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机电一体化技术基础及应用第二节数---模转换集成芯片模—数转换■定义：模拟信号到数字信号的转换，称为模—数转换，或称为A/D（AnalogtoDigital）转换。■把实现A/D转换的电路称为A/D转换器（AnalogDigitalConverter，简称ADC）。数—模转换■定义：数字信号到模拟信号的转换，称为数—模转换，或称为D/A（DigitaltoAnalog）转换。■把实现D/A转换的电路称为D/A转换器（DigitalAnalogConverter，简称DAC）。机电一体化技术基础及应用模拟信号数字信号机电一体化技术基础及应用被控对象模拟传感器数字处理系统执行元件非电量模拟电量数字量数字量模拟电量控制操作A/D转换器典型数字控制系统框图D/A转换器机电一体化技术基础及应用一、A/D转换器（一）A/D转换器的基本原理1、A/D转换器的基本原理为了将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，A/D转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，这些过程有的是合并进行的，例如，取样和保持，量化和编码往往都是在转换过程中同时实现。机电一体化技术基础及应用机电一体化技术基础及应用1、采样保持电路电路由输入放大器A1、输出放大器A2、保持电容CH和开关驱动电路组成。电路图中要求A1具有很高的输入阻抗，以减小对输入信号源的影响。为使保持阶段CH上所存电荷不易泄放，A2也应具有较高输入阻抗，A2还应具有较低的输出阻抗，这样可以提高电路的带负载能力。一般还要求电路中取样保持电路已有很多种型号的单片集成电路产品。如双极型工艺的有AD585、AD684；混合工艺的有AD1154、SHC76等。机电一体化技术基础及应用2、量化与编码量化为数值量化的简称，就是将取样—保持电路的输出电压，按某种近似方式规划到与之相应的离散电平上的转化过程。量化后的数值最后还须通过编码过程用一个代码表示出来。经编码后得到的代码就是A/D转换器输出的数字量。量化过程中所取最小数量单位称为量化单位，用D表示。它是数字信号最低位为1时所对应的模拟量，即1LSB。在量化过程中，由于取样电压不一定能被D整除，所以量化前后不可避免的存在误差，此误差称之为量化误差，用e表示。量化误差属原理误差，它是无法消除的。A/D转换器的位数越多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。机电一体化技术基础及应用3、A/D转换器的主要技术指标（1）分辨率A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示，位数越多，误差越小，转换精度越高。例如：输入模拟电压的变换范围为0～5V，输出8位二进制数可以分辨的最小模拟电压为；输出12位二进制数可以分辨的最小模拟电压为：mVV20258mVV22.12512（2）相对精度在理想情况下，所有的转换点应当在一条直线上。相对精度是指：实际的各个转换点偏离理想特性的误差。即转换范围内，任一数字量所对应的模拟输入量实际值与理论值之间的差值。（3）转换时间和转换率转换时间：完成一次转换所需的时间。即从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间。机电一体化技术基础及应用4、常用A/D转换芯片的特性（1）ADC的外特性从使用的角度看，ADC的外特性包括以下4部分：1）模拟信号输入端；2）数字量的并行输出端；3）起动转换的外部控制信号；4）转换完毕由转换器发出的转换结束信号。机电一体化技术基础及应用（2）A/D转换电路的输出方法：1）若ADC的数据输出寄存器具有可控的三态门。ADC的输出线允许与微型机系统的数据总线相连，并在转换结束后利用读信号RD控制三态门，将数据送上总线。