《机电一体化》

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1、机 电 一 体 化 技 术 基 础 及 应 用第二节 数-模转换集成芯片模数转换 定义：模拟信号到数字信号的转换，称为模数转换，或称为A/D（Analog to Digital）转换。把实现A/D转换的电路称为A/D转换器（Analog Digital Converter，简称ADC）。数模转换 定义：数字信号到模拟信号的转换，称为数模转换，或称为D/A（ Digital to Analog ）转换。把实现D/A转换的电路称为D/A转换器（ Digital Analog Converter，简称DAC）。机 电 一 体 化 技 术 基 础 及 应 用模拟信号 数字信号机 电 一 体 化 技 术

2、 基 础 及 应 用被控对象模拟传感器数字处理系统执行元件非电量模拟电量数字量数字量模拟电量控制操作A/D 转 换 器典型数字控制系统框图D/A 转 换 器机 电 一 体 化 技 术 基 础 及 应 用一、A/D转换器（一）A/D转换器的基本原理1、A/D转换器的基本原理为了将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，A/D转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，这些过程有的是合并进行的，例如，取样和保持，量化和编码往往都是在转换过程中同时实现。机 电 一 体 化 技 术 基 础 及 应 用机 电 一 体 化 技 术 基 础 及 应 用1、采样保持电

3、路电路由输入放大器A1、输 出放大器A2、保持电容CH和开 关驱动电路组成。电路图中要求A1具有很高 的输入阻抗，以减小对输入信 号源的影响。为使保持阶段CH上所存电 荷不易泄放，A2也应具有较高 输入阻抗，A2还应具有较低的 输出阻抗，这样可以提高电路 的带负载能力。一般还要求电 路中取样保持电路已有很多种型号的单片集成 电路产品。如双极型工艺的有AD585、AD684 ；混合工艺的有AD1154、SHC76等。机 电 一 体 化 技 术 基 础 及 应 用2、量化与编码量化为数值量化的简称，就是将取样保持电路的输出 电压，按某种近似方式规划到与之相应的离散电平上的转化 过程。量化后的数值最

4、后还须通过编码过程用一个代码表示出 来。经编码后得到的代码就是A/D转换器输出的数字量。量化过程中所取最小数量单位称为量化单位，用D表示 。它是数字信号最低位为1时所对应的模拟量，即1LSB。 在量化过程中，由于取样电压不一定能被D整除，所以 量化前后不可避免的存在误差，此误差称之为量化误差，用e 表示。量化误差属原理误差，它是无法消除的。A/D转换器的位数越多，各 离散电平之间的差值越小，量化误差越小。机 电 一 体 化 技 术 基 础 及 应 用3、A/D转换器的主要技术指标（1）分辨率A/D转换器的分辨率用输出二进制数的位数表示，位数 越多，误差越小，转换精度越高。例如：输入模拟电压的变

5、换范围为05V，输出8位二进制数可以 分辨的最小模拟电压为 ；输出12位二进制数可以分辨的最小模拟电压为： （2）相对精度在理想情况下，所有的转换点应当在一条直线上。相对精度是指：实际的各个转换点偏离理想特性的误差 。即转换范围内，任一数字量所对应的模拟输入量实际值与理论值之间 的差值。 （3）转换时间和转换率转换时间：完成一次转换所需的时间。即从接到转换控制信号开始，到输出端得到稳定的数字 输出信号所经过的这段时间。机 电 一 体 化 技 术 基 础 及 应 用4、常用A/D转换芯片的特性（1）ADC的外特性从使用的角度看，ADC的外特性包括以下4部分：1）模拟信号输入端；2）数字量的并行输

6、出端；3）起动转换的外部控制信号；4）转换完毕由转换器发出的转换结束信号。机 电 一 体 化 技 术 基 础 及 应 用（2）A/D转换电路的输出方法：1）若ADC的数据输出寄存器具有可控的三态门。ADC的输出线允许与微型机系统的数据总线相连，并在转换结束后利用读信号RD控制三态门，将数据送上总线。2）若ADC的数据输出寄存器不具备可控的三态门电路，而是直接与芯片管脚相连。ADC芯片的数据输出线不允许与系统的数据总线直接相连，而必须通过I/O通道与CPU交换信息。机 电 一 体 化 技 术 基 础 及 应 用根据转换方式的不同，ADC可分为三类：并联比较型 ADC，逐次逼近型ADC和双积分型A

