《機電一體化》課件

第二節(jié)數(shù)---模轉換集成芯片?！獢?shù)轉換■定義：模擬信號到數(shù)字信號的轉換，稱為?！獢?shù)轉換，或稱為A/D（AnalogtoDigital）轉換?！霭褜崿F(xiàn)A/D轉換的電路稱為A/D轉換器（AnalogDigitalConverter，簡稱ADC）。數(shù)—模轉換■定義：數(shù)字信號到模擬信號的轉換，稱為數(shù)—模轉換，或稱為D/A（DigitaltoAnalog）轉換。■把實現(xiàn)D/A轉換的電路稱為D/A轉換器（DigitalAnalogConverter，簡稱DAC）。模擬信號數(shù)字信號被控對象模擬傳感器數(shù)字處理系統(tǒng)執(zhí)行元件非電量模擬電量數(shù)字量數(shù)字量模擬電量控制操作A/D轉換器典型數(shù)字控制系統(tǒng)框圖D/A轉換器1、采樣保持電路電路由輸入放大器A1、輸出放大器A2、保持電容CH和開關驅動電路組成。電路圖中要求A1具有很高的輸入阻抗，以減小對輸入信號源的影響。為使保持階段CH上所存電荷不易泄放，A2也應具有較高輸入阻抗，A2還應具有較低的輸出阻抗，這樣可以提高電路的帶負載能力。一般還要求電路中取樣保持電路已有很多種型號的單片集成電路產品。如雙極型工藝的有AD585、AD684；混合工藝的有AD1154、SHC76等。2、量化與編碼量化為數(shù)值量化的簡稱，就是將取樣—保持電路的輸出電壓，按某種近似方式規(guī)劃到與之相應的離散電平上的轉化過程。量化后的數(shù)值最后還須通過編碼過程用一個代碼表示出來。經編碼后得到的代碼就是A/D轉換器輸出的數(shù)字量。量化過程中所取最小數(shù)量單位稱為量化單位，用D表示。它是數(shù)字信號最低位為1時所對應的模擬量，即1LSB。在量化過程中，由于取樣電壓不一定能被D整除，所以量化前后不可避免的存在誤差，此誤差稱之為量化誤差，用e表示。

量化誤差屬原理誤差，它是無法消除的。A/D轉換器的位數(shù)越多，各離散電平之間的差值越小，量化誤差越小。4、常用A/D轉換芯片的特性（1）ADC的外特性從使用的角度看，ADC的外特性包括以下4部分：1）模擬信號輸入端；2）數(shù)字量的并行輸出端；3）起動轉換的外部控制信號；4）轉換完畢由轉換器發(fā)出的轉換結束信號。（2）A/D轉換電路的輸出方法：1）若ADC的數(shù)據輸出寄存器具有可控的三態(tài)門。ADC的輸出線允許與微型機系統(tǒng)的數(shù)據總線相連，并在轉換結束后利用讀信號RD控制三態(tài)門，將數(shù)據送上總線。2）若ADC的數(shù)據輸出寄存器不具備可控的三態(tài)門電路，而是直接與芯片管腳相連。ADC芯片的數(shù)據輸出線不允許與系統(tǒng)的數(shù)據總線直接相連，而必須通過I/O通道與CPU交換信息。根據轉換方式的不同，ADC可分為三類：并聯(lián)比較型ADC，逐次逼近型ADC和雙積分型ADC。不同的A/D轉換方式具有各自的特點：并聯(lián)比較型ADC：轉換速度快，但其需要使用的比較器和觸發(fā)器很多。隨著分辨率的提高，所需要的元件數(shù)目也按幾何級數(shù)增加。雙積分型ADC：性能較穩(wěn)定，轉換精度高，抗干擾能力較強，電路簡單，但其工作速度較低。逐次逼近型ADC：分辨率較高、誤差較低、轉換速度較快，在一定程度上兼顧了前兩者轉換器的優(yōu)點，因此得到普遍的應用。（二）A/D轉換芯片（ADC0804）8位CMOS逐次逼近型ADC；三態(tài)鎖定輸出；分辨率：8位；轉換精度：±1LSB；輸入電壓：0～5V；轉換時間：100us；增加外接電路后，輸入模擬電壓可為5V；芯片的輸出總線可直接連接在CPU的數(shù)據總線上，無需附加邏輯接口電路。2.ADC0801二、D/A轉換器D/A轉換器將輸入的數(shù)字量轉換為模擬量輸出。數(shù)字量由若干數(shù)位構成,D/A轉換即把每一位上的代碼按照權值轉換為對應的模擬量，再把各位所對應的模擬量相加，所得到各位模擬量的和便是數(shù)字量所對應的模擬量。在集成化的D/A轉換器中，通常采用電阻網絡實現(xiàn)將數(shù)字量轉換為模擬電流，然后再用運算放大器完成模擬電流到模擬電壓的轉換。

目前D/A轉換集成電路芯片大都包含了這兩個部分，如果只包含電阻網絡的D/A芯片，則需要連接外接運算放大器才能轉換為模擬電壓。

（1）電壓輸出型電壓輸出型D/A轉換器雖有直接從電阻陣列輸出電壓的，但一般采用內置輸出放大器以低阻抗輸出。直接輸出電壓的器件僅用于高阻抗負載，由于無輸出放大器部分的延遲，故常作為高速D/A轉換器使用。（一）D/A轉換器的分類（2）電流輸出型電流輸出型D/A轉換器直接輸出電流，但應用中通常外接電流--電壓轉換電路得到電壓輸出?？梢灾苯釉谳敵鲆_上連接一個負載電阻，實現(xiàn)電流一電壓轉換。但多采用的是外接運算放大器的形式。另外，大部分CMOSD/A轉換器當輸出電壓不為零時不能正確動作，所以必須外接運算放大器。

