《電工電子技術(shù)》課件第13章

*第13章模擬量和數(shù)字量的轉(zhuǎn)換13.1數(shù)-模轉(zhuǎn)換器13.2模-數(shù)轉(zhuǎn)換器小結(jié)習(xí)題

13.1數(shù)-模轉(zhuǎn)換器

13.1.1數(shù)-模轉(zhuǎn)換器的工作原理

圖13-1所示為一個4位DAC的電路原理圖。圖中，由R和2R兩種阻值的電阻組成T形電阻網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的輸出端接到運算放大器的反相輸入端。

(1)輸入寄存器：在接收指令的作用下，將輸入數(shù)字信號存入寄存器。

(2)電子模擬開關(guān)：S0、S1、S2、S3，這些電子開關(guān)分別由數(shù)碼寄存器存放的4位二進(jìn)制數(shù)的相應(yīng)位數(shù)碼d0、d1、d2、d3控制，根據(jù)它是“1”或“0”決定電阻網(wǎng)絡(luò)中的電阻是接參考電壓(也稱基準(zhǔn)電壓)UR還是接地。圖13-1

T形電阻網(wǎng)絡(luò)數(shù)-模轉(zhuǎn)換器

(3)T形電阻網(wǎng)絡(luò)：當(dāng)輸入的數(shù)字信號的某一位為“1”時，開關(guān)接到參考電壓UR上；當(dāng)某一位為“0”時，接地。T形電阻網(wǎng)絡(luò)開路時的輸出電壓UA(未接運算放大器時)可以應(yīng)用疊加原理進(jìn)行計算，即分別計算當(dāng)d0＝1、d1＝1、d2＝1、d3＝1

(其余位為0)時的電壓分量，而后疊加得到UA。只有當(dāng)d0＝1，即d3d2d1d0＝0001時，其電路如圖13-2所示，應(yīng)用戴維寧定理可將00′左邊部分等效為電壓為

的電源與電阻串聯(lián)的電路，而后分別在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，即等效電源的內(nèi)阻均為(2R)∥(2R)＝R。由此可得出最后的等效電路，通過計算可以求出當(dāng)d0＝1時網(wǎng)絡(luò)的開路電壓，即為等效電源電壓圖13-2計算T形電阻網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓(d3d2d1d0＝0001)同理，再分別對d1＝1、d2＝1、d3＝1(其余位為0)時

重復(fù)上述計算過程，得出的網(wǎng)絡(luò)開路端電壓各為

應(yīng)用疊加原理將這四個電壓分量疊加，可得出T形電阻網(wǎng)絡(luò)開路時的輸出電壓UA為運算放大器接成反相比例運算電路，T形電阻網(wǎng)絡(luò)輸出的等效電壓UA作為信號源，加到集成運放的輸入端，等效電路圖如圖13-3所示。圖13-3

T形電阻網(wǎng)絡(luò)與運算放大器連接的等效電路這時集成運放的輸出模擬電壓為

如果輸入的是n位二進(jìn)制數(shù)，則當(dāng)取RF＝3R時，上式為

式中，括號內(nèi)的是n位二進(jìn)制數(shù)按“權(quán)”的展開式。可見，輸入的數(shù)字量被轉(zhuǎn)換為模擬電壓，兩者成正比。例如，對4位的數(shù)-模轉(zhuǎn)換器而言：

R－2RT形電阻網(wǎng)絡(luò)數(shù)-模轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點是只需R和2R兩種阻值的電阻，這對選用高精度電阻和提高轉(zhuǎn)換器的精度都是有利的。

倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)數(shù)-模轉(zhuǎn)換器也是比較常用的。圖13-4為

其電路圖。圖中，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，當(dāng)為0時接“地”。

圖13-4倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)數(shù)-模轉(zhuǎn)換器首先計算電阻網(wǎng)絡(luò)的輸出電流Io1，觀察電路圖可知：

(1)電路的任一端口00′、11′、22′、33′，其左邊部分電路的等效電阻均為R。

(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”(即不論輸入信號是1還是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然后根據(jù)電流分流公式得出各支路的電流：

由此可得出電阻網(wǎng)絡(luò)的輸出電流：運算放大器輸出的模擬電壓為

如果輸入的是n位二進(jìn)制數(shù)，則

當(dāng)RF＝R時，上式為

與T形電阻網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓相同。13.1.2數(shù)-模轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)

1．分辨率

分辨率是指轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比。當(dāng)輸入的數(shù)字量為1(僅最低位為1，其余各位全部為0)時，輸出最小；當(dāng)輸入的數(shù)字量各位全部為1時，輸出最大。此二者之比即為分辨率。例如，10位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為

