《模拟量与数字量之间的转换.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模拟量与数字量之间的转换.ppt（40页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、3.3 模拟量与数字量之间的转换模拟量与数字量之间的转换3.3.1 A/D转换器转换器AD转换器是一种将模拟量转换成数字量的器件，通常也转换器是一种将模拟量转换成数字量的器件，通常也称为称为ADC。在数据采集系统中，传感器的输出大部分为模拟信。在数据采集系统中，传感器的输出大部分为模拟信号号(电压、电流电压、电流)，而计算机只能接收数字量。为此，需要在传，而计算机只能接收数字量。为此，需要在传感器与计算机之间进行模数转换，以便将模拟电压信号转换感器与计算机之间进行模数转换，以便将模拟电压信号转换成计算机能识别的二进制数字信号。因此成计算机能识别的二进制数字信号。因此AD转换器是数据采转换器是数
2、据采集系统的重要环节，它直接关系到测量的准确度、分辨力和转集系统的重要环节，它直接关系到测量的准确度、分辨力和转换速度。换速度。A AD D转转换换器器的的类类型型较较多多。按按其其转转换换输输出出数数据据的的方方式式，可可分分为为并并行行和和串串行行两两种种，其其中中并并行行又又分分为为8 8位位、1010位位、1414位位和和1616位位等；按其转换原理可分为逐次逼近式和双积分式等。等；按其转换原理可分为逐次逼近式和双积分式等。并并行行与与串串行行ADCADC各各有有其其优优势势。并并行行ADCADC占占用用较较多多的的数数据据线线，具具有有输输出出速速度度快快的的优优点点，在在转转换换位
3、位数数较较少少时时具具有有很很高高的的性性价价比比。串串行行ADCADC占占用用的的数数据据线线少少，转转换换速速度度慢慢，但但它它也也有有自自身身的的优优点点：一一是是便便于于信信号号隔隔离离，只只需需少少数数几几路路光光电电隔隔离离器器件件就就可可以以实实现现电电气气隔隔离离，在在转转换换位位数数较较多多的的情情况况下下具具有有较较高高的的性性价价比比；二二是是其其芯片小、引脚少，便于线路板的制作。芯片小、引脚少，便于线路板的制作。A AD D转换器的主要技术特性如下：转换器的主要技术特性如下：(1)(1)分分辨辨力力与与分分辨辨率率。A AD D转转换换器器的的分分辨辨率率习习惯惯上上以
4、以输输出出二二进进制制位位数数或或BCDBCD码码位位数数表表示示。分分辨辨力力为为1 1 LSB LSB(最最低低有有效效位位数数)。12位位AD转换器转换器AD574的分辨率为的分辨率为12位，用百分数表示为位，用百分数表示为 5G14433双积分式双积分式AD转换器的分辨率为转换器的分辨率为3位半。它的位半。它的满度字位为满度字位为1 999，其百分数表示的分辨率为，其百分数表示的分辨率为 A AD D转转换换器器的的分分辨辨力力(1(1 LSB)LSB)对对数数据据采采集集系系统统的的总总分分辨辨力力起着决定性作用。起着决定性作用。(2)量化误差量化误差e 在理论上在理论上1/2LSB
5、。(3)转转换换时时间间。完完成成一一次次AD转转换换的的时时间间TC为为AD转转换换时时间间，在在这这段段时时间间里里输输入入AD的的模模拟拟电电压压数数值值应应稳稳定定不不变变，否否则则就就会会造造成成AD转转换换的的误误差差。通通常常转转换换时时间间TC比比采采样样/保保持持器器的的孔孔径径时时间间TAP大大，更更比比孔孔径径抖抖动动TAJ大大得得多多，因因此此若若不不加加采采样样保保持持器器，在在保保证证转转换换误误差差不不大大于于量量化化误误差差e的的条条件件下下，AD转转换换器器直直接接转转换换输输入入信信号号Vx(t)的的最最高高频频率率是是很很低低的的，公公式式(2-2)是是转
6、转换换时时间间TC和和转转换换器器的的位位数数与与可可采采集集信信号号的的最最高高频频率率的的关关系：系：（2-2）例例如如：8位位ADC(080X)，n=8，Tc=100s，fH6.3 Hz；12位位ADC(AD574)，n=12，Tc=35s，fH1.1 Hz；例例如如：8位位ADC(080X)，n=8，Tc=100s，fH6.3 Hz；12位位ADC(AD574)，n=12，Tc=35s，fH1.1 Hz；为为了了对对更更高高频频率率的的输输入入信信号号进进行行模模一一数数转转换换，在在AD转转换换器前都要加采样保持器。器前都要加采样保持器。(4)转转换换速速率率是是转转换换时时间间Tc
