《電工電子學(xué)》課件第16章

第16章模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換

16.1

D/A轉(zhuǎn)換器

16.2

A/D轉(zhuǎn)換器在現(xiàn)代控制、通信和檢測技術(shù)領(lǐng)域中，廣泛采用計算機(jī)對信號進(jìn)行運算和處理。實際的控制對象大多數(shù)是模擬量，如將壓力、溫度、濕度、速度等非電量利用各種傳感器轉(zhuǎn)換

為電信號，這些電信號都屬于模擬量。為了使計算機(jī)和數(shù)字儀表能識別這些信號，必須先把要控制的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入計算機(jī)內(nèi)，而經(jīng)過計算機(jī)處理后的數(shù)字信號又必須再轉(zhuǎn)換為模擬信號，才能控制驅(qū)動裝置以實現(xiàn)對被控對象的控制。圖16-1實際系統(tǒng)A/D和D/A轉(zhuǎn)換過程

16.1

D/A轉(zhuǎn)換器

16.1.1

D/A轉(zhuǎn)換器的組成和工作原理

D/A轉(zhuǎn)換器的基本思想是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成與它等值的十進(jìn)制數(shù)成正比的模擬量。D/A轉(zhuǎn)換器的種類很多，在集成D/A轉(zhuǎn)換器中，權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度快，轉(zhuǎn)換精度高，是較常用的一種轉(zhuǎn)換器。下面以四位T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器為例，說明D/A轉(zhuǎn)換器的組成和原理。

1.D/A轉(zhuǎn)換器的組成

圖16-2所示為四位T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖，它的核心部分是由精密電阻組成的R-2R型網(wǎng)絡(luò)和電子雙向開關(guān)。整個電路由許多相同的環(huán)節(jié)組成，每個環(huán)節(jié)都有一個

2R電阻和一個電子雙向開關(guān)。相鄰兩環(huán)節(jié)之間通過電阻R聯(lián)系起來。每個環(huán)節(jié)反映二進(jìn)制數(shù)的一位數(shù)碼。圖16-2

T型電阻網(wǎng)絡(luò)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器

2.D/A轉(zhuǎn)換器的原理

圖16-2中的運算放大器接成了反向比例運算電路，則對從A點左側(cè)的T型電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行等效化簡，應(yīng)用戴維南定理和疊加定理可計算出電路中A點的電位UA。

(1)當(dāng)只有d0=1時，即d3d2d1d0=0001，其電路可等效為圖16-3(a)所示。應(yīng)用戴維南定理可將00′左邊部分等效為電壓為UR/2的電源與電阻R串聯(lián)的電路。而后再分別在11′、

22′、33′處計算它們左邊部分的等效電路，其等效電源的電壓依次被除以2，即UR/4、UR/8、UR/16，而等效電源的內(nèi)阻均為2R∥2R=R。由此，可得出33′左邊部分，即最后的等效電路，如圖16-3(b)所示?？梢?，當(dāng)d0=1時的網(wǎng)絡(luò)開路電壓即為等效電源電壓UR/24·d0。圖16-3計算T型電阻網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓

(2)同理，再分別對d1=1，d2=1，d3=1，其余為0時重復(fù)上述計算過程，得出的網(wǎng)絡(luò)開路電壓為UR/23·d1，UR/22·d2，UR/21·d3。

對圖16-2中A點的電壓應(yīng)用疊加原理將這四個電壓分量疊加，得出T型電阻網(wǎng)絡(luò)開路時的輸出電壓UA，即等效電源電壓UE為

(16-1)

其等效電路如圖16-4所示，等效電源的內(nèi)阻仍為R。圖16-4

T型電阻網(wǎng)絡(luò)的等效電路在圖16-2中，T型電阻網(wǎng)絡(luò)的輸出端經(jīng)2R接到運算放大器的反相輸入端，其等效電路如圖16-5所示。運算放大器輸出的模擬電壓為

(16-2)圖16-5

T型電阻網(wǎng)絡(luò)與運算放大器連接的等效電路如果輸入的是n位二進(jìn)制數(shù)，則

(16-3)

當(dāng)取RF=3R時，則上式為

(16-4)式(16-4)說明，D/A轉(zhuǎn)換器輸出的模擬量與輸入的數(shù)字量成正比。例如，用D/A轉(zhuǎn)換器將8位二進(jìn)制數(shù)10101010轉(zhuǎn)換為模擬量，設(shè)UR=8V，則其轉(zhuǎn)換結(jié)果為此外，也常用倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，其電路如圖16-6所示。圖中的電子模擬開關(guān)也由輸入數(shù)字量來控制，當(dāng)二進(jìn)制數(shù)碼為1時，開關(guān)接到運算放大器的反相輸入端，為

