计算机技术第11章模数转换及数模转换

1、1第11章 模数转换及数模转换211.1 概述微微 机机传感器传感器A/DD/A执行机构执行机构物理过程物理过程v / iv / i 图11-1 微机自动控制系统311.2 D/A转换一. D/A转换器的基本原理D/A转换器用来将数字量转换成模拟量。它的基本要求是输出电压V0应该和输入数字量D成正比，即V0=DVREF其中VREF为模拟基准电压。数字量D是一个n位的二进制整数，它可以表示为121012102222nnnnDdddd1210012102222nnnREFnREFREFREFvdVdVdVdV将D代入D/A转换式中，可得4数据数据输入输入寄存器寄存器电子电子开关开关解码解码网络网络

2、参考参考电压电压数字量数字量输入输入模拟电模拟电压输出压输出图11-2 DAC组成框图5n权电阻解码网络D/A转换器 67nT形电阻解码网络D/A转换器 8n11.3 D/A转换器的主要技术指标 n1. 分辨率：最小输出电压（对应的输入数字量仅最低位为“1”）与最大输出电压（对应的数字输入量为全“1”）之比。n例如：4位D/A转换器，其分辨率位1/15。通常我们将D/A分辨率称为具有几位分辨率。n分辨率越高，灵敏度越高。n例如：10位的单片集成D/A转换器AD7522的分辨率为10位，n 16位的单片集成D/A转换器AD1147的分辨率为16位。9n2.转换精度：以最大的静态转换误差的形式给出

3、。（这个转换误差应该是包含非线性误差、比例系数误差以及漂移误差等综合误差。也可以分别给出，而不是给出综合误差）。n应该注意，转换精度和分辨率是2个不同的概念，精度是指转换后所得的实际值对于理想值的接近程度，而分辨率是值能够对转换结果发生影响的最小输入量，对于分辨率很高的D/A转换器并不一定具有很高的精度。 10n3.线性度：一般取偏差的最大值表示。使用最小数字输入量的分数来给出最大偏差的数值。如1/2LSB。 n4.建立时间：指数模转换器中的输入代码有满度值的变化时，其输出模拟信号电压（或模拟信号电流）达到满刻度值1/2LSB精度时所需要的时间。11n 11.3 A/D转换器 n一、采样/保持

4、 n1. 什么是孔径误差：nA/D转换器是要把变化的模拟信号在某一时刻的瞬时值转换为数字量，但转换器将一个模拟量转换为数字量时相对要花费较长的时间，如果在这断时间内模拟输入量发生了变化，将影响转换结果的精度，由此带来的偏差称为孔径误差。 12n最大可能的孔径误差发生在模拟信号变化率最大的地方。 13n2. 采样/保持器的组成：它由模拟开关、存能元件和缓冲放大器组成。n3. 采样/保持器的工作原理：当施加控制信号后，模拟开关S闭合，模拟信号迅速向电容C充电到输入电压值。之后，控制信号去除，S断开，模拟信号的输入电压值保持在电容C上，并通过缓冲放大器输出。 14+uiuoCHSA1A2uCuo,

5、uiuoui0(a) 电路图(b) 波形图 t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11t采样脉冲（fS）开关驱动电路15n采样/保持器的主要参数：n1. 获得时间：指给出采样指令后，保持器跟踪模拟输入信号到满量程并稳定在误差限内所花费的时间。n2. 孔径时间：指模拟开关从闭合到断开所花费的时间。n3. 电压衰减率：指保持阶段由于各种泄露电压所引起的放电速度。 16n2. 介绍目前应用较广的2种类型的A/D转换器：逐次逼近型A/D转换器、双积分型A/D转换器。n1) 逐次逼近型A/D转换器n 17图11-7 逐次逼近型A/D转换器原理图18 Q1 Q2 Q3 Q4