7、的的倒倒数数，如如Tc=20 ns，即即转转换换速速率率为为50MSPS。(5)其其他他参参数数如如对对电电源源电电压压变变化化的的抑抑制制比比(PSRR)、零零点点和和增增益温度系数、输入电阻等。益温度系数、输入电阻等。AD转换器除了以上主要技术特性外，作为一个测量系转换器除了以上主要技术特性外，作为一个测量系统中的一个环节，它也有测量环节的基本特性统中的一个环节，它也有测量环节的基本特性(静态特性、动静态特性、动态特性态特性)相对应的技术指标，如零点、非线性误差相对应的技术指标，如零点、非线性误差(线性度线性度)、量程等，除厂家给出外，用户可以自行检验或标定。量程等，除厂家给出外，用户可以
8、自行检验或标定。1、逐渐逼近式、逐渐逼近式A/D转换器转换器 A/D转换器有直接转换法和间接转换法两大类。转换器有直接转换法和间接转换法两大类。直接法是通过一套基准电压与取样保持电压进行比直接法是通过一套基准电压与取样保持电压进行比较，从而直接将模拟量转换成数字量。其特点是工作较，从而直接将模拟量转换成数字量。其特点是工作速度高，转换精度容易保证，调准也比较方便。直接速度高，转换精度容易保证，调准也比较方便。直接A/D转换器有计数型、逐次比较型、并行比较型等。转换器有计数型、逐次比较型、并行比较型等。间接法是将取样后的模拟信号先转换成中间变量间接法是将取样后的模拟信号先转换成中间变量时间时间t
9、或频率或频率f,然后再将然后再将t或或f转换成数字量。其特点是转换成数字量。其特点是工作速度较低，但转换精度可以做得较高，且抗干扰工作速度较低，但转换精度可以做得较高，且抗干扰性强。间接性强。间接A/D转换器有单次积分型、双积分型等。转换器有单次积分型、双积分型等。逐次逼近的方法逐次逼近的方法ADC的内部主要由逐的内部主要由逐次逼近寄存器次逼近寄存器SAR、DA转换器、电压比转换器、电压比较器和一些时序控制逻辑电路等组成。其较器和一些时序控制逻辑电路等组成。其原理框图如图原理框图如图1所示：所示：图图1 逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器转换器 其工作原理非常类似于用天平称重。在转换其工作原理非
10、常类似于用天平称重。在转换开始前，先将开始前，先将SAR寄存器各位清零，然后设其最寄存器各位清零，然后设其最高位为高位为1（对（对8位来讲，即为位来讲，即为10000000B）就像就像天平称重时先放上一个最重的砝码一样，天平称重时先放上一个最重的砝码一样，SAR中中的数字量经的数字量经D/A转换器转换为相应的模拟电压转换器转换为相应的模拟电压VC，并与模拟输入电压并与模拟输入电压VX进行比较，若进行比较，若VXVC，则则SAR寄存器中最高位的寄存器中最高位的1保留，否则就将最高位清保留，否则就将最高位清零零(若砝码比物体轻就要保留此砝码，否则去掉此若砝码比物体轻就要保留此砝码，否则去掉此砝码砝
11、码)。然后再使次高位置。然后再使次高位置1，进行相同的过程直，进行相同的过程直到到SAR的所有位都被确定。转换过程结束后，的所有位都被确定。转换过程结束后，SAR寄存器中的二进制码就是寄存器中的二进制码就是ADC的输出。的输出。ACD1143及其应用及其应用 ACD1143是一个是一个16位逐次逼近式位逐次逼近式A/D转换器。转换器。主要特性：主要特性：16位高分辨率位高分辨率 转换时间转换时间 ADC1143J最大转换时间为最大转换时间为70s ADC1143K最大转换时间为最大转换时间为100s 自带参考电源和时钟脉冲自带参考电源和时钟脉冲 低功耗低功耗 当当VS=15V时，最大功耗为时，