7、DC。 不同的A/D转换方式具有各自的特点：并联比较型ADC：转换速度快，但其需要使用的比较器和触发器很多。随着分辨率的提高，所需要的元件数目也按几何 级数增加。双积分型ADC：性能较稳定，转换精度高，抗干扰能力较强，电路简单，但其工作速度较低。逐次逼近型ADC：分辨率较高、误差较低、转换速度较快，在一定程度上兼顾了前两者转换器的优点，因此得到普遍的 应用。机 电 一 体 化 技 术 基 础 及 应 用转换开始前，先将所有寄存器清零。开始转换以后，时钟脉冲首先将寄存器最高位置1，使输出数字 为1000。这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压uo,送到比较 器中与ui进行比较。若uiuo,说

8、明数字过大，故将最高位的1清除；若uiuo,说明数字还不够大，应将该位保留；然后再按相同的方 式将次高位置1，并且经过比较后确定这个1是否应该保留。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。逐次逼近型ADC的工作原理机 电 一 体 化 技 术 基 础 及 应 用机 电 一 体 化 技 术 基 础 及 应 用机 电 一 体 化 技 术 基 础 及 应 用（二）A/D转换芯片（ADC0804）8位CMOS逐次逼近型ADC；三态锁定输出；分辨率：8位；转换精度：1LSB；输入电压：05V；转换时间：100us；增加外接电路后，输入模拟电压可为 5V；芯片的

9、输出总线可直接连接在CPU的数据总线上，无 需附加逻辑接口电路。机 电 一 体 化 技 术 基 础 及 应 用机 电 一 体 化 技 术 基 础 及 应 用2. ADC0801机 电 一 体 化 技 术 基 础 及 应 用机 电 一 体 化 技 术 基 础 及 应 用机 电 一 体 化 技 术 基 础 及 应 用机 电 一 体 化 技 术 基 础 及 应 用二、D/A转换器D/A转换器将输入的数字量转换为模拟量输出。数字量由若干数位构成,D/A转换即把每一位上的代码按照权值转换为对应的模拟量，再把各位所对应的模拟量相加，所得到各位模拟量的和便是数字量所对应的模拟量。在集成化的D/A转换器中，通

10、常采用电阻网络实现将数字量转换为模拟电流，然后再用运算放大器完成模拟电流到模拟电压的转换。目前D/A转换集成电路芯片大都包含了这两个部分，如果只包含电阻网络的D/A芯片，则需要连接外接运算放大器才能转换为模拟电压。 机 电 一 体 化 技 术 基 础 及 应 用（1）电压输出型电压输出型D/A转换器虽有直接从电阻阵列输出电压的，但一般采用内置输出放大器以低阻抗输出。直接输出电压的器件仅用于高阻抗负载，由于无输出放大器部分的延迟，故常作为高速D/A转换器使用。（一）D/A转换器的分类机 电 一 体 化 技 术 基 础 及 应 用（2）电流输出型电流输出型D/A转换器直接输出电流，但应用中通常外接

11、电流-电压转换电路得到电压输出。可以直接在输出引脚上连接一个负载电阻，实现电流一电压转换。但多采用的是外接运算放大器的形式。另外，大部分CMOS D/A转换器当输出电压不为零时不能正确动作，所以必须外接运算放大器。由于在D/A转换器的电流建立时间上加入了外接运算放入器的延迟，故D/A响应变慢。该类型电路中的运算放大器因输出引脚的内部电容而容易起振，有时必须作相位补偿。机 电 一 体 化 技 术 基 础 及 应 用（3）乘算型D/A转换器中有使用恒定基准电压的，也有在基准电压输入上加交流信号的，后者由于能得到数字输入和基准 电压输入相乘的结果而输出，因而称为乘算型D/A转换器。乘算型D/A转换器

