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第9章数/模与模/数转换电路学习要点:掌握常用D/A转换器、A/D转换器的工作原理熟悉D/A转换器、A/D转换器的主要性能指标了解ADC、DAC在测控系统中的应用第9章数/模与模/数转换电路9.1D/A转换器9.2A/D转换器9.3A/D转换器和D/A转换器在测控系统中的应用退出9.1D/A转换器9.1.1R—2RT型电阻D/A转换器9.1.2具有双极性输出的D/A转换器9.1.3D/A转换器的主要性能指标退出9.1.4集成D/A转换器目前常用的D/A转换器中有R—2RT型电阻D/A转换器、权电阻D/A转换器、全电流D/A转换器、权电容D/A转换器以及开关树型D/A转换器等几种类型。

以R—2RT型电阻D/A转换器为例,说明其转换原理。9.1.1R—2RT型电阻D/A转换器T型电阻网络的基本结构如图9-1:

图9-1为一个四级的T型网络。电阻值为R和2R的电阻构成T型。由图9-1中节点AA向右看的等效电阻值为R,而由BB,CC,DD各点向右看的等效电阻值也都是R,因此:依此类推可推到n级。图9-2T型网络D/A转换器图中表示四位二进制输入信号,为高位,为低位。是四个电子模拟开关的示意图,模拟开关分别受的信号控制:当二进制代码为0时,电子开关合到上方接地的一侧;当二进制代码为1时,电子开关合到下方运算放大器输入的一侧,该支路的电流成为运放输入电流的一部分,通过运算放大器进而将电流信号转化为电压信号。由图可知,因为求和放大器反相输入端的电位始终接近于零,所以无论开关~在何位置,都相当于接地,流过每个支路的电流也始终不变。

可以求出运算放大器的输入电流为

图9-2中运放接成反相放大器的形式,又根据理想运放的“虚断”的特性,其输出电压Uo为:

T型网络的输出也可以接至运算放大器的同相和反相两个输入端,如图9-3所示。这种结构也称作倒T型电阻网络D/A转换器。图:9-3

T型(或倒T型)电阻网络的特点:电阻网络中只有R、2R两种阻值的电阻,给集成电路的设计和制作带来了很大的方便,无论模拟开关状态如何变化,各支路电流都直接流入地或者运放的虚地,电流值始终不变,因此不需要电流的建立时间;同时,各支路电流直接接至运放的输入,它们之间不存在传输时间差。所有这些特点都有助于T型电阻网络提高转换速度,T型电阻网络是目前D/A转换中使用较多的一种。9.1.2具有双极性输出的D/A转换器因为在二进制算术运算中通常都把带符号的数值表示为补码的形式,所以要求D/A转换器能够把以补码形式输出的正、负数分别转换成正、负极性的模拟电压。

现以输入为3位二进制补码的情况为例,说明转换的原理。3位二进制补码可以表示从+3到之间的任何整数,它们与十进制数的对应关系以及要求得到的输出电压如表9-1所示。补码输入对应的十进制数要求的输出电压(V)d2

d1

d00 1 1+3+30 1 0+2+20 0 1+1+10 0 0001 1 1-1-11 1 0-2-21 0 1-3-31 0 0-4-4表9-1输入为3位二进制补码时要求D/A转换器的输出图9-4具有双极性输出电压的D/A转换器表9-2具有偏移的D/A转换器的输出原码输入无偏移时的输出(V)偏移-4V后的输出(V)d2d1d0111+7+3110+6+2101+5+1100+40011+3-1010+2-2001+1-30000-4在图9-4的D/A转换电路中,如果没有接入反相器G和偏移电阻,它就是一个普通的3位倒T型电阻网络D/A转换器。在这种情况下,如果把输入的3位代码看作无符号的3位二进制数(即全都是正数),并且取,则输入代码为111时输出电压,而输入为000时输出电压,如表9-2所示。将表9-1与表9-2对照一下便可以发现,如果把表9-2中间一列的输出电压偏移-4V,则偏移后的输出电压恰好同表9-1所要求的输出电压相符。