0時接“地”。圖16-6倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器電路我們可先計算電阻網(wǎng)絡(luò)的輸出電流IO1。計算時要注意兩點：①00′、11′、22′、33′左邊部分電路的等效電阻均為R(如圖16-7所示)；②不論模擬開關(guān)接到運算放大器的反相輸入端(虛地)或接“地”(也就是不論輸入數(shù)字信號是1或0)，各支路的電流是不變的。因此，從參考電壓端輸入的電流為而后根據(jù)分流公式得出各支路電流為圖16-7計算倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)的輸出電流由此可得出電阻網(wǎng)絡(luò)的輸出電流為

(16-5)

運算放大器輸出的模擬電壓UO為

(16-6)如果輸入的是n位二進(jìn)制數(shù)，則

(16-7)

當(dāng)取RF=R時，則上式為

(16-8)

此式與式(16-4)相同。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，數(shù)/模轉(zhuǎn)換器集成電路芯片種類很多。按輸入的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)分類有八位、十位、十二位和十六位等。例如AD7520，它是十位CMOS數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，其電路采用倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)。模擬開關(guān)是CMOS型的，也同時集成在芯片上。但運算放大器是外接的。AD7520的外引線排列及連接電路如圖16-8所示。圖16-8

AD7520的外引線排列及連接電路16.1.2

D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)

1.分辨率

D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率是用其輸出的最小模擬電壓(對應(yīng)的輸入二進(jìn)制數(shù)為1)與最大模擬電壓(對應(yīng)的輸入二進(jìn)制數(shù)的所有位全為1)之比來表示的。由于輸出的模擬量與輸入的數(shù)字量成正比，因此也可以用兩個數(shù)字量的比來表示分辨率。例如，十位進(jìn)制數(shù)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換的分辨率為

2.精度

D/A轉(zhuǎn)換器的精度是指輸出模擬電壓的實際值與理想值之差，即最大靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。該誤差是由于參考電壓偏離標(biāo)準(zhǔn)值、運算放大器的零點飄移、模擬開關(guān)的壓降以及電阻阻值的偏差等原因所引起的。

3.線性度

通常用非線性誤差的大小表示數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的線性度。產(chǎn)生非線性誤差有兩種原因：一是各位模擬開關(guān)的壓降不一定相等，而且接UR和接“地”時的壓降也未必相等；各個電阻阻值的偏差不可能做到完全相等，而且不同位置上的電阻阻值的偏差對輸出模擬電壓的影響又不一樣。

4.輸出電壓(或電流)的建立時間

從輸入數(shù)字信號起，到輸出電壓或電流到達(dá)穩(wěn)定值所需時間，稱為建立時間。建立時間包括兩部分：一是距運算放大器最遠(yuǎn)的那一位輸入信號的傳輸時間；二是運算放大器

到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)所需時間。由于T型電阻網(wǎng)絡(luò)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器是

并行輸入的，其轉(zhuǎn)換速度較快。目前，像十位或二十位單

片集成數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(不包括運算放大器)的轉(zhuǎn)換時間一般不超過1μs。

5.電源抑制比

在高質(zhì)量的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器中，要求模擬開關(guān)電路和運算放大器的電源電壓發(fā)生變化時，對輸出電壓的影響非常小。輸出電壓的變化與相對應(yīng)的電源電壓變化之比，稱為電源抑制比。

此外，還有功率消耗、溫度系數(shù)以及輸入高、低邏輯電平的數(shù)值等技術(shù)指標(biāo)。

16.2

A/D轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換器的種類也很多，總的來說可分為直接A/D轉(zhuǎn)換器和間接A/D轉(zhuǎn)換器兩大類。前者可將模擬量直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量；后者則需經(jīng)過某個中間變量才將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)

字量。16.2.1逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換與D/A轉(zhuǎn)換相反，就是要將模擬量轉(zhuǎn)換成與其相當(dāng)?shù)臄?shù)字量。逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器是直接A/D轉(zhuǎn)換器的一種，其基本原理是先在最高位設(shè)定一個數(shù)字量1，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器將它轉(zhuǎn)換成模擬量后與待轉(zhuǎn)換的模擬量比較，根據(jù)比較結(jié)果，修改設(shè)定量；然后在次高位再設(shè)定一個數(shù)字量1，再比較，再修改；再在下一位設(shè)定、修改……逐次逼近，直

