模拟量与数字量的转换

下一页返回上一页退出章目录第7章模拟量和数字量的转换7.1D/A转换器7.2A/D转换器下一页返回上一页退出章目录第7章模拟量和数字量的转换本章要求1.了解D/A、A/D转换的基本概念和转换原理;2.了解D/A、A/D转换常用芯片的使用方法。下一页返回上一页退出章目录模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)；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)下一页返回上一页退出章目录7.1D/A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。下一页返回上一页退出章目录7.1.1D/A转换器的转换特性1000112211)2(2222nniinnnnXXXXXXn位二进制数X（Xn-1、Xn-2、…X1、X0）定义其最低位（LSB）X0和最高位（MSB）Xn-1的权分别为20和2n-1,则有:D/A转换器的输出应是与输入数字量成正比的模拟电流模拟电压100)2(nniivvXKXKu100)2(nniiiiXKXKi或下一页返回上一页退出章目录7.1.2权电阻求和网络D/A转换器∞3I2I0I1I3S2S1S0SrUFRR02R12R22R323X2X1X0X0U下一页返回上一页退出章目录3210321001233210321032222(2222)2rrrrrIIIIIUUUUXXXXRRRRUXXXXR121012101(2222)2nnrnnnUIXXXXR放大器总的输入电流为n位的权电阻D/A转换器121001210(2222)22nnrnnnURUIXXXX若反馈电阻为2/RRF0～rnU212输出电压的变化范围下一页返回上一页退出章目录1.电路7.1.3R-2RT型电阻网络D/A转换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UO+–2RA+URS2S0S1S32R2R2R2Rd0d1d2d30RRR110++-ARF2R0011数码寄存器Q0Q1Q2Q3下一页返回上一页退出章目录1.电路7.1.3R-2RT型电阻网络D/A转换器参考电压最低位(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”。模拟开关UO+–2RA+URS2S0S1S32R2R2R2Rd0d1d2d30RRR110++-ARF2R0011数码寄存器Q0Q1Q2Q3存放四位二进制数下一页返回上一页退出章目录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2RA+URS2S0S1S32R2R2R2Rd0d1d2d30RRR110UO++-ARF2R0011+–下一页返回上一页退出章目录2.转换原理用戴维宁定理和叠加定理计算UAA+URS2S0S1S32R2R2R2Rd0d1d2d30RRR1102R0011最低位(LSB)最高位(MSB)1000对应二进制数为0001下一页返回上一页退出章目录2.转换原理对应二进制数为0001时，A2R2R2RRRRR等效电路如右下图04RA2dUU开路电压1122332R2R2R2RRRR2RURAR04R2dUA00下一页返回上一页退出章目录2.转换原理对应二进制数为0001时，等效电路如下RA04R2dU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04RA2dUU开路电压13RA2dUU开路电压22RA2dUU开路电压31RA2dUU开路电压AR13R2dU下一页返回上一页退出章目录2.转换原理04R13R22R31REA2222dUdUdUdUUU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(2001122334RddddU下一页返回上一页退出章目录2.转换原理EFο3URRU输出电压)2222(23001122334RFddddRUR若输入的是n位二进制数，则)222(23002211RFodddRURUnnnnn2RUO++-ARF+–RUE+–A下一页返回上一页退出章目录2.转换原理若取RF=3R，则)222(2002211RodddUUnnnnn若输入的是n位二进制数，则)222(23002211RFodddRURUnnnnn2RUO++-ARF+–RUE+–A下一页返回上一页退出章目录7.1.4R-2R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之间的关系转换原理倒T型解码网络UO2RABD+URS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0++-ARFd3d2d1d00RRRI3I1I0I01C110I2IR下一页返回上一页退出章目录.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。UO2RABD+URS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0++-ARFd3d2d1d00RRRI3I1I0I01C110I2IR下一页返回上一页退出章目录因此，每个2R支路中的电流也逐位减半。