第10章模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換

1、 04RA2dUU 開(kāi)路電壓開(kāi)路電壓04R2dU 04R2dU 04RA2dUU 開(kāi)路電壓開(kāi)路電壓13RA2dUU 開(kāi)路電壓開(kāi)路電壓22RA2dUU 開(kāi)路電壓開(kāi)路電壓31RA2dUU 開(kāi)路電壓開(kāi)路電壓13R2dU 2. .轉(zhuǎn)換原理轉(zhuǎn)換原理04R13R22R31REA2222dUdUdUdUUU )2222(2001122334R ddddUEF3URRU 輸出電壓輸出電壓)2222(23001122334RF ddddRUR)222(23002211RFo dddRURUnnnnn)222(2002211Ro dddUUnnnnn)222(23002211RFo dddRURUnnnnn倒倒T

2、型電阻網(wǎng)絡(luò)型電阻網(wǎng)絡(luò)D A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器2RABD+URS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0+-ARFd3d2d1d00RRRI3I1I0I01C110I2IRUC = UR / 2UB = UR /4UA = UR /8UD = UR 即：即：2RABD+URS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0+-ARFd3d2d1d00RRRI3I1I0I01C110I2IRRUIRR/ 1021II 2121II 3221II RII213 2RABD+URS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0+-ARFd3d2d1d00RRRI3I1I0I01C110I2IR0R1R2

3、R3R16842dRUdRUdRUdRU )24(8160123RddddRU 012301IIIII )24(8201234FROddddRRUU 2RABD+URS2S3S1S02R2R2R2RR3R2R1R0+-ARFd3d2d1d00RRRI3I1I0I01C110I2IR1. .分辨率分辨率00101023112110. 集成集成 ADC 芯片舉例芯片舉例AD7520各管腳功能：各管腳功能：d0 d9：十位數(shù)字量的輸入端；：十位數(shù)字量的輸入端；IO1、IO2：電流輸出端；電流輸出端；RF：反饋信號(hào)輸入反饋信號(hào)輸入端端；UDD：電源接線(xiàn)端電源接線(xiàn)端；GND：接地端。接地端。UR：參考電

4、源，可正可負(fù)；參考電源，可正可負(fù)；URIO1IO2RFGNDd4AD752012345678161514131211109UDD+URd3d2d1d0d5d6d7d8d9 +AD7520的外引線(xiàn)排列及連接電路的外引線(xiàn)排列及連接電路 DAC0832是八位的是八位的D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器, ,即在對(duì)其輸入即在對(duì)其輸入八位數(shù)字量后，通過(guò)外接的運(yùn)算放大器，可以獲八位數(shù)字量后，通過(guò)外接的運(yùn)算放大器，可以獲得相應(yīng)的模擬電壓值。得相應(yīng)的模擬電壓值。10.1.3 DAC0832 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器DAC 0832 簡(jiǎn)化電路框圖簡(jiǎn)化電路框圖DAC 0832 管腳分布圖管腳分布圖CSWR1WR2AGNDD4D5D6D

5、7D0D1D2D3UCCUREFRFDGNDILEXFERIout1Iout21234567891019181716151413121120片選信號(hào)，片選信號(hào)，低電平有效低電平有效寫(xiě)入控制，寫(xiě)入控制，低電平有效低電平有效模擬地端模擬地端D0 D7數(shù)字量輸入數(shù)字量輸入?yún)⒖茧妷簠⒖茧妷狠斎攵溯斎攵薉AC 0832 管腳分布圖管腳分布圖CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUREFRFDGNDILEXFERIout1Iout21234567891019181716151413121120數(shù)字地端數(shù)字地端反饋電阻反饋電阻外接端外接端CSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D

6、1D2D3UCCUREFRFDGNDILEXFERIout1Iout21234567891019181716151413121120DAC 0832 管腳分布圖管腳分布圖輸入鎖存允許信輸入鎖存允許信號(hào)，高電平有效號(hào)，高電平有效芯片工作電壓芯片工作電壓 輸入端輸入端 寫(xiě)入控制端寫(xiě)入控制端低電平有效，與低電平有效，與 配合使用配合使用XFERCSWR1WR2AGNDD4D5D6D7D0D1D2D3UCCUREFRFDGNDILEXFERIout1Iout21234567891019181716151413121120DAC 0832 管腳分布圖管腳分布圖電流輸出端電流輸出端單極性輸出時(shí)。單極性輸出

