第二十三章模拟量和数字量的转换

下一页返回上一页退出章目录第23章模拟量和数字量的转换23.1D/A转换器23.2A/D转换器下一页返回上一页退出章目录第23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23.1D/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23.1.1倒T型电阻网络D/A转换器参考电压各位的数码控制相应位的模拟开关，数码为“1”时，开关接运放反相输入端；为“0”时接“地”。1.电路模拟开关UUOORFIRDCA+URS1S0S2S32R2R2R2R++A0RRRI01B112Rd0d1d2d3I02++-11000(LSB)(MSB)UUOORFIRDCA+URS1S0S2S32R2R2R2R++A0RRRI01B112Rd0d1d2d3I02++-11000(LSB)(MSB)下一页返回上一页退出章目录从基准电压UR输出的总电流固定不变RUIRR1021II2121II3221IIRII2132.转换原理UUOORFIRDCA+URS1S0S2S32R2R2R2R++A0RRRI01B112Rd0d1d2d3I02++-11000(LSB)(MSB)UUOORFIRDCA+URS1S0S2S32R2R2R2R++A0RRRI01B112Rd0d1d2d3I02++-11000(LSB)(MSB)下一页返回上一页退出章目录0R1R2R3R0116842dRUdRUdRUdRUI)24(8160123RddddRU)24(8201234FRFFOddddRRURIU012301IIIII运算放大器输出的模拟电压流入运算放大器的总电流)2...22(2002211FROdddRRUUnnnnn若输入n位二进制数)2...22(2002211ROdddUUnnnnn若RF=R下一页返回上一页退出章目录23.1.2D/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。23.1.3DAC0832D/A转换器下一页返回上一页退出章目录1.内部简化电路框图DAC0832简化电路框图八位八位寄存器寄存器输入输入八位八位寄存器寄存器DACDAC八位八位转换器转换器UUREFREFRRFFIIout1out1IIout2out2AGNDAGNDUUCCCCDGNDDGND&&ILEILECSCSWRWR11WRWR22XFERXFERD/AD/ADD77DD00............1111≥≥≥≥八位八位寄存器寄存器输入输入八位八位寄存器寄存器DACDAC八位八位转换器转换器UUREFREFRRFFIIout1out1IIout2out2AGNDAGNDUUCCCCDGNDDGND&&ILEILECSCSWRWR11WRWR22XFERXFERD/AD/ADD77DD00............DD77DD00............1111≥≥≥≥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DAC0832管脚分布图CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUREFRFDGNDILEXFERIout1Iout21234567891019181716151413121120下一页返回上一页退出章目录CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUREFRFDGNDILEXFERIout1Iout21234567891019181716151413121120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XFERDAC0832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DA0832的典型应用单片机的地址线P2.7与XFER连接作为片选信号；D/A中两级寄存器的写信号均由单片机的WR端控制；当P2.7为“0”选中DAC0832时，只要输出WR控制信号，DAC8032就能完成数字量的输入锁存和D/A的输出。当基准电压是5V时，输出电压范围是0～5V。单片机8051P0.1P0.7D7D0CSXFERWR1WR2P2.7WRDAC0832UccILERF+5VIout1Iout2UoRf+单片机8051P0.1P0.7D7D0CSXFERWR1WR2P2.7WRDAC0832UccILERF+5VIout1Iout2UoRf+下一页返回上一页退出章目录集成ADC芯片举例AD7520各管脚功能：d0~d9：十位数字量的输入端；IO1、IO2：电流输出端；RF：反馈信号输入端；UDD：电源接线端；GND：接地端。UR：参考电源，可正可负；AD7520的外引线排列及连接电路URIO1IO2RFGNDd4AD752012345678161514131211109UDD+URd3d2d1d0d5d6d7d8d9UUOO++–URIO1IO2RFGNDd4AD752012345678161514131211109UDD+URd3d2d1d0d5d6d7d8d9UUOO++–下一页返回上一页退出章目录A/D转换8位电流输出型D/A转换器。I/V转换可通过编程，利用数/模转换器输出特定波形。255RO输入数字量UUUREFAD7524CSWRIO2IO1UDDGND+5V+5VIOW译码器来UO++US-USD7~D0RfUREFAD7524CSWRIO2IO1UDDGND+5V+5VIOW译码器来UO++US-USD7~D0Rf下一页返回上一页退出章目录23.2A/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。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。逐次逼近型模—数转换器原理框图顺序脉冲发生器逐次逼近寄存器DAC电压比较器输出数字量输入电压UiUA顺序脉冲发生器顺序脉冲发生器逐次逼近寄存器逐次逼近寄存器DACDAC电压比较器电压比较器输出数字量输入电压UiUA下一页返回上一页退出章目录23.2.1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下一页返回上一页退出章目录QF3SRRF2SQRF1SQRF0SQ&d3&d2&d1&d0读出“与门”&&&&≥1≥1≥1d3d0E读出控制端UiUA－＋∞△＋电压比较器逐次逼近寄存器控制逻辑门时钟脉冲五位顺序脉冲发生器四位逐次逼近型模-数转换器的原理电路四位D/A转换器CQ4Q3Q2Q1Q0d2d1QF3SRRF2SQRF1SQRF0SQ&d3&d2&d1&d0读出“与门”&&&&≥1≥1≥1d3d0E读出控制端UiUA－＋∞△＋电压比较器逐次逼近寄存器控制逻辑门时钟脉冲五位顺序脉冲发生器四位逐次逼近型模-数转换器的原理电路四位D/A转换器CQ4Q3Q2Q1Q0d2d1下一页返回上一页退出章目录((待转换的模拟电压待转换的模拟电压))顺序脉冲发生器顺序脉冲发生器UUII－－＋＋数码寄存器数码寄存器D/AD/A转换器转换器uO控控制制逻逻辑辑时钟清清00、置数、置数清清00、置数、置数CPCP((移位命令移位命令))““11””状态是否保留状态是否保留控制端控制端UUAA试探电压试探电压((待转换的模拟电压待转换的模拟电压))顺序脉冲发生器顺序脉冲发生器UUII－－＋＋数码寄存器数码寄存器D/AD/A转换器转换器uO控控制制逻逻辑辑时钟清清00、置数、置数清清00、置数、置数CPCP((移位命令移位命令))““11””状态是否保留状态是否保留控制端控制端UUAA试探电压试探电压UUII－－＋＋数码寄存器数码寄存器数码寄存器数码寄存器D/AD/A转换器转换器uO控控制制逻逻辑辑时钟时钟清清00、置数、置数清清00、置数、置数CPCP((移位命令移位命令))““11””状态是否保留状态是否保留控制端控制端UUAA试探电压试探电压1.转换原理放哪一个砝码砝码是否保存下一页返回上一页退出章目录2.转换过程23411000UAUI6VUAUI5.5V留去留留4VUAUI5VUAUI“1”留否d3d2d1d0UA(V)顺序比较判断110010101011例：UR=8V，UI=5.52V)2222(28001122334AddddUD/A转换器输出UA为正值下一页返回上一页退出章目录转换数字量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(280066778AdddU下一页返回上一页退出章目录逐次逼近转换过程示意图6VU/A3D2D1D0Dt0t1t310001100101010001011t2R3211U,D对应于时R2411U,D对应于时R1811U,D对应于时R01611U,D对应于时V,8RU设参考电压543210。输入电压V52.5IUUAUIUAUI输出数字量转换完毕,10110123ddddV5.5U对应模拟电压(转换误差:–0.02V)下一页返回上一页退出章目录23.2.2A/D变换器的主要技术指