換應(yīng)用在數(shù)字測量儀表、數(shù)字通訊等方面。如：在自動控制和自動檢測系統(tǒng)中使用數(shù)字電子計算機(jī)，利用數(shù)字系統(tǒng)處理模擬信號。在生產(chǎn)過程中所遇到的信息大多是連續(xù)變化的物理量，如溫度、壓力、流量、位移等。這些非電量先經(jīng)過傳感器變換為模擬電信號，再轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號，才能送入計算機(jī)進(jìn)行處理。計算機(jī)輸出的數(shù)字信號要轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬信號才能去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時控制。數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（D/A轉(zhuǎn)換器，DAC）：將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的裝置；模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D轉(zhuǎn)換器，ADC）：將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的裝置。模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)的接口電路，數(shù)字系統(tǒng)不可缺少的部件。模擬量是溫度、壓力、濕度、流量、速度、電壓、電流等。計算機(jī)實(shí)時控制系統(tǒng)框圖

7.1數(shù)/模轉(zhuǎn)換技術(shù)D/A轉(zhuǎn)換器（DAC）作用：將輸入的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成與輸入數(shù)字量成正比的輸出模擬量，如電流或電壓。工作原理：輸入的數(shù)字量暫時存放在數(shù)據(jù)鎖存器中，數(shù)字量控制模擬電子開關(guān)，參考電壓源電壓按位切換到電阻譯碼網(wǎng)絡(luò)中變成加權(quán)電流，加權(quán)電流經(jīng)集成運(yùn)放求和，輸出相應(yīng)的模擬電壓。7.1.1.倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器倒T型電阻譯碼網(wǎng)絡(luò)模擬電子開關(guān)集成運(yùn)算放大器反相端存在“虛地”，故模擬電子開關(guān)接到放大器的反相輸入端（輸入數(shù)字信號1

）或接“地”（輸入數(shù)字信號0），各支路的電流不變；倒T型電阻譯碼網(wǎng)絡(luò)的等效電阻為R，有Ii′=Ii。參考電壓端輸入的電流為根據(jù)分流公式得出各支路電流為

電阻網(wǎng)絡(luò)的輸出電流為運(yùn)算放大器輸出的模擬電壓UO為若輸入n位二進(jìn)制數(shù)，需要n個模擬電子開關(guān)，且若R=RF，

輸出模擬電壓UO的最小單位（輸入數(shù)字信號最低位為1，其余各位為0）：最大值（輸入數(shù)字信號各位全為1）：倒T型D/A轉(zhuǎn)換器優(yōu)點(diǎn)：模擬開關(guān)不管處于什么位置，流過各支路的電流總是接近于恒定值，不存在電流建立的消失時間，速度最快的一種；只有R和2R兩種電阻。在集成芯片中廣泛應(yīng)用。7.1.2集成D/A轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器集成電路芯片種類很多。按輸入二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)分為8位、10位、12位和16位等。AD7520：倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)10位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，CMOS型模擬電子開關(guān)，同時集成在芯片內(nèi)。運(yùn)算放大器需外接。模擬電子開關(guān)的電源接線端參考電壓電源接線端可正值或負(fù)值內(nèi)部一個電阻R的引出端作為運(yùn)放的反饋電阻RF另一端在芯片內(nèi)部接IO1端7.1.3D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)（1）分辨率最小輸出電壓（對應(yīng)的輸入二進(jìn)制數(shù)為1）與最大輸出電壓（對應(yīng)的輸入二進(jìn)制數(shù)的所有位全為1）之比。例如10位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為（2）精度

輸出模擬電壓的實(shí)際值與理想值之差。由參考電壓偏離標(biāo)準(zhǔn)值、運(yùn)算放大器的零點(diǎn)偏移、模擬開關(guān)的電壓降以及電阻阻值的偏差等原因引起。（3）建立時間