然而,D/A转换器电路输出电压都是单极性的,得不到正、负极性的输出电压。为此,在图9-4中的D/A转换电路中增设了由和组成的偏移电路。为了使输入代码为100时的输出电压等于零,只要使与此时的大小相等即可。故应取:

图9-4中所标示的、和的方向都是电流的实际方向。假若再将表9-1和表9-2最左边一列代码对照一下还可以发现,如果把表9-1中补码的符号位求反,再加到偏移后的D/A转换器上,就可以得到表9-1所需要的输入与输出的关系。为此,在图9-1中是将符号位经反相器G反相后才加到D/A转换电路上去的。通过上面的例子可总结出构成双极性输出D/A转换器的一般方法:只要在求和放大器的输入端接入一个偏移电流,使输入最高位为1而其他各位输入为0时的输出,同时将输入的符号位反相后接到一般的D/A转换器的输入,就得到了双极性输出的D/A转换器。9.1.3D/A转换器的主要性能指标

目前DAC的种类是比较多的,制作工艺也不相同。按输入数据字长也分为8位、10位、12位及16位等;按输出形式可分为电压型和电流型等;按结构可分为有数据锁存器和无数据锁存器2类。不同类型的DAC在性能上的差异较大,适用的场合也不尽相同。因此,须清楚了解D/A转换器的一些技术参数。1.D/A转换器的转换精度

在D/A转换器中通常用分辨率和转换误差来描述转换精度。(1)分辨率(Resolution)。

分辨率是指数字信号中最低位发生变化时对应输出电压变化量与满刻度输出电压之比。分辨率是D/A转换器对输入量变化敏感程度的描述,与输入数字量的位数有关。在分辨率为n的D/A转换器中,从输出模拟电压的大小应能区分出输入代码从00…00到11…11全部个不同的状态,给出个不同等级的输出电压。分辨率可表示为分辨率

例如:10位D/A转换器的分辨率,从理论上讲,二进制位数越多,分辨率越高,相应的转换精度也越高。(2)转换误差(ConversionOffsetError)。由于D/A转换器的各个环节的参数在性能上和理论值之间不可避免地存在着差异,所以实际能达到的转换精度要由转换误差来决定。

转换误差是指转换器的实际误差,造成的原因包括参考电位的波动、运算放大器的零点漂移、模拟开关的导通内阻和导通压降、电阻网络中电阻阻值的偏移以及三极管特性的不一致等。转换误差可以用输出满刻度电压FSR(FullScaleRange)的百分数表示。如转换误差为0.2%FSR,就表示转换误差与满刻度电压之比为0.2%。转换误差也可以用最低有效位的倍数来表示。如给出为LSB,即表示输出模拟电压与理论值之间的绝对误差不大于当输入为00…01时的输出电压的。2.D/A转换器的转换速度(ConversionRate)

转换速度是指从送入数字信号起,到输出电流或电压达到最终误差并稳定为止所需要的时间。通常用建立时间来定量描述D/A转换器的转换速度。不同类型的D/A转换器转换速度差别较大,通常为几十纳秒到几微秒,一般电流型D/A转换器较之电压型D/A转换器速度快一些,但总的来说,D/A转换速度远高于A/D转换速度。

D/A转换器的技术指标还包括线性度、输入编码形式、输入高、低逻辑电平值、温度系数、输出电压范围、功率消耗以及工作环境条件等。9.1.4集成D/A转换器

集成D/A芯片通常只将T型(倒T型)电阻网络、模拟开关等集成在一块芯片上,多数芯片中并不包含运算放大器。构成D/A转换器时要外接运算放大器,有时还要外接电阻。有的芯片中包含数据锁存器(寄存器)及一些逻辑功能电路,可以和微处理器相连接,应用较为广泛;有的则不包含这些电路。常用的D/A转换芯片有八位、十位、十二位、十六位等品种。简要介绍DAC0832D/A转换器芯片。1.原理框图DAC0832是采用CMOS工艺制成的双列直插式8位D/A转换器内部结构框图如图:

DAC0832内部有两个8位数据锁存器(或称作寄存器)、一个T型电阻网络和3个控制逻辑门2.引脚使用说明:(1):数字信号输入端,为最高位,为最低位。(2):数据锁存允许信号(输入),高电平有效。(3):片选信号(输入),低电平有效。(4):第1写信号(输入),低电平有效。上述三个输入信号可控制输入寄存器是数据直通方式还是数据锁存方式,当、

和时,为输入寄存器直通方式;当、和时,为输入寄存器锁存方式。(5):第2写信号(输入),低电平有效。(6):数据传送控制信号(输入),低电平有效。上述两个输入信号可控制DAC寄存器是数据直通还是数据锁存方式,当和时,为DAC寄存器直通方式;当和时,为DAC寄存器锁存方式。(7):参考电压输入端,其电压可正可负,范围是-10~+10V。(8):电流输出1。(9):电流输出2。(10):反馈电阻引线端。

DAC0832是电流输出,为了取得电压输出,需在电压输出端接运算放大器,即为运算放大器的反馈电阻端。运算放大器的接法如图:图:运算放大器的接法(11)AGND:模拟信号接地端。

(12)DGND:数字信号接地端。3.DAC0832的工作方式

DAC0832在不同信号组合的控制下可实现直通、单缓冲和双缓冲3种工作方式。DAC0832是电流输出型D/A转换器,需要用运算放大器将输出电流转换为输出电压。电压的输出可分单极性输出和双极性输出两种。

9.2A/D转换器9.2.1A/D转换的基本原理9.2.2常见ADC的类型9.2.3A/D转换器的重要技术参数退出9.2.4集成A/D转换器

9.2A/D转换器

A/D转换器分直接A/D转换器和间接A/D转换器两种。

直接A/D转换器能把输入的模拟电压直接转化为输出的数字量而不需要经过中间变量。常用的电路有并联比较型和反馈比较型两类。

间接A/D转换器多半属于电压—时间变换型(简称V-T变换型)和电压—频率变换型(简称V-F变换型)两类。9.2.1A/D转换的基本原理

整个A/D转换过程通常包括采样、保持、量化和编码4个步骤。1.采样(Sample)

所谓采样是指周期地采取模拟信号的瞬间值,得到一系列的脉冲样值。图9-8表明了采样的过程。

对输入模拟信号的取样

图9-82.保持(Hold)

在两次采样之间,为了使前一次采样所得信号保持不变,以便量化(数字化)和编码,需要将其保存起来。这就要求在采样电路后面加上保持电路。采样—保持电路基本组成如图9-9所示。基本采样—保持电路

图:9-93.量化和编码

经采样保持所得电压信号仍是模拟信号,不是数字量。那么量化和编码就是从模拟信号产生数字信号的过程。量化方法一般有两种,一种是采用只舍不入的方法,另一种是采用四舍五入的方法。把量化的结果用代码(可以是二进制,也可以是其他进制)表示出来,称为编码。这些编码就是A/D转换的输出结果。量化和编码通常由A/D转换器实现,简记为ADC。4.数字滤波

在微机组成的测控系统中,常采用数字滤波的方法,它与模拟滤波器相比较具有如下优点:(1)用程序实现数字滤波,无需增加任何硬件设备,不存在阻抗匹配问题,可实现多通道共享,降低系统成本。(2)可以对频率很低的信号实现滤波,而RC滤波器由于受电容容量的影响,频率不能太低。(3)可根据需要编制不同的滤波程序,以选择不同的滤波程序,使用灵活方便目前常用的数字滤波方法有:(1)算术平均值法滤波。(2)中值法滤波。(3)滑动平均值法滤波。(4)程序判断法滤波。(5)复合法数字滤波。9.2.2常见ADC的类型