7、時(shí)。Iout2接模擬地接模擬地 傳送控制端傳送控制端低電平有效，與低電平有效，與WR2配合使用配合使用 DAC 0832 實(shí)驗(yàn)電路圖實(shí)驗(yàn)電路圖 模模數(shù)數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器的任務(wù)是將模擬量轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換器的任務(wù)是將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量數(shù)字量, ,它是模擬信號(hào)和數(shù)字儀器的接口。根據(jù)其它是模擬信號(hào)和數(shù)字儀器的接口。根據(jù)其性能不同，類(lèi)型也比較多。性能不同，類(lèi)型也比較多。 下面介紹逐次逼近式下面介紹逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換電路的原理和一轉(zhuǎn)換電路的原理和一種常用的集成電路組件。最后舉例說(shuō)明其應(yīng)用。種常用的集成電路組件。最后舉例說(shuō)明其應(yīng)用。順序脈沖順序脈沖發(fā)生器發(fā)生器逐次逼近逐次逼近 寄存器寄存器DAC電壓電壓比較器比

8、較器輸出數(shù)字量輸出數(shù)字量輸入電壓輸入電壓 UiUA逐次逼近型模逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器原理框圖數(shù)轉(zhuǎn)換器原理框圖8 g + 4 g8 g + 4 g + 2 g8 g + 4 g + 1 g 8 g8g 13g ，12g 13g，13g 13g，13g暫時(shí)結(jié)果暫時(shí)結(jié)果砝砝 碼碼 重重比比 較較 判判 斷斷順順 序序 uO時(shí)鐘時(shí)鐘1 0 0 06V 5. 5V4V5V1 1 0 01 0 1 01 0 1 1 )2222(28001122334A ddddUD/A轉(zhuǎn)換器輸出轉(zhuǎn)換器輸出UA為正值為正值 )222(280066778A dddU6VU /A3D2D1D0Dt0t1t310001100101

9、010001011t2R3211U,D對(duì)對(duì)應(yīng)應(yīng)于于時(shí)時(shí) R2411U,D對(duì)對(duì)應(yīng)應(yīng)于于時(shí)時(shí) R1811U,D對(duì)對(duì)應(yīng)應(yīng)于于時(shí)時(shí) R01611U,D對(duì)對(duì)應(yīng)應(yīng)于于時(shí)時(shí) V,8R U設(shè)設(shè)參參考考電電壓壓543210。輸輸入入電電壓壓V52. 5I U輸輸出出數(shù)數(shù)字字量量轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換完完畢畢 ,10110123 ddddV5 . 5 U對(duì)應(yīng)模擬電壓對(duì)應(yīng)模擬電壓輸出數(shù)字量輸入模擬電壓uoui順序脈沖發(fā)生器逐次逼近寄存器D/A轉(zhuǎn)換器電壓比較器轉(zhuǎn)換開(kāi)始前先將所有寄存器清零。開(kāi)始轉(zhuǎn)換以后，時(shí)鐘脈沖轉(zhuǎn)換開(kāi)始前先將所有寄存器清零。開(kāi)始轉(zhuǎn)換以后，時(shí)鐘脈沖首先將寄存器最高位置成首先將寄存器最高位置成1，使輸出數(shù)字為，使輸出數(shù)

10、字為1000。這個(gè)數(shù)。這個(gè)數(shù)碼被碼被D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓uo，送到比較器中與，送到比較器中與ui進(jìn)行比較。若進(jìn)行比較。若u0ui，說(shuō)明數(shù)字過(guò)大了，故將最高位的，說(shuō)明數(shù)字過(guò)大了，故將最高位的1清清除；若除；若uoui ，說(shuō)明數(shù)字還不夠大，應(yīng)將這一位保留。然后，說(shuō)明數(shù)字還不夠大，應(yīng)將這一位保留。然后，再按同樣的方式將次高位置成再按同樣的方式將次高位置成1，并且經(jīng)過(guò)比較以后確定這，并且經(jīng)過(guò)比較以后確定這個(gè)個(gè)1是否應(yīng)該保留。這樣逐位比較下去，一直到最低位為止。是否應(yīng)該保留。這樣逐位比較下去，一直到最低位為止。比較完畢后，寄存器中的狀態(tài)就是所要求的數(shù)字量輸出。比較完

