第四章数据采集与控制

1、第四章数据采集与控制第四章第四章 数数/ /模和模模和模/ /数转换数转换 第四章数据采集与控制传感器传感器(温度、压力、流温度、压力、流量等模拟量）量等模拟量）A/D计算机计算机（数字量）（数字量）显示器显示器D/A执行部件执行部件（模拟量控制）（模拟量控制）打印机打印机概述概述能够将模拟量转换为能够将模拟量转换为数字量的器件称为模数字量的器件称为模数转换器，简称数转换器，简称A/DA/D转转换器或换器或ADCADC。能够将数字量转换为能够将数字量转换为模拟量的器件称为数模拟量的器件称为数模转换器，简称模转换器，简称D/AD/A转转换器或换器或DACDAC。 ADC ADC和和DACDAC是

2、沟通模拟电路和数字电是沟通模拟电路和数字电路的桥梁，也可称之为两者之间的接口路的桥梁，也可称之为两者之间的接口. .ADCADC和和DACDAC的应用：的应用：第四章数据采集与控制第四章数据采集与控制 A/D A/D转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程通过转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程通过取样、保持、量化和编码四个步骤完成。取样、保持、量化和编码四个步骤完成。 模数转换器模数转换器A/DA/D转换器的基本工作原理转换器的基本工作原理采样保持量化编码VIDO模拟量输入模拟量输入数字量输出数字量输出第四章数据采集与控制 取样（也称采样）是将时间上连续变化的信号，转换为时取样（也称采样

3、）是将时间上连续变化的信号，转换为时间上离散的信号，即将时间上连续变化的模拟量转换为一系列间上离散的信号，即将时间上连续变化的模拟量转换为一系列等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。取样和保持取样和保持 取样过程取样过程 采样脉冲采样脉冲 输输入入模模拟拟信信号号 采采样样输输出出信信号号 max2 ffs第四章数据采集与控制 模拟信号经采样后，得到一系列样值脉冲。采样脉冲宽度模拟信号经采样后，得到一系列样值脉冲。采样脉冲宽度一般是很短暂的，在下一个采样脉冲到来之前，应暂时保持一般是很短暂的，在下一个采样脉冲到来之前，应暂时保持所取得的样值脉冲幅度

4、，以便进行转换。因此，在取样电路之所取得的样值脉冲幅度，以便进行转换。因此，在取样电路之后须加保持电路。后须加保持电路。在采样脉冲在采样脉冲S(tS(t) )到来的时间到来的时间内，内，VTVT导通，导通，U UI I( (t t) )向电容向电容C C充电，假充电，假定充电时间常数远小于定充电时间常数远小于，则有：则有：U UO O(t)(t)U US S(t)(t)U UI I(t)(t)。采样。采样采样结束，采样结束，VTVT截止，而电容截止，而电容C C上电压保持充电电压上电压保持充电电压U UI I(t)(t)不变，直到不变，直到下一个采样脉冲到来为止。保持下一个采样脉冲到来为止。保

5、持 场效应管场效应管VTVT为采样门，电容为采样门，电容C C为保持电容，运算放大器为跟为保持电容，运算放大器为跟随器，起缓冲隔离作用。随器，起缓冲隔离作用。取样保持电路及输出波形取样保持电路及输出波形第四章数据采集与控制 输入的模拟电压经过取样保持后，得到的是阶梯波。而该阶输入的模拟电压经过取样保持后，得到的是阶梯波。而该阶梯波仍是一个可以连续取值的模拟量，但梯波仍是一个可以连续取值的模拟量，但n n位数字量只能表示位数字量只能表示2 2n n个数值。因此，用数字量来表示连续变化的模拟量时就有一个类个数值。因此，用数字量来表示连续变化的模拟量时就有一个类似于四舍五入的近似问题。似于四舍五入的