6、 Q5 ui 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 1D C1 & & & 1 1 FF1 FF2 FF3 FF4 FF5 & & & uo CP + C uc d2(22) d1(21) d0(20) FFA Q FFB Q FFC G1 G2 G3 G4 G5 Q G6 G7 G8 =1(ui0) uo dn-1 dn-2 d0 + + TC CO= 图11-10 双积分型A/D转换器工作原理图 23 图11-11 双积分ADC工作波形24n11.3.3 A/D转换器的主要技术指标 n1. 分辨率：满刻度电压与2n之比值，其中n为A/D转换器的位数，通常直接用A/D转换器的位数来

7、表示分辨率。n表示输出数字量变化一个相邻数码所需输入模拟信号的变化量。n例如12位的A/D转换AD574的分辨率位12位。25n2. 相对误差n 它与绝对误差精度相似，所不同的是这个最大偏差表示为满刻度模拟电压的百分数，或者用二进制分数来表示相对应的数字量。它通常不包括能被用户消除的刻度误差。n3. 转换速率n A/D转换器的转换速率就是能够重复进行数据转换的速度，即每秒钟转换的次数，而完成一次A/D转换所需的时间（包括稳定时间），则是转换速率的倒数。26n11.4 D/A转换芯片介绍 nD/A芯片是由集成在单一芯片上的解码网络并根据需要附加上一些功能电路所构成的。27n一. AD7522的性

8、能指标n AD7522是CMOS工艺的数模转换芯片。数字输入端具有双重锁存，使器件易于接向8位的微处理机，不仅可以锁存10位并行数码，而且可以接纳串行信息。具有一对互补的电流输出。输出增益可通过反馈电阻的不同接法进行改变。模拟地和数字地是分开的。主要特性如下：n分辨率： 10位n非线性度： 0.0050.2n建立时间： 500nsn非线性温度系数：2106/n电源温度系数： 50106/n输入： TTL/CMOSn输出： 单极性/双极性n功耗： 20mW28一. AD7522的各功能部件与引脚功能1. AD7522的各功能部件。2930n2. AD7522的各引脚功能n 引脚排列P312图11

9、.13，AD7522为28脚双列直插式器件。n1)DB0DB9：并行数据输入线，也可将数据DB0DB9以串行方式送入SRI。n2) SRO：串行数据输出n3)SPC：串行/并行控制。若该输入端为低电平，且LBS和HBS有效时，并行数据DB0DB9被送入到数据寄存器；若该端为高电平，则根据HBS和LBS的时钟将串行数据移入输入寄存器。31n5) HBS：高位字节选通。n在并行方式下，该信号的上升沿把出现在DB8和DB9上的并行数据选通输入到输入寄存器；n在串行方式下，该信号的上升沿将数据移到输入移位寄存器内。n6) LBS：低位字节选通。与HBS功能相同，在并行方式下，对DB0至DB7起作用；在

10、串行方式下，与HBS同步变化。32n7) LDAC：数据加载/保持控制端。若该输入端输入低电平，则AD7522处于“保持”方式，DAC寄存器数字被锁定；若输入高电平，则AD7522处于“加载”方式，把输入缓冲器中的数据送到DAC寄存器。n8) SC8：8位短周期控制。在串行方式下，若该输入端输入低电平，则以串行方式输入到输入缓冲器中的最低二位数据被屏蔽，仅接收高8位串行数据；若输入高电平，则可接收完整的10位串行数据。n9) VREF：基准电压输入。25V范围内固定的或可变的交流或直流电压，根据输入的数字值进行比例放大（增益调节）。n10) Iout1：电流输出。一般接到运算放大器的求和点上。