12、最大功耗为175mW 当当VS=12V时，最大功耗为时，最大功耗为150mW 最大非线性最大非线性 ADC1143J为为0.006%ADC1143K为为0.003%动态非线性温度系数动态非线性温度系数 ADC1143J最大为最大为2 ADC1143K最大为最大为1 供电范围供电范围 VS=11.4V18.0V VD=+3.0V+18.0V ADC1143由由16位位CMOS逐次逼近逐次逼近DAC、16位逐次逼近寄存器、低功耗比较器、内位逐次逼近寄存器、低功耗比较器、内部时钟、低噪声参考电源以及模拟输入电部时钟、低噪声参考电源以及模拟输入电阻网络和高质量耦合电容组成，其功能框阻网络和高质量耦合电
13、容组成，其功能框图如图图如图2所示所示：图图2 ADC1143功能框图功能框图 ADC1143的引脚功能：的引脚功能：模拟输入电压引脚（模拟输入电压引脚（2729脚）脚）模拟电压范围模拟电压范围可编程可编程模拟电模拟电压范围压范围V输出电压输出电压模拟电压引模拟电压引入脚入脚26脚连接情脚连接情况况20脚连接情脚连接情况况+5二进制二进制27、2829开断开断2+10二进制二进制27、28开断开断2、29+20二进制二进制27开断开断2、28、295偏移二进制、偏移二进制、二进制补码二进制补码29272、2810偏移二进制、偏移二进制、二进制补码二进制补码28272、29参考电源输入、输出（参
14、考电源输入、输出（25、26脚）脚）当使用内部参考电源时，将它们之间接一个当使用内部参考电源时，将它们之间接一个100精精密电位器密电位器 当使用外部参考电源时，按下图进行连接当使用外部参考电源时，按下图进行连接偏移调节引脚（偏移调节引脚（24脚）脚）零输出校正。零输出校正。并行数据输出引脚（并行数据输出引脚（419脚）具有数据锁存功能，无脚）具有数据锁存功能，无三态驱动，以偏移二进制码输出。三态驱动，以偏移二进制码输出。补码输出（补码输出（3脚）脚）二进制补码输出使用位二进制补码输出使用位模拟地和数字地（模拟地和数字地（30、2脚）应通过外部连接，以一点脚）应通过外部连接，以一点连接为最佳连
15、接为最佳状态引脚（状态引脚（22脚）脚）ADC1143的工作状态信号。的工作状态信号。转换命令引脚（转换命令引脚（21脚）启动脚）启动ADC进行进行A/D转换，在该信转换，在该信号的下降沿，各内部状态全部复位。号的下降沿，各内部状态全部复位。(2)ADC1143(2)ADC1143的工作过程的工作过程(3)ADC1143与与80C31接口接口ADC1143与与80C31接口接口 双双积积分分型型ADCADC的的转转换换原原理理是是先先将将模模拟拟电电压压U UI I转转换换成成与与其其大大小小成成正正比比的的时时间间间间隔隔T T，再再利利用用基基准准时时钟钟脉脉冲冲通通过过计计数数器器将将T
16、 T变变换成数字量。换成数字量。双积分型双积分型A/DA/D转换器转换器 这这种种A/DA/D转转换换器器具具有有很很多多优优点点。首首先先，其其转转换换结结果果与与时时间间常常数数RCRC无无关关，从从而而消消除除了了由由于于斜斜波波电电压压非非线线性性带带来来的的误误差差，允允许许积积分分电电容容在在一一个个较较宽宽范范围围内内变变化化，而而不不影影响响转转换换结结果果。其其次次，由由于于输输入入信信号号积积分分的的时时间间较较长长，且且是是一一个个固固定定值值T T1 1，而而T T2 2正正比比于于输输入入信信号号在在T T1 1内内的的平平均均值值，这这对对于于叠叠加加在在输输入入信
17、信号号上上的的干干扰扰信信号号有有很很强强的的抑抑制制能能力力。最最后后，这这种种A/DA/D转转换换器器不不必必采采用用高高稳稳定定度度的的时时钟钟源源，它它只只要要求求时时钟钟源源在在一一个个转转换换周周期期（T T1 1+T T2 2）内内保保持持稳稳定定即即可可。这这种种转转换换器器被被广广泛泛应应用用于于要要求求精精度较高而转换速度要求不高的仪器中。度较高而转换速度要求不高的仪器中。双积分双积分A/DA/D转换器转换器MC1443及其应用及其应用 MC1443MC1443是是一一种种CMOSCMOS双双积积分分3 位位A/DA/D转转换换器器，其主要特性如下：其主要特性如下：转转换换
18、精精度度 读读数数的的1/2000（相相当当于于12位位二二进进制制数）数）转换速度转换速度 810次次/s 输入阻抗输入阻抗 大于大于100M 工作电压工作电压 4.5 8V(或或916V)转转换换结结束束输输出出形形式式 输输出出为为4位位BCD码码,由由DS1DS4分时选通输出分时选通输出 (1)MC14433引脚功能1)电源接入2)基准电压输入3)被测信号输入4)外接积分元件的选取5)时钟6)外接失调补偿电容7)转换更新控制8)转换结果输出MC14433引脚图引脚图DS1选通时选通时Q0Q3的含义的含义DS1Q3Q2Q1Q0输出结果状态输出结果状态110千位数为千位数为0100千位数为