RUIRR/1021II2121II3221IIRII213即：UO2RABD+URS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0++-ARFd3d2d1d00RRRI3I1I0I01C110I2IR下一页返回上一页退出章目录0R1R2R3R16842dRUdRUdRUdRU)24(8160123RddddRU012301IIIII)24(8201234FROddddRRUUUO2RABD+URS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0++-ARFd3d2d1d00RRRI3I1I0I01C110I2IR下一页返回上一页退出章目录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。7.1.5集成D/A转换器简介下一页返回上一页退出章目录1)内部简化电路框图DAC0832简化电路框图八位寄存器输入八位寄存器DAC八位转换器UREFRFIout1Iout2AGNDUCCDGND&ILECSWR1WR2XFERD/AD7D0......11≥≥下一页返回上一页退出章目录2)芯片管脚DAC0832管脚分布图CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUREFRFDGNDILEXFERIout1Iout21234567891019181716151413121120下一页返回上一页退出章目录片选信号，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DAC0832管脚分布图CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUREFRFDGNDILEXFERIout1Iout21234567891019181716151413121120下一页返回上一页退出章目录数字地端反馈电阻外接端CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUREFRFDGNDILEXFERIout1Iout21234567891019181716151413121120DAC0832管脚分布图下一页返回上一页退出章目录输入锁存允许信号，高电平有效芯片工作电压输入端写入控制端低电平有效，与配合使用XFERCSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUREFRFDGNDILEXFERIout1Iout21234567891019181716151413121120DAC0832管脚分布图下一页返回上一页退出章目录电流输出端单极性输出时。Iout2接模拟地传送控制端低电平有效，与WR2配合使用CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUREFRFDGNDILEXFERIout1Iout21234567891019181716151413121120DAC0832管脚分布图下一页返回上一页退出章目录7.1.2D/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有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率。通常D/A转换器的建立时间不大于1S下一页返回上一页退出章目录7.2A/D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。直接型A/D转换器间接型A/D转换器逐次逼近型A/D转换器并联比较型A/D转换器双积分型ADC下一页返回上一页退出章目录7.2.1A/D转换器的基本原理1．A/D转换器的基本原理取样时间上离散的信号保持、量化量值上也离散的信号编码模拟信号数字信号时间上和量值上都连续时间上和量值上都离散模数转换一般分为取样、保持和量化、编码两步进行。下一页返回上一页退出章目录取样、保持vIvSS(t)(a)取样电路示意图vItOt1t2t3t4t5(b)输入模拟信号S(t)tt1t2t3t4t5tW(c)取样脉冲tt1t2t3t4t5(d)取样信号vSTStt1t2t3t4t5(e)取样保持信号vOOOO取样时间(tW)保持时间(TS－tW)（１）取样、保持取样就是对模拟信号周期性地抽取样值，使模拟信号变成时间上离散的脉冲串，取样值取决于取样时间内输入模拟信号的大小。采样定理:根据取样定理，取样频率的选取一般为：max2siffmax2.5~3siff下一页返回上一页退出章目录取样－保持电路vIS(t)vO＋－AC(a)要对模拟信号的取样值进行量化和编码，必须使取样值保持一定的时间。取样和保持是由取样－保持电路完成的。7S＋－A1LvIS(t)＋－A2vOCk30300RPVB6541238（外接）调零（外接）(b)V＋V－下一页返回上一页退出章目录模拟电压vI/V量化值二进制数输出765432107.56.55.54.53.52.51.50.57Δ=7V1116Δ=6V1105Δ=5V1014Δ=4V1003Δ=3V0112Δ=2V0101Δ=1V0010Δ=0V000量化方法之一有舍有五入法（２）量化、编码用数字量表示取样电压值时，要将取样电压化为某个最小数量单位(1LSB)的整数倍，这一转换过程称为量化，所取的最小单位称为量化单位，用Δ表示，Δ=1LSB。将量化的结果转化为对应的代码，称为编码。实际输入电压值与量化值之间的偏差称为量化误差。四舍五入量化法：采用四舍五入的方法量化取整。最大量化误差为Δ/2。下一页返回上一页退出章目录模拟电压vI/V量化值二进制数输出876543217=7V1116=6V1105=5V1014=4V1003=3V0112=2V0101=1V0010=0V000量化方法之