11、逻辑电平为“1”的数据位的电流流出此端。33n11) Iout2：互补输出。一般接地（单极性）或接至倒相运算放大器的求和点（双极性）。逻辑电平为“0”的数据为电流流出此端。n12) RFB1：反馈电阻。满度增益为1，一端在内部接至Iout1。在正常的单位增益工作时，RFB1接至运算放大器输出端；若要求增益为1/4，则接至运算放大器求和点。n13) RFB2：反馈电阻中心抽头。满度增益为1/2，要求增益为1/2或1/4时接至运算放大器的输出。nLDTR：R-2R梯形网络终端。单极性放大时接地，双极性放大时接至Iout2。 34n14) VDD：主电源。通常15V或12V。n15) VCC：逻辑电

12、源。与TTL兼容时为5V，与CMOS兼容为10V15V。n16) DGND：数字地。n17) AGND：模拟地。35图11-13AD7522芯片引脚排列 36nAD7522与单片机的连接 37na) 单极性工作 图11.15单极性工作时，Iout1接运算放大器OA的求和点，Iout2接模拟地，网络终端也接模拟地，。这时电压输出范围在0VREF之间。3839n1) R1和R2用作满刻度增益校准。校准时，先将R1、R2均调为0，使D/A寄存器的数字输入为全1，如模拟输出大于应有值，则增加R1。若小于应有值，则增加R2，最终使等于应有值。n2) CR2、CR3均为肖特基二极管，用于防止负向偏置，一般

13、选用小功率的肖特基二极管比较合适。肖特基二极管现分为超快恢复二极管、快恢复二极管、硅高频整流二极管、硅高速开关二极管的性能比较。平均整流电流很小，不能作大电流整流用。CR1、CR2、CR3均用于保护AD7522芯片。电容器C用作对运算放大器进行相应位补偿。n满度增益可以选为1、1/2、1/4，这由反馈回路的接法决定。若选1则R2接RFB1；若选1/2则R2接RFB2；若选1/4则R2接RFB2且Iout1接RFB1。 40na) 双极性工作 当数字输入为偏移二进制时，AD7522工作于双极性输出方式。双极性工作使用两个运放OA1和OA2，具体接法图11.16。这时电压输出范围在VREFVREF

14、。n 其中OA2用于倒相，OA1用于求和。这时网络终端LDTR迎接QA2求和点。R1、R2用作满度增益校准（校准方法于单极性相同）。 4142n11.5 A/D转换芯片介绍nA/D芯片是由集成单一芯片的模拟开关、采样保持器、A/D转换器及输出数字接口构成的。 图11-17 A/D芯片功能示意图43n二. 以16位A/D转换芯片ADC1143为例介绍单片集成A/D转换器的典型应用。nADC1143主要特性：na) 分辨率：16位二进制（输出偏移二进制码或串行输出）nb) 转换时间：ADC1143J为70S；ADC1143K为100Snc ) 非 线 性 度 ： A D C 11 4 3 J 0

15、. 0 0 6 ，ADC1143K0.003nd) 无误码： ADC1143J为13位，ADC1143K为14位（050）ne) 最大功耗：175mW（Va=15V）；150mW（Va=12V）44nf) 输出形式： 16位并行非三态输出（二进制码或偏移二进制码）或串行输出。ng) 工作电源电压：Va=12V15V、VDD=3V18Vnh) 极限电压： Va=22V、VDD=20Vni) 极限模拟输入：单极性22V、双极性12Vnj) 封装形式： 32引脚DIP封装nk) 其他： 片内提供时钟发生器和低噪声基准电压源以及电压旁路电解电容。454647n三. ADC1143在8031单片机系统中的应用。48n1. ADC1143具有数据输出锁存能力，但无三态控制功能，所以其16位输出要经过两片缓冲器74LS244与微处理机数据线连接，8031处理器需分两次分别选通高位74LS244和低位74LS244读取转换结果。n2. W1、W2分别为偏移校准和增益校准电位器。n3. AD346是一种高速采样保持放大器，在2S内可达到0.01的精度。该芯片的低失调、低下降率、高采样率和低孔径抖动时间的特点，使得它非常适合高频率