19、千位数为1110输出结果为正值输出结果为正值100输出结果为负值输出结果为负值101输入信号过量程输入信号过量程111输入信号欠量程输入信号欠量程（2）MC14433与8031接口MC14433的Q0Q3和DS1DS4与8031单片机的P1口相连，当采用连续变换方式，则8031读取A/D转换结果，当采用中断方式，则设为边沿触发方式。MC14433与与8031的接口的接口分辨率用于表征分辨率用于表征D/AD/A转换器对输入微小量变化的敏感程度。转换器对输入微小量变化的敏感程度。分辨率分辨率 分分辨辨率率越越高高，转转换换时时对对输输入入量量的的微微小小变变化化的的反反应应越越灵灵敏敏。而分辨率与
20、输入数字量的位数有关，而分辨率与输入数字量的位数有关，n越大，分辨率越高越大，分辨率越高。1.分辨率分辨率 D/AD/A转换器的主要性能指标转换器的主要性能指标D/A转转换换器器模模拟拟输输出出电电压压可可能能被被分分离离的的等等级级数数可可用用输输入数字量的位数入数字量的位数n表示表示D/A转换器的分辨率；转换器的分辨率；可可用用D/A转转换换器器的的最最小小输输出出电电压压与与最最大大输输出出电电压压之之比比来来表表示分辨率。示分辨率。05/75001010011100 101110111vo/VD0002.转换精度转换精度 D/AD/A转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想转换器
21、的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想值之差，即最大静态转换误差。值之差，即最大静态转换误差。3.转换速度转换速度 从输入的数字量发生突变开始，从输入的数字量发生突变开始，到输出电压进入与稳定值相差到输出电压进入与稳定值相差0.5LSB0.5LSB范围内所需要的时间，称为范围内所需要的时间，称为建立时间建立时间t tsetset。目前单片集成。目前单片集成D/AD/A转换转换器（不包括运算放大器）的建立时间器（不包括运算放大器）的建立时间最短达到最短达到0.10.1微秒以内。微秒以内。4.温度系数温度系数 在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变在输入不变的情况下，输出模拟电压随温
22、度变化产生的变化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高11，输出电压变，输出电压变化的百分数作为温度系数。化的百分数作为温度系数。D/AD/A转换器转换器DAC0832DAC0832（1 1）DAC0832DAC0832结构原理及引脚功能结构原理及引脚功能 它由一个它由一个8 8位输入寄存器位输入寄存器、一个、一个8 8位位DACDAC寄存器寄存器和一个和一个8 8位位D/AD/A转换器转换器三大部分组成。它为三大部分组成。它为2020脚双列直插式封装脚双列直插式封装结构，其逻辑结构及引脚如下图所示：结构，其逻辑结构及引脚如下图所示：2.DAC08322.D
23、AC0832引脚功能引脚功能 DIDI7 7DIDI0 0：8 8位输入数据信号。位输入数据信号。I IOUT1OUT1：DACDAC输出电流输出电流1 1。当。当DACDAC锁存器中为全锁存器中为全1 1时，时，I IOUT1OUT1最大最大（满量程输出）；为全（满量程输出）；为全0 0时，时，I IOUT1OUT1为为0 0。I IOUT2OUT2：DACDAC输出电流输出电流2 2。它作为运算放大器的另一个差分。它作为运算放大器的另一个差分输入信号（一般接地）。满足输入信号（一般接地）。满足 I IOUT1OUT1+I+IOUT2 OUT2 常数。常数。ILEILE：输入锁存允许信号，高