11、畢后，寄存器中的狀態(tài)就是所要求的數(shù)字量輸出。Q1 Q2 Q3 Q4 Q5ui1D C11D C11D C11D C11D C1&11FF1 FF2 FF3 FF4 FF5&uoCP +Cucd2(22)d1(21)d0(20)FFA Q FFB Q FFCG1 G2 G3G4 G5QG6G7G8=1(ui uo)=0(uiuo)uc=1S C1 1R1S C1 1R1S C1 1R3 位D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換開(kāi)始前，先使轉(zhuǎn)換開(kāi)始前，先使Q1=Q2=Q3=Q4=0，Q5=1，第一個(gè)，第一個(gè)CP到到來(lái)后，來(lái)后，Q1=1，Q2=Q3=Q4=Q5=0，于是，于是FFA被置被置1，F(xiàn)FB和和

12、FFC被被置置0。這時(shí)加到。這時(shí)加到D/A轉(zhuǎn)換器輸入端的代碼為轉(zhuǎn)換器輸入端的代碼為100，并在，并在D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器的輸出端得到相應(yīng)的模擬電壓輸出器的輸出端得到相應(yīng)的模擬電壓輸出uo。uo和和ui在比較器中比在比較器中比較，當(dāng)若較，當(dāng)若uiuo時(shí)，比較器輸出時(shí)，比較器輸出uc=1；當(dāng)；當(dāng)uiuo時(shí)，時(shí)，uc=0。第二個(gè)第二個(gè)CP到來(lái)后，環(huán)形計(jì)數(shù)器右移一位，變成到來(lái)后，環(huán)形計(jì)數(shù)器右移一位，變成Q2=1，Q1=Q3=Q4=Q5=0，這時(shí)門(mén)，這時(shí)門(mén)G1打開(kāi)，若原來(lái)打開(kāi)，若原來(lái)uc=1，則，則FFA被置被置0，若原來(lái)若原來(lái)uc=0，則，則FFA的的1狀態(tài)保留。與此同時(shí)，狀態(tài)保留。與此同時(shí)，Q2的高電平

13、將的高電平將FFB置置1。第三個(gè)第三個(gè)CP到來(lái)后，環(huán)形計(jì)數(shù)器又右移一位，一方面將到來(lái)后，環(huán)形計(jì)數(shù)器又右移一位，一方面將FFC置置1，同時(shí)將門(mén)，同時(shí)將門(mén)G2打開(kāi)，并根據(jù)比較器的輸出決定打開(kāi)，并根據(jù)比較器的輸出決定FFB的的1狀態(tài)狀態(tài)是否應(yīng)該保留。是否應(yīng)該保留。第四個(gè)第四個(gè)CP到來(lái)后，環(huán)形計(jì)數(shù)器到來(lái)后，環(huán)形計(jì)數(shù)器Q4=1，Q1=Q2=Q3=Q5=0，門(mén)門(mén)G3打開(kāi)，根據(jù)比較器的輸出決定打開(kāi)，根據(jù)比較器的輸出決定FFC的的1狀態(tài)是否應(yīng)該保留。狀態(tài)是否應(yīng)該保留。第五個(gè)第五個(gè)CP到來(lái)后，環(huán)形計(jì)數(shù)器到來(lái)后，環(huán)形計(jì)數(shù)器Q5=1，Q1=Q2=Q3=Q4=0，F(xiàn)FA、FFB、FFC的狀態(tài)作為轉(zhuǎn)換結(jié)果，通過(guò)門(mén)的狀態(tài)

14、作為轉(zhuǎn)換結(jié)果，通過(guò)門(mén)G6、G7、G8送送出。出。QF3SRRF2SQRF1SQRF0SQ&d3&d2&d1&d0讀出讀出“與門(mén)與門(mén)”&111d3d0E讀出控制端讀出控制端UiUA電壓電壓比較器比較器逐次逼近逐次逼近寄存器寄存器控制邏輯門(mén)控制邏輯門(mén)時(shí)鐘脈沖時(shí)鐘脈沖五位順序脈沖發(fā)生器五位順序脈沖發(fā)生器四位逐次逼近型模四位逐次逼近型模- -數(shù)轉(zhuǎn)換器的原理電路數(shù)轉(zhuǎn)換器的原理電路四位四位D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器CQ4Q3Q2Q1Q0d2d1FF1 FF2 FF3 FF4 FF5QA QB QC QD QECPuI(t)uOCOCOCO1 uI uO3位碼位碼D/AC電路