6、近似问题。量化和编码量化和编码 将采样后的样值电平归化到与之接近的离散电平上，这个过将采样后的样值电平归化到与之接近的离散电平上，这个过程称为量化。指定的离散电平称为量化电平程称为量化。指定的离散电平称为量化电平U Uq q 。用二进制数码。用二进制数码来表示各个量化电平的过程称为编码。两个量化电平之间的差值来表示各个量化电平的过程称为编码。两个量化电平之间的差值称为量化单位称为量化单位，位数越多，量化等级越细，位数越多，量化等级越细，就越小。取样保就越小。取样保持后未量化的持后未量化的U Uo o值与量化电平值与量化电平U Uq q值通常是不相等的，其差值称为值通常是不相等的，其差值称为量化

7、误差量化误差，即，即= =U Uo o- -U Uq q。量化的方法一般有两种：只舍不入法和有舍有入法。量化的方法一般有两种：只舍不入法和有舍有入法。第四章数据采集与控制1)1)只舍不入法只舍不入法 当当U Uo o的尾数的尾数时，时，舍尾取整。这种方法舍尾取整。这种方法总总为正值，为正值，maxmax 。 2)2)有舍有入法有舍有入法 当当U Uo o的尾数的尾数/2/2时，舍时，舍尾取整；当尾取整；当U Uo o的尾数的尾数/2/2时，时，舍尾入整。这种方法舍尾入整。这种方法可正可可正可负，但是负，但是| | maxmax|= |= /2/2。可见，。可见，它的误差要小。它的误差要小。 第

8、四章数据采集与控制 A/D A/D转换器有直接转换法和间接转换法两大类。转换器有直接转换法和间接转换法两大类。 直接法是通过一套基准电压与取样保持电压进行比较，从直接法是通过一套基准电压与取样保持电压进行比较，从而直接将模拟量转换成数字量。其特点是工作速度高，转换精而直接将模拟量转换成数字量。其特点是工作速度高，转换精度容易保证，调准也比较方便。直接度容易保证，调准也比较方便。直接A/DA/D转换器有计数型、逐次转换器有计数型、逐次比较型、并行比较型等。比较型、并行比较型等。 间接法是将取样后的模拟信号先转换成中间变量时间间接法是将取样后的模拟信号先转换成中间变量时间t t或频或频率率f f,

9、 , 然后再将然后再将t t或或f f转换成数字量。其特点是工作速度较低，但转换成数字量。其特点是工作速度较低，但转换精度可以做得较高，且抗干扰性强。间接转换精度可以做得较高，且抗干扰性强。间接A/DA/D转换器有单次转换器有单次积分型、双积分型等。积分型、双积分型等。A/DA/D转换器的主要电路形式转换器的主要电路形式第四章数据采集与控制 R + C5 + C6 + C4 + C3 + C2 + C1 + C0 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 & & & & & & UREF ui d2 d1 d0 R/2 R R R R R R CP 电

10、电 压压 比比较较 器器 FF7 FF6 FF5 FF4 FF3 FF2 FF1 寄寄 存存 器器 编编 码码 器器 15U13REF 15U11REF 15U9REF 15U7REF 15U5REF 15U3REF 15U1REF 1. 并行比较型并行比较型A/D转换器转换器 量化电平依据有舍有量化电平依据有舍有入划分为入划分为7 7个电平。个电平。量化单位为量化单位为 =(2/15)U=(2/15)UREFREF量化误差为量化误差为| |maxmax|= (1/15)U|= (1/15)UREFREF电压比较器电压比较器 U U+ +U U- -时，时，C Ci i1 1； U U+ +U

11、 U- -时，时，C Ci i0 0。 第四章数据采集与控制 并行比较型并行比较型A/DA/D转换器真值表转换器真值表1输入模拟电压寄存器状态数字量输出（编码器输入）（编码器输出）QQQQQQQ6543210ddd210uI15()15)(1515)(1515)(1515)(1515)(1515)(1515)(1033557799111113131UREFUREFUREFUREFUREFUREFUREFUREF00000011111111111110111001100110110111000100100000000100000001010011100101110111例如：例如：u uI I4

