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1、任务7.4 汽车模拟信号与数字信号的转换7.4.1 概述随着数字技术的飞速发展，在现代控制、自动检测、科学实验、军事指挥等领域中，无不广泛地采用数字电子计算机技术。这就需要首先将被处理的模拟信号转换为数字信号，送入计算机进行运算、处理；其次将处理的结果转换为模拟量并为执行机构所接收。汽车在工作过程中，经常需要将传感器拾取的一些物理量如速度、温度、压力等模拟信号转换为汽车ECU（电控单元），才能控制驱动装置以实现对控制信号对象的控制。将模拟量转换为数字量的过程称为模/数（Analog to Digital）转换，简称A/D转换。实现A/D转换的电路被称之为模/数转换器，简称ADC。把数字量转换为
2、模拟量的过程称作数/模转换，简称D/A转换。 完成D/A转换的电路被称之为数/模转换器，简称DAC。以上过程的控制框图如图7-36所示。图7-36 典型的数字控制系统 7.4.2 D/A转换器1.实现D/A转换的基本思想将二进制数ND(11001)B转换为十进制数。NDb424b323b222b121b020 124123022021120 数字量是用代码按数位组合而成的，对于有权码，每位代码都有一定的权值，如能将每一位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后，将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的模拟量，从而实现数字量与模拟量的转换。由于构成数字代码的每一位都有一定的“权重”，因此为了将
3、数字量转换成模拟量，就必须将每一位代码按其“权重”转换成相应的模拟量，然后再将代表各位的模拟量相加，即可得到与该数字量成正比的模拟量，这就是构成D/A转换器的基本思想。2.R2R T型电阻D/A转换器目前常用的D/A转换器中有R2R T型电阻D/A转换器、权电阻D/A转换器、全电流D/A转换器、权电容D/A转换器以及开关树型D/A转换器等几种类型。以R2R T型电阻D/A转换器为例，说明其转换原理。T型电阻网络的基本结构如图7-37所示。图7-37 T型电阻网络的基本结构图图7-37为一个四级的T型网络。电阻值为R和2R的电阻构成T型。由图7-38中节点AA向右看的等效电阻值为R，而由BB，C
4、C，DD各点向右看的等效电阻值也都是R，因此：i=i3=i=i2=i3=i1=i2=i0=i1=依此类推可推到n级。如图7-38所示是T型网络D/A转换器。图7-38 T型网络D/A转换器图7-38中D0D3表示四位二进制输入信号，D3为高位，D0为低位。VR是基准电压。S0S3是四个电子模拟开关的示意图，模拟开关S0S3分别受信号控制：当二进制代码为0时，电子开关合到上方接地的一侧；当二进制代码为1时，电子开关合到下方运算放大器输入的一侧，该支路的电流成为运放输入电流iK的一部分，通过运算放大器进而将电流信号转化为电压信号。由图可知，因为求和放大器反相输入端的电位始终接近于零，所以无论开关S
5、0S3在何位置，都相当于接地，流过每个支路的电流也始终不变。可以求出运算放大器的输入电流iK为： 图7-38中运放接成反相放大器的形式，又根据理想运放的“虚断”的特性，其输出电压uo为： u0=-ikRf=-（D323+D222+D121+D020）由此可见输出的模拟电压正比于输入的二进制数字信号。以此类推，对于n位D/A转换器，则有u0=-（Dn-12n-1+Dn-22n-2+D121+D020） （7-9）T型网络的输出也可以接至运算放大器的同相和反相两个输入端，如图7-39所示。这种结构也称作倒T型电阻网络D/A转换器。图7-39 倒T型网络D/A转换器T型（或倒T型）电阻网络的特点：电
6、阻网络中只有R、2R两种阻值的电阻，给集成电路的设计和制作带来了很大的方便，无论模拟开关状态如何变化，各支路电流都直接流入地或者运放的虚地，电流值始终不变，因此不需要电流的建立时间；同时，各支路电流直接接至运放的输入，它们之间不存在传输时间差。所有这些特点都有助于T型电阻网络提高转换速度，T型电阻网络是目前D/A转换中使用较多的一种。例7-1 如图7-38所示电路中，若4位二进制数为1011，VR=15V，RF=R，求输出电压u0的值解 由公式（7-9）可得 u0=-（D323+D222+D121+D020） =-（123+022+121+120） =-10.3125V3.常用的D/A转换芯片
7、D/A转换器的类型很多。从输入电路来说，一般的D/A转换器都带有输入寄存器，与微机能直接连接；有的具有两极锁存器，使工作方式更加灵活。输入数据一般为并行数据，也有串行数据。并行输入的数据有8位、10位、12位等。从输出信号来说，D/A转换器的直接输出是电流量，若片内有输出放大器，则能输出电压量，并能实现单极性或双极性电压输出。 D/A转换器的转换速度较快，一般其电流建立时间为1s。 有些D/A转换器具有其它功能，如能输出多路模拟量、输出工业控制用的标准电流信号。典型的D/A转换器如8位通用型DAC0832和12位的DAC1208，电压输出型的AD558和多路输出型AD7528。DAC0832是
8、8位分辨率的D/A转换集成芯片，它具有与微机连接简单、转换控制方便、价格低廉等特点，微机系统中得到广泛的应用。如图7-40是集成DAC0832的实物。 图7-40 集成DAC0832实物DAC0832的管脚图如图7-44所示，结构框图如图7-45所示，它由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位DAC转换器及转换控制电路构成。封装为20脚双列直插式。 DAC0832是美国国家半导体公司生产的8位D/A芯片，共有20个引脚，如图7-41所示。DAC0832的结构框图如图7-42所示。图7-41 DAC0832的管脚图图7-42 DAC0832的结构框图DAC0832主要引脚定义分别如下：D7D0。