15、電路補(bǔ)償電壓補(bǔ)償電壓=（1/2）LSB=0.5V逐次比較型逐次比較型A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器10004V3.5V4.9V0 模數(shù)為模數(shù)為5的的環(huán)型計(jì)數(shù)器。環(huán)型計(jì)數(shù)器。 例：例：uI(t)=4.9V10000G3 G2 G1RdQ3 Q2 Q1G4G5G6D2D1D03位碼位碼D/AC電路電路000FF1 FF2 FF3 FF4 FF5QA QB QC QD QECPuI(t)uOCOCOCO1 uI uO3位碼位碼D/AC電路電路補(bǔ)償電壓補(bǔ)償電壓=（1/2）LSB=0.5VG3 G2 G1RdQ3 Q2 Q1G4G5G6D2D1D04.9V6V5.5V0逐次比較型逐次比較型A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)

16、換器 第二第二個(gè)時(shí)鐘脈個(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái)時(shí)。沖到來(lái)時(shí)。0100010001101 第三第三個(gè)時(shí)鐘脈個(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái)時(shí)。沖到來(lái)時(shí)。001001010 第五第五個(gè)時(shí)鐘脈個(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái)時(shí)。沖到來(lái)時(shí)。000011015V4.5VG4、G5、G6門(mén)開(kāi)，門(mén)開(kāi)，Q3、Q2、Q1數(shù)據(jù)傳數(shù)據(jù)傳出。出。1. 分辨率分辨率 以輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示分辨率。以輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)表示分辨率。 位數(shù)越多，誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高。位數(shù)越多，誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高。2. 轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度 完成一次完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間，即從它接到轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間，即從它接到轉(zhuǎn) 換控制信號(hào)起，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字量輸出換控制信號(hào)起，到輸

17、出端得到穩(wěn)定的數(shù)字量輸出 所需要的時(shí)間。所需要的時(shí)間。3. 相對(duì)精度相對(duì)精度 實(shí)際轉(zhuǎn)換值和理想特性之間的最大偏差。實(shí)際轉(zhuǎn)換值和理想特性之間的最大偏差。 4. .其它其它 功率、電源電壓、電壓范圍等。功率、電源電壓、電壓范圍等。8 通通 道道 模模 擬擬 開(kāi)開(kāi) 關(guān)關(guān) 比較器比較器邏輯控制邏輯控制逐次逼近逐次逼近 寄存器寄存器 D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器地址鎖存地址鎖存 譯譯 碼碼 器器三態(tài)輸出鎖存器三態(tài)輸出鎖存器10.2.2 雙積分型雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 雙積分型雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器屬于電壓時(shí)間變換的間接轉(zhuǎn)換器屬于電壓時(shí)間變換的間接A/D轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器。 基本原理是將一段時(shí)間內(nèi)的輸入模擬電壓基本原

18、理是將一段時(shí)間內(nèi)的輸入模擬電壓 Ui 和和參考電壓參考電壓UR 通過(guò)兩次積分，變換成與輸入電壓平均通過(guò)兩次積分，變換成與輸入電壓平均值成正比的時(shí)間間隔值成正比的時(shí)間間隔, ,再變換成正比于輸入模擬信號(hào)再變換成正比于輸入模擬信號(hào)的數(shù)字量。的數(shù)字量。S1RS2CuA積分器積分器CP_+n n位二進(jìn)制位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器&+AC _+ Q0Q1Qn-1邏輯邏輯控制控制電路電路1K1JRDFFSRD-URuS1uCGd0d1dn-1uL+uiQ雙積分型雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的電路圖轉(zhuǎn)換器的電路圖A/D轉(zhuǎn)換器的工作波形圖轉(zhuǎn)換器的工作波形圖uAtttOOT1T2OtOuS1u1-URuCCP2n個(gè)個(gè)N個(gè)個(gè)定時(shí)定時(shí)定壓定壓ui小小ui大大 (1) 轉(zhuǎn)換開(kāi)始前轉(zhuǎn)換開(kāi)始前 轉(zhuǎn)換信號(hào)轉(zhuǎn)換信號(hào)uC=0，各觸發(fā)，各觸發(fā)器清零器清零, ,并使并使S2閉合閉合,讓積讓積分電路的電容分電路的電容C完全放電。完全放電。 使使uL=1，由控制電路將，由控制電路將，S2斷開(kāi)，并將斷開(kāi)，并將S1接到輸入接到輸入電壓端，積分電路開(kāi)始對(duì)電壓端，積分電路開(kāi)始對(duì)uI積分。積分輸出積分。積分輸出uA為負(fù)為負(fù)值，比較器輸出值，比較器輸出uC為為1，開(kāi)通開(kāi)通CP控制門(mén)控制門(mén)G，計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。開(kāi)始計(jì)數(shù)。(2) 對(duì)輸入模擬電壓的積分對(duì)輸入模擬電壓