12、.2V4.2V，U UREFREF6V6V。3.6V3.6V4.4V4.4V则数字量输出则数字量输出d d2 2d d1 1d d0 0101101。第四章数据采集与控制优点：转换速度很快，故又称高速优点：转换速度很快，故又称高速A/DA/D转换器。含有寄存器转换器。含有寄存器的的A/DA/D转换器兼有取样保持功能，所以它可以不用附加取样保转换器兼有取样保持功能，所以它可以不用附加取样保持电路。持电路。缺点：电路复杂，对于一个缺点：电路复杂，对于一个n n位二进制输出的并行比较型位二进制输出的并行比较型A/DA/D转换器，需转换器，需n n -1-1个电压比较器和个电压比较器和2 2n n -

13、1-1个触发器，编码电路也个触发器，编码电路也随随n n的增大变得相当复杂。且转换精度还受分压网络和电压比的增大变得相当复杂。且转换精度还受分压网络和电压比较器灵敏度的限制。较器灵敏度的限制。 因此，这种转换器适用于高速，因此，这种转换器适用于高速， 精度较低的场合。精度较低的场合。 并行比较型并行比较型A/DA/D转换器的特点转换器的特点第四章数据采集与控制2. 逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器转换器 取样保持 n位DAC 控制逻辑 + - + C 时钟源 Qn-1Qn-2Qn-3 Q2Q1Q0 逐位逼近寄存器 （SAR） 输出寄存器 转换控 制信号 模拟输入 u1 u1 偏移电压 u0 u

14、0 /2 UREF 比较器 UC CP US dn-1(MSB) dn-2 n位并行 d2 数字输出 d1 d0 (LSB) 逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D转换器原理图转换器原理图 第四章数据采集与控制转换开始前先将逐次逼近寄存器转换开始前先将逐次逼近寄存器SARSAR清清“0 0”；开始转换以后，第一个时钟脉冲首先将寄存器最高位置成开始转换以后，第一个时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1 1，使输出数字为使输出数字为1001000 0。这个数码被。这个数码被D/AD/A转换器转换成相应的模转换器转换成相应的模拟电压拟电压u uo o，经偏移，经偏移/2/2后得到后得到u uO Ou uO O/

15、2/2，并送到比较器中，并送到比较器中与与u uI I进行比较。若进行比较。若u uI Iu uo o，说明数字过大，故将最高位的，说明数字过大，故将最高位的1 1清清除置零；若除置零；若u uI Iu uo o，说明数字还不够大，应将这一位保留。，说明数字还不够大，应将这一位保留。然后，按同样的方法将次高位置成然后，按同样的方法将次高位置成1 1，并且经过比较以后确，并且经过比较以后确定这个定这个1 1是保留还是清除。这样逐位比较下去，一直到最低位是保留还是清除。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。比较完毕后，为止。比较完毕后，SARSAR中的状态就是所要求的数字量输出。中的状态就是所要求的

16、数字量输出。逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D转换器的工作原理：转换器的工作原理： 第四章数据采集与控制例：若例：若U UREFREF-4V-4V，n n4 4。当采样保持电路输出电压。当采样保持电路输出电压u uI I=2.49V=2.49V时，试时，试列表说明逐次逼近型列表说明逐次逼近型ADCADC电路的电路的A/DA/D转换过程。转换过程。解：量化单位为解：量化单位为V2501642|U|nREF. 偏移电压为偏移电压为/2/20.125V0.125V转换的结果为：转换的结果为：d3d2d1d01010。第四章数据采集与控制第四章数据采集与控制 双积分型双积分型ADCADC的转换的转换原理

17、是先将模拟电压原理是先将模拟电压U UI I转换成与其大小成正比转换成与其大小成正比的时间间隔的时间间隔T T，再利用基，再利用基准时钟脉冲通过计数器准时钟脉冲通过计数器将将T T变换成数字量。变换成数字量。 双积分型双积分型A/DA/D转换器原理转换器原理第四章数据采集与控制工作过程工作过程1.1.初始化阶段初始化阶段CRCR清零，清零，S2S2闭合，电容放电闭合，电容放电2.2.第一次积分（经过第一次积分（经过2 2n n 个脉冲后，即个脉冲后，即t= 2t= 2n n * *TcTc后，后，第四章数据采集与控制3.3.第二次积分第二次积分第四章数据采集与控制n 首先，其转换结果与时间常数