有時也用輸入信號的有效位數(shù)來表示分辨率，有效位數(shù)越多，分辨率就越高。顯然，分辨率越高，轉(zhuǎn)換的精度就越高，但分辨率越高，其轉(zhuǎn)換電路就越復(fù)雜。

表13-1列出的是不同D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率。

2．轉(zhuǎn)換精度和線性度

轉(zhuǎn)換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。該誤差是由運放的零點漂移、模擬開關(guān)的壓降以及電阻阻值的偏差等原因引起的。

線性度是指轉(zhuǎn)換器的非線性誤差。非線性誤差一般是由于各模擬通路的偏差和壓降不同造成的。

3．輸入數(shù)字電平和輸出電平

輸入數(shù)字電平是指輸入的數(shù)字信號分別為0和1時所對應(yīng)的輸入高、低電平的值。對于不同的轉(zhuǎn)換器，該值略有區(qū)別。輸出電平是指輸出電壓的最大值。對于不同型號的轉(zhuǎn)換器，該值相差較大，其中電壓輸出型的可達(dá)30V，電流輸出型的可達(dá)3A。

4．工作溫度范圍

溫度的高低會直接影響到轉(zhuǎn)換器的精度指標(biāo)。好的產(chǎn)品其工作溫度在－40~150℃之間。13.1.3數(shù)-模轉(zhuǎn)換器的主要產(chǎn)品介紹

1．DAC0830系列

DAC0830系列是8位分辨率的集成DAC轉(zhuǎn)換電路，包含轉(zhuǎn)換電路和外圍電路，具有雙緩沖結(jié)構(gòu)，內(nèi)部主要由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位DAC轉(zhuǎn)換電路和轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成，采用20腳雙列直插封裝，芯片外接集成運放，將轉(zhuǎn)換成的模擬電流信號放大后變成電壓信號輸出。

DAC0830系列的外引線排列圖如圖13-5所示。圖13-5

DAC0830系列的外引線排列圖

2．集成DA7520

集成DA7520和DAC0830系列不同的是，其電路只包含轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)和模擬電子開關(guān)，是10位CMOS電流開關(guān)型轉(zhuǎn)換器，其結(jié)構(gòu)簡單，通用性好。DA7520的外引線排列圖如圖13-6所示，對于其引腳功能，讀者可參考英文名稱和DAC0830系列自行分析。圖13-6

DA7520的外引線排列圖13.2模-數(shù)轉(zhuǎn)換器

13.2.1模-數(shù)轉(zhuǎn)換器的基本原理

在ADC中，輸入的模擬量在時間和幅值上都是連續(xù)變化的，而輸出的數(shù)字信號在時間和幅值上都是離散的。將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量分為四個步驟，即采樣、保持、量化、編碼。前兩個步驟在采樣保持電路中完成，后兩個步驟在ADC轉(zhuǎn)換電路中完成。圖13-7是ADC的工作原理圖。圖13-7

ADC的工作原理13.2.2模-數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)

1．分辨率和量化誤差

ADC的分辨率以輸出的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)來表示，在最大輸入電壓一定時，輸出位數(shù)越多，則量化單位越小，分辨率越高。例如，將模擬信號轉(zhuǎn)換為10位二進(jìn)制數(shù)輸出，如果最大輸入電壓為5V，則該轉(zhuǎn)換器所能分辨的最小輸入電壓為

轉(zhuǎn)換為輸出最低位的1。量化誤差是由于ADC有限字長數(shù)字量對輸入模擬量進(jìn)行離散取樣而引起的誤差，其大小在理論上為一個單位分辨力，所以量化誤差與分辨率是統(tǒng)一的，提高分辨率即可減小量化誤差。

2．轉(zhuǎn)換精度

轉(zhuǎn)換精度和誤差一般以輸出誤差的最大值來表示，它表示ADC實際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差值，用絕對誤差或相對誤差來表示。由于理想ADC也存在量化誤差，因而ADC轉(zhuǎn)化精度所對應(yīng)的誤差指標(biāo)是不包含量化誤差在內(nèi)的。

轉(zhuǎn)換精度有時以綜合誤差指標(biāo)的表達(dá)方式給出，有時又以分項誤差指標(biāo)的表達(dá)方式給出。通常給出的分項誤差指標(biāo)有偏移誤差、滿刻度誤差、非線性誤差和微分非線性誤差等。偏移誤差是指輸出為零時，輸入不為零的值，所以有時又稱為零點誤差。偏移誤差通常是由放大器的偏移電壓或偏移電流引起的。一般可以通過在轉(zhuǎn)換器外加接調(diào)節(jié)電位器，將偏移誤差調(diào)至最小。