由于在D/A轉換器的電流建立時間上加入了外接運算放入器的延遲，故D/A響應變慢。該類型電路中的運算放大器因輸出引腳的內部電容而容易起振，有時必須作相位補償?！舾鶕r間的長短，D/A轉換器可分為:

●低速D/A轉換器，建立時間≥100μs；

●中速D/A轉換器，建立時間為10～100μs；

●較高速D/A轉換器，建立時間為1～10μs；

●高速D/A轉換器，建立時間為100ns～1μs；

●超高速D/A轉換器，建立時間為＜100ns。◆根據電阻網絡的結構,DAC可以分為：權電阻網絡D/A轉換器T型電阻網絡D/A轉換器倒T型電阻網絡D/A轉換器權電流D/A轉換器（三）常用D/A轉換芯片特性D/A轉換芯片輸出方式有兩種：電流輸出型、電壓輸出型。數(shù)字量輸入數(shù)字量輸入圖3-23D/A轉換輸出兩種方式電流輸出型：相當于電流源，內阻Rp較大，使用時，負載電阻不可太大。電壓輸出型：相當于電壓源，內阻Rs較小，使用時，負載電阻應較大。

實際應用時，常用電流型實現(xiàn)電壓輸出。圖3-24D/A轉換連接成電壓輸出方式a)反相輸出b)同相輸出電流輸出型D/A轉換芯片實現(xiàn)電壓輸出反向輸出電壓：UOUT=-IR同相輸出電壓：UOUT=IR(1+R2/R1)b)a)圖3-25D/A轉換輸出連接線路a)單極性輸出b)雙極性輸出D/A轉換器的單極性輸出、雙極性輸出a)b)圖3-26AD7524應用線路（四）D/A轉換芯片的應用（AD7524）CMOS低功耗8位DAC1、芯片特點：

◆雙極性輸出；

◆可與大多數(shù)微處理器總線或輸出端口直接接口；◆參考電壓可由正電源或負電源提供，故輸出電壓可隨之改變極性。功能表2、CS：片選信號WR：寫信號D0—D7：數(shù)據輸入端當片選信號CS和寫信號WR是低電平時，AD7524處于寫模式，并將數(shù)據總線D0～D7上的數(shù)據寫入芯片的輸入寄存器。此時的模擬輸出對應著8位數(shù)據輸入值。該模式下，AD7524與沒有輸入寄存器一樣。當片選信號CS和寫信號WR二者有一個為高電平時，芯片處于保持模式，此時模擬量輸出保持在WR或CS變高時刻前輸入的數(shù)字量所對應的模擬量值。數(shù)字量輸入的更新，將引起模擬量輸出的變化。數(shù)字量MSBLSB模擬量111111111000000110000000011111110000000100000000表3-9輸入數(shù)字量與輸出模擬量的對應值第三節(jié)多路模擬開關集成芯片在機電一體化實時控制與實時數(shù)據處理系統(tǒng)中，被控制與被測量的回路往往是幾路或幾十路。對這些回路的參量進行模數(shù)、數(shù)模轉換時，常采用公共的模數(shù)、數(shù)模轉換電路。因此，對各路進行轉換時就存在分時占用模數(shù)、數(shù)模轉換電路的問題。常采用多路開關輪流切換各被測回路與模數(shù)、數(shù)模轉換電路間的通路，以實現(xiàn)分時處理。一、常用多路開關的參數(shù)和性能性能：實際應用中，對于多路A/D通道的切換，常采用多通道輸入、單通道輸出（輸出為公用的一條線）的多路開關。對于多路A/D通道的切換，常采用單通道輸入、多通道輸出的多路開關。二、多路模擬開關集成芯片1.無譯碼器的多路開關

開關類型：TL182C，AD7510，AD7511，AD7512等。AD7510的引腳圖芯片中無譯碼器，四個通道開關都有各自的控制端。優(yōu)點：每一個開關可單獨通斷，也可同時通斷，使用方式比較靈活。缺點：

◆引腳較多，使得片內所集成的開關較少。◆當巡回檢測點較多時，控制復雜。（1）AD7501（AD7503）AD7501芯片結構及引腳功能圖片上所有邏輯輸入與TTL／DTL及CMOS電路兼容。

AD7503除EN端的控制邏輯電平相反外,其它與AD7501相同。2.有譯碼器的多路開關AD7501真值表

導通

00001111×

00110011×

01010101×

111111110

12345678

無（2）CD4501CD4501芯片結構及引腳功能圖CD4501為8通道單刀結構形式，它允許雙向使用，即可用于多到一的切換輸出，也可用于一到多的輸出切換。CD4501真值表

C

B

A

接通通道

000000001

00001111×

00110011×

01010101×

S0S1S2S3S4S5S6S7

無三、多路開關的配置

1.單端接法

把所有輸入信號源的一端接至同一信號地，另一端各自接至多路開關的相應輸入端。

圖(a)的信號地與模擬地很接近，但實際很難做到。圖(b)的信號地