18、首先，其转换结果与时间常数RC无关，从而消除了由于无关，从而消除了由于斜波电压非线性带来的误差，允许积分电容在一个较宽范斜波电压非线性带来的误差，允许积分电容在一个较宽范围内变化，而不影响转换结果。围内变化，而不影响转换结果。n 其次，由于输入信号积分的时间较长，且是一个固定值其次，由于输入信号积分的时间较长，且是一个固定值T1，而，而T2正比于输入信号在正比于输入信号在T1内的平均值，这对于叠加内的平均值，这对于叠加在输入信号上的干扰信号有很强的抑制能力。最后，这种在输入信号上的干扰信号有很强的抑制能力。最后，这种A/D转换器不必采用高稳定度的时钟源，它只要求时钟转换器不必采用高稳定度的时钟

19、源，它只要求时钟源在一个转换周期（源在一个转换周期（T1+T2）内保持稳定即可。这种转）内保持稳定即可。这种转换器被广泛应用于要求精度较高而转换速度要求不高的仪换器被广泛应用于要求精度较高而转换速度要求不高的仪器中。器中。 第四章数据采集与控制mVVV44.2096410101221分辨率分辨率= 1. 1. 分辨率分辨率 分辨率指分辨率指A/DA/D转换器对输入模拟信号的分辨能力。从理论转换器对输入模拟信号的分辨能力。从理论上讲，一个上讲，一个n n位二进制数输出的位二进制数输出的A/DA/D转换器应能区分输入模拟电转换器应能区分输入模拟电压的压的2 2n n个不同量级，能区分输入模拟电压的

20、最小差异为个不同量级，能区分输入模拟电压的最小差异为 （满量程输入的（满量程输入的1/21/2n n）。）。 FSRn21A/DA/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标例如，例如，A/DA/D转换器的输出为转换器的输出为1212位二进制数，最大输入模拟信号位二进制数，最大输入模拟信号为为10V10V，则其分辨率为，则其分辨率为 第四章数据采集与控制2. 2. 转换时间转换时间 转换时间是指转换时间是指A/DA/D转换器从接到转换启动信号开始，到输转换器从接到转换启动信号开始，到输出端获得稳定的数字信号所经过的时间。出端获得稳定的数字信号所经过的时间。 A/DA/D转换器的转换速度主要取决

21、于转换电路的类型，不同转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型，不同类型类型A/DA/D转换器的转换速度相差很大。转换器的转换速度相差很大。双积分型双积分型A/DA/D转换器的转换速度最慢，需几百毫秒左右；转换器的转换速度最慢，需几百毫秒左右；逐次逼近式逐次逼近式A/DA/D转换器的转换速度较快，需几十微秒；转换器的转换速度较快，需几十微秒；并行比较型并行比较型A/DA/D转换器的转换速度最快，仅需几十纳秒时间。转换器的转换速度最快，仅需几十纳秒时间。 第四章数据采集与控制3. 3. 转换误差转换误差 它表示它表示A/DA/D转换器实际输出的数字量和理论上输出的数字量转换器实际输出的数字量和理

22、论上输出的数字量之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。之间的差别。常用最低有效位的倍数表示。例如，转换误差例如，转换误差 。就表明实际输出的数字量和理。就表明实际输出的数字量和理论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。论上应得到的输出数字量之间的误差小于最低位的半个字。LSB21例：某信号采集系统要求用一片例：某信号采集系统要求用一片A/DA/D转换集成芯片在转换集成芯片在1s1s内对内对1616个热电个热电偶的输出电压分数进行偶的输出电压分数进行A/DA/D转换。已知热电偶输出电压范围为转换。已知热电偶输出电压范围为0 025mV25mV（对应于（对应于0 0450450温度范围

23、），需分辨的温度为温度范围），需分辨的温度为0.10.1，试问应选择几，试问应选择几位的位的A/DA/D转换器？其转换时间为多少？转换器？其转换时间为多少？解：解：4500145010 .分辨率分辨率= 409612112 12位位ADC的分辨率的分辨率= 故需选用故需选用1313位位A/DA/D转换器。转换器。ms562161. 转换时间转换时间= 第四章数据采集与控制模数转换器举例模数转换器举例- -8位集成位集成ADC0809 1.ADC08091.ADC0809特性参数特性参数 分辨率：分辨率： 8 8位位精度：精度： 8 8位位转换时间：转换时间： 100100s s增益温度系数：增