12、一般不仅可以进行乘法运算，而且可以作为使输入信号数字化地衰减的衰减器及对输入信号进行调制的调制器使用。 机 电 一 体 化 技 术 基 础 及 应 用根据建立时间的长短，D/A转换器可分为:低速D/A转换器，建立时间100s；中速D/A转换器，建立时间为10100s；较高速D/A转换器，建立时间为110s；高速D/A转换器，建立时间为100ns1s；超高速D/A转换器，建立时间为100ns。机 电 一 体 化 技 术 基 础 及 应 用根据电阻网络的结构,DAC可以分为：权电阻网络D/A转换器T型电阻网络D/A转换器倒T型电阻网络D/A转换器权电流D/A转换器机 电 一 体 化 技 术 基 础

13、 及 应 用（1）绝对精度对应于给定的刻度数字量，D/A转换电路实际输出与理论值之间的误差。一般应低于2-（n+1）或LSB/2。（2）相对精度满刻度已校准的情况下，在整个刻度范围内，对应于任一数码的模拟量输出与它的理论值之差。两种表示方法：将偏差用数字量最低有效位的位数LSB表示；用该偏差相对满刻度的百分比表示。（二）D/A转换器的技术指标机 电 一 体 化 技 术 基 础 及 应 用（3）分辨率指最小模拟输出量（对应数字量仅最低位为1）与最大量 （对应数字量所有有效位为1）之比。用来描述D/A转换器对微小输入量变化的敏感度。用数字量的位数表示。一个分辨率为n位的转换器，它能对刻度的2-n输

14、入作出反应。（4）建立时间建立时间是指将一个数字量转换为稳定模拟信号所需的时间,也可以认为是转换时间。DA中常用建立时间来描述其速度,而不是AD中常用的转换速率。 一般地,电流输出 DA建立时间较短,电压输出DA则较长。其他指标还有线性度（Linearity）、转换精度、温度系数漂移等。机 电 一 体 化 技 术 基 础 及 应 用（三）常用D/A转换芯片特性D/A转换芯片输出方式有两种：电流输出型、电压输出型。数字量输入数字量输入图3-23 D/A转换输出两种方式电流输出型：相当于电流源，内阻Rp较大 ，使用时，负载电阻不可太大 。电压输出型：相当于电压源，内阻Rs较小 ，使用时，负载电阻应

15、较大。实际应用时，常用电流型实 现电压输出。机 电 一 体 化 技 术 基 础 及 应 用图3-24 D/A转换连接成电压输出方式a)反相输出 b)同相输出电流输出型D/A转换芯片实现电压输出反向输出电压：UOUT=-IR同相输出电压：UOUT=IR(1+R2/R1)b)a)机 电 一 体 化 技 术 基 础 及 应 用图3-25 D/A转换输出连接线路a) 单极性输出 b) 双极性输出D/A转换器的单极性输出、双极性输出a)b)机 电 一 体 化 技 术 基 础 及 应 用图3-26 AD7524应用线路（四）D/A转换芯片的应用（AD7524）CMOS低功耗8位DAC1、芯片特点：双极性输

16、出；可与大多数微处理器总 线或输出端口直接接口；参考电压可由正电源或负 电源提供，故输出电压可随 之改变极性。功能表2、CS：片选信号WR：写信号D0D7：数据 输入端 机 电 一 体 化 技 术 基 础 及 应 用当片选信号CS和写信号WR是低电平时，AD7524处于写模式，并将数据总线D0D7上的数据写入芯片的输入寄存器。此时的模拟输出对应着8位数据输入值。该模式下，AD7524与没有输入寄存器一样。当片选信号CS和写信号WR二者有一个为高电平时，芯片处于保持模式，此时模拟量输出保持在WR或CS变高时刻前输入的数字量所对应的模拟量值。数字量输入的更新，将引起模拟量输出的变化。机 电 一 体 化 技 术 基 础 及 应 用数字量 MSB LSB模拟量1 1 1 1 1 1 1 1 1