9、8位数字量输入信号，其中D0为最低位，D7为最高位。ILE。输入寄存器的允许信号，高电平有效。ILE信号和、共同控制选通输入寄存器。当、均为低电平，而ILE为高电平时，输入数据立即被送至8位输入寄存器的输出端。当上述三个控制信号中任一个无效时，输入寄存器将数据锁存，输出端呈保持状态。 。片选信号，输入信号，低电平有效。当=0且ILE =1，=0时，才能将输入数据存入寄存器。若=1，输入寄存器内的数据被锁存。输入寄存器写信号1，低电平有效。在和ILE均有效的条件下，=0允许写入输入数字信号。输入寄存器写信号2，低电平有效。=0且也为低电平时，用它将输入寄存器的数字量传到DAC寄存器，同时进入D/
10、A转换器开始转换。 。数据传送信号，低电平有效。用它来控制。IOUTl。电流输出1。当DAC寄存器中全为“1”时，输出电流最大，当DAC寄存器中全为“0”时，输出电流最小。IOUT2。电流输出2。它与IOUTl的关系是：IOUTI+IOUT2=常数Rfb。内部反馈电阻引脚，该电阻在芯片内，Rfb端可以直接接到外部运算放大器的输出端。这样，相当于将一个反馈电阻接在运算放大器的输入端和输出端。VREF。参考电压输入端，可接正电压，也可接负电压，范围为-10V+10V。Vcc。芯片电源。+5V+15V，典型值为+15V。AGND。模拟地。芯片模拟信号接地点。DGND。数字地。芯片数字信号接地点。4.
11、D/A转换器的主要技术指标 （1）分辨率。分辨率用来描述输出最小电压的能力。它是指最小输出电压（对应的输入数字量仅最低位为1）与最大输出电压（对应的输入数字量各位全为1）之比。即分辨率=式中n表示数字量的位数。4位DAC的分辨率为0.067，8位DAC分辨率为0.0039。可见。位数越多，分辨率越小，分辨能力越强。有时也直接用DAC的位数表示分辨率，如8位、10位。2）转换精度。转换精度是指输出模拟电压的实际值与理论值之差，即最大静态转换误差。（3）输出电压（电流）的建立时间。从输入数字信号起，到输出模拟电压（电流）达到稳定输出值所需要的时间。10位或12位集成DAC的建立时间一般不超出1s。
12、7.4.3 A/D转换器 模/数转换器（ADC）可分为直接ADC和间接ADC两大类。在直接ADC中，输入模拟信号直接被转换成相应的数字信号，如逐次逼近型ADC、并行比较ADC、计数型ADC等，其特点是工作速度快，转换精度容易保证。在间接ADC中，输入模拟信号先被转换成某种中间变量（频率、时间等），然后再将中间变量转换为最后的数字量，如单次积分型ADC、双积分型ADC等，其特点是工资速度较低，但转换精度可以做得较高，抗干扰能力强，一般在测试仪表用得较多。1.逐次逼近型A/D转换器1）实现A/D转换的基本思想逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似 。如图7-43所示。mmin是砝码的质量，所用砝码
13、重量为8克、4克、2克和1克。mx是待测物体的质量，设mx=13克。测量过程如表7-15所示。图7-43 实现A/D转换的基本思想的实例表7-15 测量过程顺序所加砝码质量判断比较结果第一次8 克砝码总重 待测重量mx ，8克砝码保留8 克第二次再加4克砝码总重仍 待测重量mx ， 2克砝码撤除12 克第四次再加1克砝码总重 待测重量mx， 1克砝码保留13 克2）逐次逼近型A/D转换器基本原理将输入模拟信号与不同的参考电压进行多次比较，使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量，这就是逐次逼近型A/D转换器。逐次逼近型A/D转换器基本电路结构框图如图7-44所示。它由顺序脉冲发生器CP、逐
14、渐逼近型寄存器、A/D转换器DAC和电压比较器四部分组成。其基本原理如下。（1）转换开始前先将所有寄存器清零。（2）开始转换以后，时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1，使输出数字为1000。（3）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，说明数字过大了，故将最高位的1清除。 若uIuo，说明数字还不够大，应将这一位保留。（4）然后，再按同样的方式将次高位置成1，并且经过比较以后确定这个1是否应该保留。这样逐位比较下去，一直到最低位为止。（5）比较完毕后，寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。图7-44 逐次逼近型A/D转换器的电路结构框图如8位D/A转换器实现模拟电压4.80V相当于数字量123的A/D转换，具体过程如下。（1）当出现启动脉冲时，逐次逼近寄存器清“0”；（2）当第一个CP脉冲到来，逐次逼近寄存器最高位d7置“1”，8位D/A转换器输入为10000000B，输出u0为满度的一半5V，即满量值的128/255。若u0uI，比较器输出低电平，控制电路使逐次逼近寄存器最高位d7置“0”（反之，置“1”）。（3）当第二个CP脉冲到来，逐次逼近寄存器d6位置“1”，D/A转换器的数字量输入为01000000B，输出电压为2.5V，u0 uI，比较器输出高电平，将d6位的“1”保留（否则，将d6位置“0”)。（4）第三个CP