24、电平有效。：输入锁存允许信号，高电平有效。CSCS：片选信号，低电平有效。：片选信号，低电平有效。WRWR1 1：输入数据选通信号，低电平有效。（：输入数据选通信号，低电平有效。（上升沿锁上升沿锁存）存）XFERXFER：数据传送选通信号，低电平有效。：数据传送选通信号，低电平有效。WRWR2 2：数据传送选通信号，低电平有效。（：数据传送选通信号，低电平有效。（上升沿锁上升沿锁存）存）R Rfbfb：反馈电阻（内已含一个反馈电阻）接线端。：反馈电阻（内已含一个反馈电阻）接线端。DAC0832DAC0832中无运放，且为电流输出，使用时须外接运放。芯片中已中无运放，且为电流输出，使用时须外接运
25、放。芯片中已设置了设置了R Rfbfb，只要将此引脚接到运放的输出端即可。若运放，只要将此引脚接到运放的输出端即可。若运放增益不够，还须外加反馈电阻。增益不够，还须外加反馈电阻。U UREFREF：参参考考电电压压输输入入。一一般般此此端端外外接接一一个个精精确确、稳稳定定的的电压基准源。电压基准源。U UREFREF可在可在-10V-10V至至+10V+10V范围内选择。范围内选择。U UCCCC：电源输入端（一般取：电源输入端（一般取+5V+5V+15V+15V）。）。DGNDDGND：数字地，是控制电路中各种数字电路的零电位。：数字地，是控制电路中各种数字电路的零电位。AGNDAGND：
26、模拟地，是放大器、：模拟地，是放大器、A/DA/D和和D/AD/A转换器中模拟电路的零转换器中模拟电路的零电位。电位。任何导线都可以被理解成电阻，因此，尽管连在一起的任何导线都可以被理解成电阻，因此，尽管连在一起的“地地”，其各个位置上的电压也并非一致的，对于数字电路，其各个位置上的电压也并非一致的，对于数字电路，由于噪声容限较高，通常是不需要考虑由于噪声容限较高，通常是不需要考虑“地地”的形式的，但对的形式的，但对于模拟电路而言，这个不同地方的于模拟电路而言，这个不同地方的“地地”对测量的精度是构成对测量的精度是构成影响的，因此，影响的，因此，通常是把数字电路部分的地和模拟部分的地分通常是把
27、数字电路部分的地和模拟部分的地分开布线开布线，只在板中的一点把它们连接起来。，只在板中的一点把它们连接起来。3.DAC08323.DAC0832特性参数特性参数 分辨率：分辨率：8 8位位建立时间：建立时间：1 1 s s增益温度系数：增益温度系数：20ppm/20ppm/（ppmppm-百万分之一，百万分之一，1010-6-6）输入电平：输入电平：TTLTTL功耗：功耗：20mW20mW4.DAC08324.DAC0832工作方式工作方式 当当ILEILE、CSCS和和WRWR1 1同同时时有有效效时时，输输入入数数据据DIDI7 7DIDI0 0进进入入输输入入寄寄存存器器；并并在在WRW
28、R1 1的的上上升升沿沿实实现现数数据据锁锁存存。当当WRWR2 2和和XFERXFER同同时时有有效效时时，输输入入寄寄存存器器的的数数据据进进入入DACDAC寄寄存存器器；并并在在WRWR2 2的的上上升升沿沿实实现现数数据据锁锁存存。八八位位D/AD/A转转换换电电路路随随时时将将DACDAC寄寄存存器器的的数数据据转转换换为为模模拟拟信信号号（I IOUT1OUT1+I IOUT2OUT2）输输出出。（2 2）DAC0832DAC0832与与MCS-51MCS-51单片机接口单片机接口 DAC0832 DAC0832 的的使使用用有有直直通通型型、单单缓缓冲冲器器型型双双缓缓冲冲器器型
29、型三种工作方式。三种工作方式。直直通通工工作作方方式式：输输出出随随输输入入的的变变化化随随时时转转换换。线线路路连连接如下图所示：接如下图所示：单单缓缓冲冲工工作作方方式式：适适合合在在不不要要求求多多片片D/A同同时时输输出出时时。此此时时只只需需一一次次写写操操作作，就就开开始始转转换换，提提高高了了D/A的的数数据据吞吞吐量。连接方式如下图所示：吐量。连接方式如下图所示：双缓冲工作方式：采用二次缓冲方式，可在输出的同时，双缓冲工作方式：采用二次缓冲方式，可在输出的同时，采集下一个数据，提高了转换速度；也可在多个转换器同时采集下一个数据，提高了转换速度；也可在多个转换器同时工作时，实现多通道工作时，实现多通道D/AD/A的同步转换输出。连接图如下图所的同步转换输出。连接图如下图所示：示：