24、益温度系数： 20ppm/20ppm/输入电平：输入电平： TTLTTL功耗：功耗： 15mW15mW ADC0809 ADC0809是采用是采用CMOSCMOS工艺制成的工艺制成的8 8位八通道逐次逼近型位八通道逐次逼近型A/DA/D转换器。转换器。第四章数据采集与控制发出发出A/DA/D转换启动信号转换启动信号STARTSTART，在，在STARTSTART的上升沿将的上升沿将SARSAR清清0 0，转换结束标志，转换结束标志EOCEOC变为低电平，在变为低电平，在STARTSTART的下降沿开的下降沿开始转换；始转换；2.ADC08092.ADC0809工作原理工作原理转换结束后，转换结

25、束后，EOCEOC跳为高电平，在跳为高电平，在OEOE端输入高电平，从端输入高电平，从而得到转换结果输出。而得到转换结果输出。输入输入3 3位地址信号，在位地址信号，在ALEALE脉冲的上升沿将地址锁存，经脉冲的上升沿将地址锁存，经译码选通某一通道的模拟信号进入比较器；译码选通某一通道的模拟信号进入比较器；转换过程在时钟脉冲转换过程在时钟脉冲CLKCLK的控制下进行；的控制下进行；第四章数据采集与控制第四章数据采集与控制ININ0 0ININ7 7：8 8路模拟电压输入。路模拟电压输入。 ADDADDC C、ADDADDB B、ADDADDA A：3 3位地址信号。位地址信号。 ALEALE：

26、地址锁存允许信号输入，高电平有效。：地址锁存允许信号输入，高电平有效。 D D7 7D D0 0（2 2-1-12 2-8-8）：）：8 8位二进制数码输出。位二进制数码输出。 OEOE：输出允许信号，高电平有效。即当：输出允许信号，高电平有效。即当OE=1OE=1时，打开输出时，打开输出锁存器的三态门，将数据送出。锁存器的三态门，将数据送出。 U UR(+)R(+)和和U UR(-)R(-)：基准电压的正端和负端。：基准电压的正端和负端。3.ADC08093.ADC0809引脚功能引脚功能第四章数据采集与控制CLKCLK：时钟脉冲输入端。一般在此端加：时钟脉冲输入端。一般在此端加500kHz

27、500kHz的时钟信号。的时钟信号。 STARTSTART：A/DA/D转换启动信号，为一正脉冲。在转换启动信号，为一正脉冲。在STARTSTART的上升的上升沿将逐次比较寄存器沿将逐次比较寄存器SARSAR清清0 0，在其下降沿开始，在其下降沿开始A/DA/D转换过转换过程。程。 EOCEOC：转换结束标志输出信号。在：转换结束标志输出信号。在STARTSTART信号上升沿之后信号上升沿之后 EOCEOC信号变为低电平；当转换结束后，信号变为低电平；当转换结束后，EOCEOC变为高电平。此变为高电平。此信号可作为向信号可作为向CPUCPU发出的中断请求信号。发出的中断请求信号。 第四章数据采

28、集与控制第四章数据采集与控制第四章数据采集与控制第四章数据采集与控制第四章数据采集与控制第四章数据采集与控制 D/A D/A转换器实质上是一个译码器（解码器）。一般常转换器实质上是一个译码器（解码器）。一般常用的线性用的线性D/AD/A转换器，其输出模拟电压转换器，其输出模拟电压uO O和输入数字量和输入数字量D Dn n之间成正比关系。之间成正比关系。U UREFREF为参考电压。为参考电压。D/AD/A转换器的设计原理转换器的设计原理数模转换器数模转换器 D/A D/A转换器是将输入的二进制数字量转换成模拟量，转换器是将输入的二进制数字量转换成模拟量，以电压或电流的形式输出。以电压或电流的