通常ADC的结构要比DAC复杂,A/D转换的不同方法在转换速度、精度及抗干扰能力等方面各有优势。1.并联比较型ADC

图9-10为并联比较型A/D转换器电路结构图,它由电阻分压器、电压比较器、寄存器和编码器组成。并联比较型A/D转换器电路结构图图:9-10该电路工作原理如下:电阻分压器将输入参考电压量化为、,…,等7个比较电平,量化电平为。然后将这7个电平分别接到7个电压比较器的相同输入端,作为比较基准。同时,7个电压比较器的另一输入端连在一起,作为采样模拟电压的输入端。输入电压与参考电压的比较结果由电压比较器输出,送到寄存器保存,以消除各比较器由于速度不同而产生的逻辑错误输出。编码器把寄存器送出的信号进行二进制编码,以输出三位二进制数字信号。输入模拟电压比较器输出数字信号UiC7C6C5C4C3C2C1d2 d1d00≤Ui<1/1500000000001/15≤Ui<3/1500000010103/15≤Ui<5/1500000110015/15≤Ui<7/1500001110117/15≤Ui<9/150001111

1009/15≤Ui<11/150011111

11011/15≤Ui<13/150111111

10113/15≤Ui<11111111111表9-3模拟电压输入与数字信号对应关系

并联比较型A/D转换器的转换精度主要取决于量化电平的划分,分得越细,精度越高。不过精度高的转换器使用的比较器和触发器数目较多,电路更加复杂。并联比较型A/D转换器最大的优点是转换速度快,另外,比较器和寄存器也兼有取样—保持功能,使用这种A/D转换器可以不用附加取样—保持电路。并联比较型A/D转换器的缺点是需要用很多的电压比较器和触发器。输出为n位二进制代码的转换器中应当有()个电压比较器和()个触发器。电路的规模随着输出代码位数的增加而急剧膨胀。

因此,该A/D转换器适用于高转换速度、低分辨率的场合。2.逐次渐进型ADC

逐次渐进型A/D转换器是目前集成A/D转换器产品中用得最多的一种电路。逐次渐进型ADC的结构:取一个数字量加到D/A转换器上,于是得到一个对应的输出模拟电压,将这个模拟电压和输入的模拟电压信号相比较。如果两者不相等,则调整所取的数字量,直到两个模拟电压相等为止,最后所取的这个数字量即是要求的转换结果。逐次渐进型A/D转换器的工作原理:图9-11

:

逐次渐进型A/D转换器的电路结构框图

这种转换器的电路包含比较器、D/A转换器、寄存器、时钟脉冲源和控制逻辑等5个组成部分。转换开始前先将寄存器清零,所以加给D/A转换器的数字量也全是0。转换控制信号变为高电平时开始转换,时钟信号首先将寄存器的最高位置成1,使寄存器的输出为100…00。这个数字量被D/A转换器转换成相应的模拟电压,并送到比较器与输入信号进行比较。如果,说明数字量过大,则这个1应去掉;如果,说明数字量还不够大,这个1应予保留。然后,再按同样的方法将次高位置1,并比较与的大小以确定这一位的1是否应当保留。这样逐位比较下去,直到最低位比较完为止。这时寄存器里所存的数码即是要求的输出数字量。

图9-12的逻辑电路是一个输出为3位二进制数码的逐次渐进型A/D转换器。图中的C为电压比较器,、、三个触发器组成了3位数码寄存器,触发器和门电路组成控制逻辑电路。图9-123位逐次渐进型A/D转换器的电路原理图

3.串并行比较型ADC

为弥补并联型A/D转换器和逐次渐进型A/D转换器的弱点,要求转换器高速且高分辨率;要求电路结构简单,可采用串并比较型A/D转换器。这种A/D转换器是由两组并行A/D转换器加上一个D/A转换器和一个求和运算放大器组成。图9-13是一个6位串并行比较型A/D转换器的原理框图。图9-13串并行比较型A/D转换器的原理框图9.2.3A/D转换器的重要技术参数1.转换精度