2）若ADC的数据输出寄存器不具备可控的三态门电路，而是直接与芯片管脚相连。ADC芯片的数据输出线不允许与系统的数据总线直接相连，而必须通过I/O通道与CPU交换信息。机电一体化技术基础及应用根据转换方式的不同，ADC可分为三类：并联比较型ADC，逐次逼近型ADC和双积分型ADC。不同的A/D转换方式具有各自的特点：并联比较型ADC：转换速度快，但其需要使用的比较器和触发器很多。随着分辨率的提高，所需要的元件数目也按几何级数增加。双积分型ADC：性能较稳定，转换精度高，抗干扰能力较强，电路简单，但其工作速度较低。逐次逼近型ADC：分辨率较高、误差较低、转换速度较快，在一定程度上兼顾了前两者转换器的优点，因此得到普遍的应用。机电一体化技术基础及应用转换开始前，先将所有寄存器清零。开始转换以后，时钟脉冲首先将寄存器最高位置1，使输出数字为100…0。这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压uo,送到比较器中与ui进行比较。若ui≥uo,说明数字过大，故将最高位的1清除；若uiuo,说明数字还不够大，应将该位保留；然后再按相同的方式将次高位置1，并且经过比较后确定这个1是否应该保留。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。逐次逼近型ADC的工作原理机电一体化技术基础及应用机电一体化技术基础及应用机电一体化技术基础及应用（二）A/D转换芯片（ADC0804）8位CMOS逐次逼近型ADC；三态锁定输出；分辨率：8位；转换精度：±1LSB；输入电压：0～5V；转换时间：100us；增加外接电路后，输入模拟电压可为5V；芯片的输出总线可直接连接在CPU的数据总线上，无需附加逻辑接口电路。机电一体化技术基础及应用机电一体化技术基础及应用2.ADC0801机电一体化技术基础及应用机电一体化技术基础及应用机电一体化技术基础及应用机电一体化技术基础及应用二、D/A转换器D/A转换器将输入的数字量转换为模拟量输出。数字量由若干数位构成,D/A转换即把每一位上的代码按照权值转换为对应的模拟量，再把各位所对应的模拟量相加，所得到各位模拟量的和便是数字量所对应的模拟量。在集成化的D/A转换器中，通常采用电阻网络实现将数字量转换为模拟电流，然后再用运算放大器完成模拟电流到模拟电压的转换。目前D/A转换集成电路芯片大都包含了这两个部分，如果只包含电阻网络的D/A芯片，则需要连接外接运算放大器才能转换为模拟电压。机电一体化技术基础及应用（1）电压输出型电压输出型D/A转换器虽有直接从电阻阵列输出电压的，但一般采用内置输出放大器以低阻抗输出。直接输出电压的器件仅用于高阻抗负载，由于无输出放大器部分的延迟，故常作为高速D/A转换器使用。（一）D/A转换器的分类机电一体化技术基础及应用（2）电流输出型电流输出型D/A转换器直接输出电流，但应用中通常外接电流--电压转换电路得到电压输出。可以直接在输出引脚上连接一个负载电阻，实现电流一电压转换。但多采用的是外接运算放大器的形式。另外，大部分CMOSD/A转换器当输出电压不为零时不能正确动作，所以必须外接运算放大器。由于在D/A转换器的电流建立时间上加入了外接运算放入器的延迟，故D/A响应变慢。该类型电路中的运算放大器因输出引脚的内部电容而容易起振，有时必须作相位补偿。机电一体化技术基础及应用（3）乘算型D/A转换器中有使用恒定基准电压的，也有在基准电压输入上加交流信号的，后者由于能得到数字输入和基准电压输入相乘的结果而输出，因而称为乘算型D/A转换器。乘算型D/A转换器一般不仅可以进行乘法运算，而且可以作为使输入信号数字化地衰减的衰减器及对输入信号进行调制的调制器使用。机电一体化技术基础及应用◆根据建立时间的长短，D/A转换器可分为:●低速D/A转换器，建立时间≥100μs；●中速D/A转换器，建立时间为10～100μs；●较高速D/A转换器，建立时间为1～10μs；●高速D/A转换器，建立时间为100ns～1μs；●超高速D/A转换器，建立时间为＜100ns。