29、形式输出。 uo或或io 输输出出 D/A d0 d1 dn1 输输入入 Dn (LSB) (MSB) uODnUREF第四章数据采集与控制 将输入的每一位二进制代码按其权值大小转换成相应将输入的每一位二进制代码按其权值大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，则所得的总模的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，则所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。的转换。 1 -n0iREFiiREF00REF11REF2n2nREF1n1nREFnoU2d U2dU2dU2dU2d UDu 1-n0iii00112n

30、2n1n1nn2d2d2d2d2dD即：即：D/AD/A转换器的输出电压转换器的输出电压u uO O，等于代码为，等于代码为1 1的各位所对应的各位所对应的各分模拟电压之和。的各分模拟电压之和。第四章数据采集与控制电压输出型（如TLC5620） 电压输出型DA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DA转换器使用。 电流输出型(如THS5661A) 电流输出型DA转换器很少直接利用电流输出，大多外接电流电压转换电路得到电压输出，后者有两种方法：一是只在输出引脚上接负载电阻而进行电流电压

31、转换，二是外接运算放大器。 乘算型（如AD7533） DA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DA转换器。一位DA转换器 第四章数据采集与控制 D/A D/A转换器一般由数码缓冲寄存器、模拟电子开关、转换器一般由数码缓冲寄存器、模拟电子开关、参考电压、解码网络和求和电路等组成。参考电压、解码网络和求和电路等组成。 数模转换器的构成数模转换器的构成数码缓冲数码缓冲寄存器寄存器n位数控位数控模拟开关模拟开关解码网络解码网络n位数字位数字量输入量输入模拟量模拟量输出输出求和电路求和电路参考电压参考电压n

32、n 位位D/AD/A转换器方框图转换器方框图 数字量以串行或并行方式输入，并存储在数码缓冲寄数字量以串行或并行方式输入，并存储在数码缓冲寄存器中；寄存器输出的每位数码驱动对应数位上的电子开存器中；寄存器输出的每位数码驱动对应数位上的电子开关，将在解码网络中获得的相应数位权值送入求和电路；关，将在解码网络中获得的相应数位权值送入求和电路；求和电路将各位权值相加，便得到与数字量对应的模拟量。求和电路将各位权值相加，便得到与数字量对应的模拟量。第四章数据采集与控制 Sn-1 Sn-2 S2 S1 S0 In-1 In-2 I2 I1 I0 20R 21R 2n-3R 2n-2R 2n-1R A (M

33、SB) (LSB) dn-1 dn-2 d2 d1 d0 RF (R/2) u0 UREF + I 1. 权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器 权电阻网络权电阻网络DAC原理图原理图 D/AD/A转换器的主要电路形式转换器的主要电路形式权电阻权电阻双向模拟开关双向模拟开关数字量输入数字量输入 模模拟拟量量输输出出 权电阻的排列顺序和权值的排列顺序相反。权电阻的排列顺序和权值的排列顺序相反。运算放大器运算放大器第四章数据采集与控制 集成运算放大器，作为求和权电阻网络的缓冲，并将电流集成运算放大器，作为求和权电阻网络的缓冲，并将电流转换为电压输出。转换为电压输出。 Sn-1 Sn-2 S2 S1

34、 S0 In-1 In-2 I2 I1 I0 20R 21R 2n-3R 2n-2R 2n-1R A (MSB) (LSB) dn-1 dn-2 d2 d1 d0 RF (R/2) u0 UREF + I 0I0d2R2UR2UI1diii1nREFi1nREFii时，时，时，时，权电阻网络权电阻网络DACDAC的原理分析的原理分析 开关开关S Si i的位置受数据锁存器输出的数码的位置受数据锁存器输出的数码d di i控制：当控制：当d di i=1=1时，时，S Si i将对将对应的权电阻接到参考电压应的权电阻接到参考电压U UREFREF上；当上；当d di i=0=0时，时，S Si

35、i将对应的权电阻接地。将对应的权电阻接地。i1nREFii1nREFii2R2UdR2UdI 虚短虚短第四章数据采集与控制 1-n0iii1-nREFi -1-nREF1-n0ii1-n0ii0122n1n2dR2UR2UdI IIIIII虚断虚断运算放大器总的输入电流为运算放大器总的输入电流为 运算放大器输出电压为运算放大器输出电压为 1n0iii1nREFFFO2dR2URIRu令令 R RF F=R/2 =R/2 ，则，则nnREF1n0iiinREFOD2U2d2Uu 即：输出的模拟电压即：输出的模拟电压u uO O正比于输入的数字量正比于输入的数字量D Dn n，从而实现，从而实现了

