第11章 模数(a／d)与数模(d／a)转换

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1、305第11章模数（A/D）和数模（D/A）转换第11章模数（A/D）和数模（D/A）转换当计算机用于数据采集和过程控制的时候，采集对象往往是连续变化的物理量（如温度、压力、声波等），但计算机处理的是离散的数字量，因此需要对连续变化的物理量（模拟量）进行采样、保持，再把模拟量转换为数字量交给计算机处理、保存等。计算机的数字量有时需要转换为模拟量输出去控制某些执行元件，模/数转换器（ADC）与数/模转换器（DAC）用于连接计算机与模拟电路。为了将计算机与模拟电路连接起来，我们必须了解ADC和DAC的接口与控制。本章首先介绍了模数转换和数模转换一些基本概念和模

2、/数转换器（ADC）及数/模转换器（DAC）的主要性能参数，然后重点介绍了A/D转换器和D/A转换器的基本工作原理、接口技术和应用。11.1模数转换和数模转换概述11.1.1一个典型的计算机自动控制系统一个包含A/D和D/A转换器的计算机闭环自动控制系统如图11.1所示。图11.1典型的计算机自动控制系统在图11.1中，A/D转换器和D/A转换器是模拟量输入和模拟量输出通路中的核心部件。在实际控制系统中，各种非电物理量需要由各种传感器把它们转换成模拟电流或电压信号后，才能加到A/D转换器转换成数字量。一般来说，传感器的输出信号只有微伏或毫伏级，需要采用高输

3、入阻抗的运算放大器将这些微弱的信号放大到一定的幅度，有时候还要进行信号滤波，去掉各种干扰和噪声，保留所需要的有用信号。送入A/D转换器的信号大小与A/D305第11章模数（A/D）和数模（D/A）转换转换器的输入范围不一致时，还需进行信号预处理。在计算机控制系统中，若测量的模拟信号有几路或几十路，考虑到控制系统的成本，可采用多路开关对被测信号进行切换，使各种信号共用一个A/D转换器。多路切换的方法有两种：一种是外加多路模拟开关，如多路输入一路输出的多路开关有：AD7501，AD7503，CD4097，CD4052等。另一种是选用内部带多路转换开关的A/D转

4、换器，如ADC0809等。若模拟信号变化较快，为了保证模数转换的正确性，还需要使用采样保持器。在输出通道，对那些需要用模拟信号驱动的执行机构，由计算机将经过运算决策后确定的控制量（数字量）送D/A转换器，转换成模拟量以驱动执行机构动作，完成控制过程。11.1.2模/数转换器（ADC）的主要性能参数1.分辨率它表明A/D对模拟信号的分辨能力，由它确定能被A/D辨别的最小模拟量变化。一般来说，A/D转换器的位数越多，其分辨率则越高。实际的A/D转换器，通常为8，10，12，16位等。2.量化误差在A/D转换中由于整量化产生的固有误差。量化误差在±1/2LSB（

5、最低有效位）之间。例如：一个8位的A/D转换器，它把输入电压信号分成28=256层，若它的量程为0~5V，那么，量化单位q为：q==≈0.0195V=19.5mVq正好是A/D输出的数字量中最低位LSB=1时所对应的电压值。因而，这个量化误差的绝对值是转换器的分辨率和满量程范围的函数。3.转换时间转换时间是A/D完成一次转换所需要的时间。一般转换速度越快越好，常见有高速（转换时间<1us）、中速（转换时间<1ms）和低速（转换时间<1s）等。4.绝对精度对于A/D，指的是对应于一个给定量，A/D转换器的误差，其误差大小由实际模拟量输入值与理论值之差来度量。

6、5.相对精度对于A/D，指的是满度值校准以后，任一数字输出所对应的实际模拟输入值（中间值）与理论值（中间值）之差。例如，对于一个8位0~+5V的A/D转换器，如果其相对误差为1LSB，则其绝对误差为19.5mV，相对误差为0.39%。11.1.3数/模转换器（DAC）的主要性能参数305第11章模数（A/D）和数模（D/A）转换1.分辨率分辨率表明DAC对模拟量的分辨能力，它是最低有效位（LSB）所对应的模拟量，它确定了能由D/A产生的最小模拟量的变化。通常用二进制数的位数表示DAC的分辨率，如分辨率为8位的D/A能给出满量程电压的1/28的分辨能力，显然

7、DAC的位数越多，则分辨率越高。2.线性误差D/A的实际转换值偏离理想转换特性的最大偏差与满量程之间的百分比称为线性误差。3.建立时间这是D/A的一个重要性能参数，定义为：在数字输入端发生满量程码的变化以后，D/A的模拟输出稳定到最终值±1/2LSB时所需要的时间。4.温度灵敏度它是指数字输入不变的情况下，模拟输出信号随温度的变化。一般D/A转换器的温度灵敏度为±50PPM/℃。PPM为百万分之一。5.输出电平不同型号的D/A转换器的输出电平相差较大，一般为5V~10V，有的高压输出型的输出电平高达24V~30V。11.2ADC0809模/数转换器A/D转

8、换器是用来通过一定的电路将模拟量转变为数字量。模拟量可以是电压、电