到設(shè)定的數(shù)字量與待轉(zhuǎn)換的模擬量之間的誤差小于最低1位數(shù)字量為止。這時設(shè)定的數(shù)字量即是由模擬量轉(zhuǎn)換而來的數(shù)字量。這好比用四個分別重8g、4g、2g、1g的砝碼去秤重13g的物體，秤量順序如表16-2所列。逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的工作過程與上述秤物過程十分相似。逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器一般由順序脈沖發(fā)生器、逐次逼近寄存器、D/A轉(zhuǎn)換器和電壓比較器等幾部分組成，其原

理框圖如圖16-9所示。圖16-9逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器原理框圖

1.逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的電路組成

下面結(jié)合圖16-10所示的具體電路來說明逐次逼近的

過程。圖16-10四位逐次逼近型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器原理圖

2.逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理

下面分析電路的轉(zhuǎn)換過程，并設(shè)D/A轉(zhuǎn)換器的參考電壓UR=+8V，輸入模擬電壓UI=5.52V。

轉(zhuǎn)換開始前，先將觸發(fā)器F3、F2、F1、F0清零，并置順序脈沖Q4Q3Q2Q1Q0=10000狀態(tài)，使F3的S端置1。當(dāng)?shù)谝粋€時鐘脈沖C的上升沿到來時，因F3被置位，使逐次逼近寄存器的輸出d3d2d1d0=1000，加在數(shù)/模轉(zhuǎn)換器

上。由式(16-1)可知，此時D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為

因UA<UI，故比較器的輸出為“0”。同時，順序脈沖右移一位,變?yōu)镼4Q3Q2Q1Q0=01000狀態(tài)。因Q3為1，使F2的S端置1。當(dāng)?shù)诙€時鐘脈沖C的上升沿到來時,使d3d2d1d0=1100。此時

UA>UI，故比較器的輸出為“1”，使控制邏輯門打開。同時，順序脈沖右移一位，變?yōu)镼4Q3Q2Q1Q0=00100狀態(tài)。因Q2為1，對應(yīng)的控制邏輯與門輸出為1，通過或門，使F2的R端置1，同時Q2使F1的S端置1。

當(dāng)?shù)谌齻€時鐘脈沖C的上升沿到來時，因F2被復(fù)位，F(xiàn)1被置位，使d3d2d1d0=1010。此時

UA<UI，故比較器的輸出為“0”。同時，順序脈沖右移一位，變?yōu)镼4Q3Q2Q1Q0=00010狀態(tài)。因Q1為1，使F0的S端置1。當(dāng)?shù)谒膫€時鐘脈沖C的上升沿到來時，因F0被置位，使d3d2d1d0=1011，此時UA≈UI，故比較器的輸出為“0”。同時順序脈沖右移一位，變?yōu)镼4Q3Q2Q1Q0=00001狀態(tài)。

當(dāng)?shù)谖鍌€時鐘脈沖C的上升沿到來時，d3d2d1d0=1011保持不變，此即為轉(zhuǎn)換結(jié)果。此時，若在E端輸入一個正脈沖，即E=1，則將四個讀出“與”門打開，d3d2d1d0得以輸出。同時，Q4Q3Q2Q1Q0=10000，返回原始狀態(tài)。這樣就完成了一次轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換過程如表16-3和圖16-11所示。圖16-11

UA逼近UI的波形上例轉(zhuǎn)換誤差為0.02V。誤差取決于轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，位數(shù)越多，誤差越小。

目前，經(jīng)常使用的是單片集成模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，其種類很多，例如AD571、ADC0801、ADC0804、ADC0809等。下面以ADC0809為例，簡單介紹其結(jié)構(gòu)和使用。ADC0809是CMOS八位逐次逼近型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，它的結(jié)構(gòu)框圖和外引線排列分別如圖16-12和圖16-13所示。圖16-12

ADC0809的結(jié)構(gòu)框圖圖16-13

ADC0809的外引線圖16.2.2

A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)

1.分辨率

A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率是指輸出二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)，位數(shù)越多，誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高。

2.相對精度

轉(zhuǎn)換器的相對精度是指各個轉(zhuǎn)換點偏離理想特性的誤差。在理想情況下，所有的轉(zhuǎn)換點應(yīng)在一條直線上。