机电一体化技术基础及应用◆根据电阻网络的结构,DAC可以分为：权电阻网络D/A转换器T型电阻网络D/A转换器倒T型电阻网络D/A转换器权电流D/A转换器机电一体化技术基础及应用（1）绝对精度对应于给定的刻度数字量，D/A转换电路实际输出与理论值之间的误差。一般应低于2-（n+1）或LSB/2。（2）相对精度满刻度已校准的情况下，在整个刻度范围内，对应于任一数码的模拟量输出与它的理论值之差。两种表示方法：将偏差用数字量最低有效位的位数LSB表示；用该偏差相对满刻度的百分比表示。（二）D/A转换器的技术指标机电一体化技术基础及应用（3）分辨率指最小模拟输出量（对应数字量仅最低位为‘1’）与最大量（对应数字量所有有效位为‘1’）之比。用来描述D/A转换器对微小输入量变化的敏感度。用数字量的位数表示。一个分辨率为n位的转换器，它能对刻度的2-n输入作出反应。（4）建立时间建立时间是指将一个数字量转换为稳定模拟信号所需的时间,也可以认为是转换时间。DA中常用建立时间来描述其速度,而不是AD中常用的转换速率。一般地,电流输出DA建立时间较短,电压输出DA则较长。其他指标还有线性度（Linearity）、转换精度、温度系数／漂移等。机电一体化技术基础及应用（三）常用D/A转换芯片特性D/A转换芯片输出方式有两种：电流输出型、电压输出型。数字量输入数字量输入图3-23D/A转换输出两种方式电流输出型：相当于电流源，内阻Rp较大，使用时，负载电阻不可太大。电压输出型：相当于电压源，内阻Rs较小，使用时，负载电阻应较大。实际应用时，常用电流型实现电压输出。机电一体化技术基础及应用图3-24D/A转换连接成电压输出方式a)反相输出b)同相输出电流输出型D/A转换芯片实现电压输出反向输出电压：UOUT=-IR同相输出电压：UOUT=IR(1+R2/R1)b)a)机电一体化技术基础及应用图3-25D/A转换输出连接线路a)单极性输出b)双极性输出D/A转换器的单极性输出、双极性输出a)b)2342RRRREFOUTVVU12机电一体化技术基础及应用图3-26AD7524应用线路（四）D/A转换芯片的应用（AD7524）CMOS低功耗8位DAC1、芯片特点：◆双极性输出；◆可与大多数微处理器总线或输出端口直接接口；◆参考电压可由正电源或负电源提供，故输出电压可随之改变极性。功能表2、CS：片选信号WR：写信号D0—D7：数据输入端机电一体化技术基础及应用当片选信号CS和写信号WR是低电平时，AD7524处于写模式，并将数据总线D0～D7上的数据写入芯片的输入寄存器。此时的模拟输出对应着8位数据输入值。该模式下，AD7524与没有输入寄存器一样。当片选信号CS和写信号WR二者有一个为高电平时，芯片处于保持模式，此时模拟量输出保持在WR或CS变高时刻前输入的数字量所对应的模拟量值。数字量输入的更新，将引起模拟量输出的变化。机电一体化技术基础及应用数字量MSBLSB模拟量111111111000000110000000011111110000000100000000256255REFV256129REFV256128REFV256127REFV2561REFV2560REFV表3-9输入数字量与输出模拟量的对应值机电一体化技术基础及应用第三节多路模拟开关集成芯片在机电一体化实时控制与实时数据处理系统中，被控制与被测量的回路往往是几路或几十路。对这些回路的参量进行模数、数模转换时，常采用公共的模数、数模转换电路。因此，对各路进行转换时就存在分时占用模数、数模转换电路的问题。常采用多路开关轮流切换各被测回路与模数、数模转换电路间的通路，以实现分时处理。机电一体化技术基础及应用一、常用多路开关的参数和性能性能：实际应用中，对于多路A/D通道的切换，常采用多通道输入、单通道输出（输出为公用的一条线）的多路开关。对于多路A/D通道的切换，常采用单通道输入、多通道输出的多路开关。机电一体化技术基础及应用二、多路模拟开关集成芯片1.无译码器的多路开关开关类型：TL182C，AD7510，AD7511，AD7512等。AD7510的引脚图芯片中无译码