36、从数字量到模拟量的转换。了从数字量到模拟量的转换。权电阻网络权电阻网络DACDAC的原理分析的原理分析第四章数据采集与控制因而因而u uO O的变化范围是的变化范围是 REFnnU2120 当当Dn=Dn-1D0=0时，时，uO=0；当当Dn=Dn-1D0=111时，时， 。REFnnOU212u 权电阻网络权电阻网络D/AD/A转换器的特点转换器的特点优点：结构简单，电阻元件数较少；优点：结构简单，电阻元件数较少；缺点：阻值相差较大，制造工艺复杂。缺点：阻值相差较大，制造工艺复杂。权电阻网络权电阻网络DACDAC的原理分析的原理分析第四章数据采集与控制 A (MSB) (LSB) dn-1

37、dn-2 d2 d1 d0 RF (R) u0 UREF Sn-1 Sn-2 S2 S1 S0 2R 2R 2R 2R 2R 2R R R R R + 2. 倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器 数字量输入数字量输入 模模拟拟量量输输出出 电阻解码网络中，电阻只有电阻解码网络中，电阻只有R R和和2R2R两种，并构成倒两种，并构成倒T T型电阻网型电阻网络。当络。当d di i=1=1时，相应的开关时，相应的开关S Si i接到求和点；当接到求和点；当d di i=0=0时，相应的开时，相应的开关关S Si i接地。但由于虚短，求和点和地相连，所以不论开关如何转接地。但由于虚短，求和点

38、和地相连，所以不论开关如何转向，电阻向，电阻2R2R总是与地相连。这样，倒总是与地相连。这样，倒T T型网络的各节点向上看和型网络的各节点向上看和向右看的等效电阻都是向右看的等效电阻都是2R2R，整个网络的等效输入电阻为，整个网络的等效输入电阻为R R。求和点求和点倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器原理图转换器原理图 第四章数据采集与控制 A (MSB) (LSB) dn-1 dn-2 d2 d1 d0 RF (R) u0 UREF Sn-1 Sn-2 S2 S1 S0 2I 2I 2I 2I 2I n1-n2-n21 2R 2R 2R 2R 2R 2R R R R R n1-n2-n21

39、2I 2I 2I 2I 2I I + I 参考电压参考电压UREF供出的总电流为：供出的总电流为：RUIREF 0I0d2R2U2II1diiinREFinii时，时，时，时，inREFiinii2R2Ud2IdI 分流：流入求和点的各支路电流为：分流：流入求和点的各支路电流为：第四章数据采集与控制 1n0iiinREF1n0iiin00112n2n1n1nnn01n122n11n012-n1-n2dR2U2d2I2d2d2d2d2I2Id2Id2Id2IdIIIII)(流入求和点的电流为：流入求和点的电流为：虚断，运算放大器的输出电压为：虚断，运算放大器的输出电压为： 1n0iiinREFF

40、FO2dR2URIRu第四章数据采集与控制倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器的特点：转换器的特点： 优点：电阻种类少，只有优点：电阻种类少，只有R和和2R，提高了制造精度；而，提高了制造精度；而且支路电流流入求和点不存在时间差，提高了转换速度。且支路电流流入求和点不存在时间差，提高了转换速度。 应用：它是目前集成应用：它是目前集成D/A转换器中转换速度较高且使用转换器中转换速度较高且使用较多的一种，如较多的一种，如8位位D/A转换器转换器DAC0832，就是采用倒，就是采用倒T型电型电阻网络。阻网络。令令 R RF F=R =R ，则，则nnREF1n0iiinREFOD2U2d2Uu 即