滿刻度誤差也稱增益誤差，是指轉(zhuǎn)換器滿刻度輸出時的代碼所對應(yīng)的實際輸入電壓值與理想輸入電壓值之差。滿刻度誤差一般是由參考電壓、放大器的放大倍數(shù)和電阻網(wǎng)絡(luò)誤差等引起的。滿刻度誤差也可以通過外部電路來修正。

非線性誤差是指實際轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線的最大偏移。

注意：非線性誤差不包括量化誤差、偏移誤差和滿刻度誤差。

微分非線性誤差是指轉(zhuǎn)換器實際階梯電壓與理想階梯電壓(1LSB)之間的差值。為保證轉(zhuǎn)換器的單調(diào)性能，轉(zhuǎn)換器的微分非線性誤差一般不大于1LSB。

非線性誤差和微分非線性誤差在使用中很難進(jìn)行調(diào)整。

3．轉(zhuǎn)換速度和速率

轉(zhuǎn)換速度是指完成一次轉(zhuǎn)換所需時間的長短，是指從轉(zhuǎn)換控制信號到來至輸出端得到穩(wěn)定的輸出數(shù)字信號所經(jīng)過的時間的長短。轉(zhuǎn)換速率是指轉(zhuǎn)換器在每秒所能完成的轉(zhuǎn)換次數(shù)。轉(zhuǎn)換速度和轉(zhuǎn)換速率互為倒數(shù)。ADC的轉(zhuǎn)換速度和轉(zhuǎn)換電路的類型有關(guān)，不同類型的轉(zhuǎn)換器其轉(zhuǎn)換速度相差很大，轉(zhuǎn)換速度快的并行比較型可將一次轉(zhuǎn)換時間控制在50ns以內(nèi)。

4．電源抑制

當(dāng)輸入模擬電壓不變時，如果轉(zhuǎn)換電路的供電電源電壓發(fā)生變化，則對輸出的數(shù)字信號也會產(chǎn)生影響。電源抑制可用輸出數(shù)字量的絕對變化量來表示。13.2.3常用模-數(shù)轉(zhuǎn)換器簡介

1．ADC0800系列

ADC0800系列屬逐次逼近型轉(zhuǎn)換器，如ADC0801、ADC0804、ADC0809等，可把輸入模擬信號轉(zhuǎn)換為8位數(shù)字信號輸出。

ADC0809片內(nèi)有帶鎖存功能的8路模擬開關(guān)，可實現(xiàn)對8路輸入模擬電壓進(jìn)行分時轉(zhuǎn)換，輸出采用TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接與外部數(shù)據(jù)總線連接。ADC0809采用28腳雙列直插封裝，其外引線排列圖如圖13-8所示。圖13-8

ADC0809的外引線排列圖

2．ICL7109轉(zhuǎn)換器

ICL7109是一種高精度、低噪聲、低漂移且價格便宜的

12位雙積分型轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部由模擬電路和數(shù)字電路兩部分組成，采用40腳雙列直插式封裝。ICL7109的外引線排列圖如圖13-9所示。圖13-9

ICL7109的外引線連接圖13.2.4模-數(shù)轉(zhuǎn)換器在智能儀器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是計算機(jī)、智能儀器與外界聯(lián)系的橋梁，是獲取信息的主要途徑，用于對整個系統(tǒng)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)處理。它的核心是計算機(jī)，而計算機(jī)所處理的是數(shù)字信號，因此輸入的模擬信號必須進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，以將連續(xù)的模擬信號量化。圖13-10是多通道并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。圖13-10多通道并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖小結(jié)

一、基本要求

1.掌握ADC和DAC的特點。

2.了解ADC和DAC的技術(shù)參數(shù)。

3.了解ADC和DAC的芯片。

二、內(nèi)容提要

1.ADC和DAC是現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)中的重要部件，其應(yīng)用不僅廣泛而且日益增多。兩者的主要參數(shù)都是轉(zhuǎn)換精度和速度。目前，ADC和DAC的發(fā)展趨勢是高速度、高分辨率及易于與微型計算機(jī)接口等。

2.數(shù)-模轉(zhuǎn)換裝置輸入的信號是數(shù)字信號，輸出的信號則是與輸入的數(shù)字信號成比例的模擬電壓或電流。數(shù)-模轉(zhuǎn)換電路有多種方式，最常用的是電阻網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器。其中，較常見的有權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、T形電阻網(wǎng)絡(luò)和倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)等。

3.模-數(shù)轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過采樣、保持、量