A/D转换器也采用分辨率(又称分解度)和转换误差来描述转换精度。

(1)分辨率。分辨率是指输出数字量变化一个最低位所对应的输入模拟量需要变化的量。分辨率以输出二进制或十进制数的位数表示,它说明A/D转换器对输入信号的分辨能力。例如A/D转换器的输出为10位二进制数,最大输出信号为5V,那么这个转换器可以分辨的最小模拟电压为:

A/D转换器位数越多,分辨率越高。

(2)转换误差。转换误差通常以输出误差最大值的形式给出,它表示实际的转换点偏离理想特性的误差。一般以最低有效位(LSB)的倍数给出。例如给出转换误差不大于。有时也用满量程输出的百分数给出转换误差。

(3)转换速度。转换速度是指A/D转换器从接到转换控制信号起到输出稳定的数字量为止所用的时间。主要取决于转换电路的类型,不同类型的A/D转换器的转换速度相差甚大。通常高速的可达数百毫微秒,中速为数十微妙,低速为数十毫秒。9.2.4集成A/D转换器

集成A/D转换器种类繁多,包括八位、十位、十二位、十六位等种类.1.ADC0809A/D转换芯片

ADC0809是典型的8位逐次逼近式A/D转换器。ADC0809采用双列直插式封装,共有28根管脚。ADC0809可以和微机直接连接,又由于性能一般能满足用户、价格低廉,因此应用十分广泛。

如图9-14所示,ADC0809内部由八路模拟开关、地址锁存器和译码器、比较器、电阻网络、树状电子开关、逐次逼近寄存器、控制与定时电路、三态输出锁存器等所组成。图9-14ADC0809的逻辑框图

CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7表9-4状态译码与选中模拟电压输入通道的关系:八路模拟电压输入端,在多路开关控制下,任一瞬间只能有一路模拟量经相应通道输入到A/D转换器中的比较放大器。

A、B、C:模拟输入通道的抵制选择线。

ALE:地址锁存允许信号,高电平有效,只有当该信号有效时,才能将地址信号有效锁存,并经译码选中一个通道。

START:脉冲输入信号启动端,其上升沿用以清除ADC内部寄存器,其下降沿用以启动内部控制逻辑,开始进行模数转换。

CLOCK:转换定时时钟脉冲输入端。它的频率决定了A/D转换器的转换速度。只有时钟输入时,控制与时序电路才能工作。:八位数据输出端,可直接接入微型机的数据总线。

OE:允许输出控制端,高电平有效。有效时能打开三态门,将八位转换后的数据送到数据输出线上。

EOC:A/D转换结束信号,高电平有效。其上跳沿表示A/D转换器内部已转换完毕,作为通知数据接收设备取走已转换完的数据的信号。和:参考电压正端和负端。

VCC为+5V,GND为地。2.ADC574A/D转换芯片

AD574就是12位逐次逼近式A/D转换器,其转换精度高、速度快,且内部设有时钟电路和参考电压源,但价格较高,适用于高精度快速采样系统中。9.3A/D转换器和D/A转换器在测控系统中的应用

在实时数据采集和实时监控系统及智能化仪表中,检测和控制的对象大部分是模拟信号,如温度、光强、压力、速度、流量等。这些量不能直接处理,应该经过传感器将这些物理量变成电量,再由放大器转换成统一的标准信号。由于信号较多,计算机不能同时转换接收,需要多通道模拟开关进行通道转换,分时将这些信号送入采样/保持电路,并经A/D转换器转换成数字量送计算机,计算机便可对数字信号进行处理,根据需要对结果进行显示、报警和打印,同时控制物理过程。而外部的执行机构的控制信号一般是模拟信号

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