41、：输出的模拟电压即：输出的模拟电压u uO O正比于输入的数字量正比于输入的数字量D Dn n，从而实现了从，从而实现了从数字量到模拟量的转换。数字量到模拟量的转换。第四章数据采集与控制分辨率用于表征分辨率用于表征D/AD/A转换器对输入微小量变化的敏感程度。转换器对输入微小量变化的敏感程度。 121UUnm 分辨率分辨率 分辨率越高，转换时对输入量的微小变化的反应越灵敏。分辨率越高，转换时对输入量的微小变化的反应越灵敏。 而分辨率与输入数字量的位数有关，而分辨率与输入数字量的位数有关，n越大，分辨率越高。越大，分辨率越高。 1. 分辨率分辨率 D/AD/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术

42、指标D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数可用输转换器模拟输出电压可能被分离的等级数可用输入数字量的位数入数字量的位数n表示表示D/A转换器的分辨率；转换器的分辨率；可用可用D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压之比来表转换器的最小输出电压与最大输出电压之比来表示分辨率。示分辨率。05/75001010011100 101110111vo/VD000第四章数据采集与控制2. 转换精度转换精度 D/A D/A转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想值之差，即最大静态转换误差。值之差，即最大静态转换误差。3. 转换速度转换速度 从输入的数字

43、量发生突变开始，从输入的数字量发生突变开始，到输出电压进入与稳定值相差到输出电压进入与稳定值相差0.5LSB0.5LSB范围内所需要的时间，称为范围内所需要的时间，称为建立时间建立时间t tsetset。目前单片集成。目前单片集成D/AD/A转换转换器（不包括运算放大器）的建立时间器（不包括运算放大器）的建立时间最短达到最短达到0.10.1微秒以内。微秒以内。 4. 温度系数温度系数 在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高11，输出电压变，输出电压变化的百分

44、数作为温度系数。化的百分数作为温度系数。第四章数据采集与控制数模转换器举例数模转换器举例_ _8位集成位集成DAC08321.DAC08321.DAC0832结构框图结构框图 8位位输入输入寄存器寄存器8位位DAC寄存器寄存器8位位D/A转换器转换器UREFIOUT2RfbAGNDVCCDGNDDI7DI0CSWR1WR2XFERILELELEIOUT1&RFB 它由一个它由一个8 8位输入寄存器、一个位输入寄存器、一个8 8位位DACDAC寄存器和一个寄存器和一个8 8位位D/AD/A转换器三大转换器三大部分组成，部分组成，D/AD/A转换器采用了倒转换器采用了倒T T型型R R-2-2R

45、R电阻网络。电阻网络。LELE1 1，跟随，跟随 0 0，锁存，锁存第四章数据采集与控制第四章数据采集与控制2.DAC08322.DAC0832引脚功能引脚功能 DIDI7 7DIDI0 0：8 8位输入数据信号。位输入数据信号。I IOUT1OUT1：DACDAC输出电流输出电流1 1。当。当DACDAC锁存器中为全锁存器中为全1 1时，时，I IOUT1OUT1最大（满最大（满量程输出）；为全量程输出）；为全0 0时，时，I IOUT1OUT1为为0 0。 I IOUT2OUT2：DACDAC输出电流输出电流2 2。它作为运算放大器的另一个差分输入信。它作为运算放大器的另一个差分输入信号（

46、一般接地）。满足号（一般接地）。满足 I IOUT1OUT1+I+IOUT2 OUT2 满量程输出电流。满量程输出电流。R Rfbfb：反馈电阻（内已含一个反馈电阻）接线端。：反馈电阻（内已含一个反馈电阻）接线端。DAC0832DAC0832中无运中无运放，且为电流输出，使用时须外接运放。芯片中已设置了放，且为电流输出，使用时须外接运放。芯片中已设置了R Rfbfb，只要将此引脚接到运放的输出端即可。若运放增益不够，还须只要将此引脚接到运放的输出端即可。若运放增益不够，还须外加反馈电阻。外加反馈电阻。ILEILE：输入锁存允许信号，高电平有效。：输入锁存允许信号，高电平有效。 CSCS：片选信号，低电平有效。：片选信号，低电平有效。 WRWR1 1：输入数据选通信号，低电平有效。（：输入数据选通信号，低电平有效。（ 上升沿锁存）上升沿锁存）XFERXFER：数据传送选通信号，低电平有效。：数据传送选通信号，低电平有效。 WRWR