從輸入數(shù)字信號起，到輸出電壓或電流為穩(wěn)定值所需的時間。倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器并行輸入方式，轉(zhuǎn)換速度較快。10位或12位單片集成D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間一般不超過1

s。

7.2模/數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)際中的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換過程通常分為兩步：①使用傳感器將連續(xù)變化的物理量轉(zhuǎn)換為模擬信號；②由A/D轉(zhuǎn)換器把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。A/D轉(zhuǎn)換四個階段：采樣、保持、量化、編碼。采樣、保持用采樣保持電路來完成，量化和編碼在A/D轉(zhuǎn)換器中實(shí)現(xiàn)。采樣：將一個時間上連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成時間上離散的模擬量。由于每次把采樣電壓轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號都需要一定的時間，因此在每次采樣后都需要把采樣電壓保持一定的時間。進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時所用的輸入電壓實(shí)際上是每次采樣結(jié)束時的采樣電壓值。因數(shù)字信號在幅值上也是離散的，任何一個數(shù)字量的大小只能是某個規(guī)定的最小量值的整數(shù)倍。在A/D轉(zhuǎn)換器中必須將采樣–保持電路的輸出電壓按某種近似方式規(guī)劃到與之相應(yīng)的離散電平上。量化：將采樣–保持電路的輸出電壓規(guī)劃為數(shù)字量最小單位所對應(yīng)的最小量值（即量化單位）的整數(shù)倍。編碼：用二進(jìn)制代碼來表示各個量化電平。A/D轉(zhuǎn)換器種類很多，按照轉(zhuǎn)換方法的不同分為三種：并行比較型（轉(zhuǎn)換速度快，但精度不高）、雙積分型（精度較高，抗干擾能力強(qiáng)，但轉(zhuǎn)換速度慢）、逐次逼近型（精度高，轉(zhuǎn)換速度較快）。較為普遍使用的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器。7.2.1逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換與天平秤重過程相似。若用四個分別重8g、4g、2g、1g的砝碼稱重13g的物體：1.逐次逼近稱物過程順序砝碼重量比較判斷該砝碼去留18g8g＜13g留28g+4g12g＜13g留38g+4g+2g14g＞13g去48g+4g+2g+1g13g=13g留UX：待轉(zhuǎn)換的模擬電壓；UO：D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，也是電壓比較器的參考電壓；寄存器保存模擬電壓轉(zhuǎn)換成的二進(jìn)制數(shù)；轉(zhuǎn)換過程按照時鐘脈沖CP的節(jié)拍，由順序脈沖分配器輸出的順序脈沖控制。2.組成轉(zhuǎn)換前先將寄存器清0。①比較最高位。順序脈沖將寄存器的最高位置1，即dn-1=1（其余各位為0）→D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬電壓UO→送入比較器與UX進(jìn)行比較。UO＞UX：數(shù)字量大，最高位1除去，將次高位置1，即dn-2=1；UO＜UX：數(shù)字量小，這一位1保留，并將次高位置1。②比較次高位。③逐次比較下去，一直到最低位即d0為止。寄存器中最后保留的n位數(shù)字量就是對應(yīng)的輸出數(shù)字量。3.工作原理一個四位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，其中D/A轉(zhuǎn)換器的參考電壓UREF=-8V。將輸入電壓UX=5.52V轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。假設(shè)輸入電壓UX加在電壓比較器的反相輸入端，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓UO加在電壓比較器的同相輸入端。4.轉(zhuǎn)換舉例234

11000UO

<

UX6VUO

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UX5.5V留去留留4VUO

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UX5VUO

UX“1”留否d3d2d1d0UA(V)順序比較判斷110010101011若令UO≈UX，計算得出數(shù)字量的結(jié)果為

234

11000UO

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UX6VUO

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UX5.5V留去留留4VUO

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UX5VUO

UX“1”留否d3d2d1d0UA(V)順序比較判斷110010101011CMOS型8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器芯片ADC0809。除了具有基本的A/D轉(zhuǎn)換功能外，內(nèi)部還包括8路模擬輸入通道：在片內(nèi)設(shè)置了8路模擬開關(guān)以及相應(yīng)的通道地址鎖存和譯碼電路，可實(shí)現(xiàn)8路信號的分時采集。輸出具有三態(tài)緩沖能力，能與單片機(jī)總線直接相連。7.2.2集成A/D轉(zhuǎn)換器8選1模擬量選通表CBA輸出（即選中模擬通道）000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN77.2.3A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)（1）分辨率以輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示分辨率，位數(shù)越多，誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高。n位ADC能分辨出，UIM為最大輸入模擬電壓。如8位ADC，UIM=5V，則分辨率為（2）轉(zhuǎn)換精度

實(shí)際輸出的