计算机接口与通信第7章ppt课件.ppt

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1、§7数/模和模/数转换§7.1概述在自动控制和测量系统中，被控制或被测量的对象，如温度、压力、流量、速度、电压等都是随时间连续变化且数值也连续可变的物理量。这种连续变化的物理量通常称为模拟量。常以模拟电压或电流的形式输出，执行部件所要求的控制信号一般也都是模拟电压或电流。当计算机参与控制时，计算机要求的输入信号为“数字量”。把模拟量变换成数字量这一转换过程称为A／D转换。能将模拟量转换为数字量的器件称为模／数转换器（AnalogDigitalConverter），简称ADC。经计算机处理后的结果是数字量，不能用它去直接控制执行部件，需要先把它转换为模拟量，这个过程称为D／A转换。将

2、数字量转换为模拟量的器件称为数／模转换器（DigitalAnalogConverter），简称DAC。D／A转换是A／D转换的逆过程。这两个互逆的转换过程通常会出现在一个控制系统中。图7－1给出一个典型的实时控制系统。控制对象传感器执行对象功放采样保持器A/DD/A微型机系统模拟量放大器离散量数字量模拟量数字量－+§7.2D／A转换原理7.2.1D／A转换的基本原理D／A转换器是一种把数字量转换为模拟量的线性电子器件，它将计算机产生的控制量转换成模拟信号，用于驱动外部执行机构。要把数字量转变为模拟量，必须先把每一位的代码按其权的大小转换成相应的模拟分量，然后将各模拟分量相加，所得到

3、的总的模拟量便对应于给出的数字量。如：基于这一原理构成的转换器，主要由电子开关、电阻解码网络、运算放大器和基准电源组成，它要求输出电压VO与输入的数字量D成正比。输入的二进制数字量通过逻辑电路，用以控制电子开关。当输入的数字量不同时，通过电子开关使电阻网络中的不同电阻和基准电压接通，在运算放大器的输入端产生和二进制数各位的权成比例的电流，再经运算放大器将电流转换为与输入二进制数成正比的输出电压。在D／A转换器中运算放大器被用作求和放大器，其典型电路如图7－2所示。运算放大器的特点是它的开环放大倍数很高(１０万倍以上)，正常情况下所需的输入电压非常小(1毫伏以下)。它的输入电阻很高(

4、100KΩ)，这样输入端相当于将一个很小的电压加在一个很大的阻抗上，因此输入电流Ir极小。它的输出阻抗(<100Ω)很小，所以，驱动能力很强。同相接地，反相端为输入端时，由于Vi很小，则输入点的电位近似于地电位，且输入电流也非常小，可以假定其为0，我们把这种特殊的情况称为虚地。输入电流Ii=∑Vi∕RiIi=I1＋I2＋I3＋I4Ii＋Io=Ir;Ir≈0Ii＋Io≈0Io≈－Ii输出电压VO＝R0×Io=－R0×Ii对于输入端有多个并联支路的运算放大器，如图7－2（c），输出电压为：VO＝－（I1＋I＋I3＋I4）×R0即输出电压为各支路电流的和与反馈电阻的乘积。而根据D／A转换

5、器采用的解码网络的不同，D／A转换可分为多种的形式。主要介绍两种典型的D／A转换器。7.2.1.1权电阻解码网络D／A转换器利用运算放大器各输入电流相加的原理，可构成如图7－3所示的权电阻解码网络D／A转换器。当开关Si接向VREF端时：Ii＝VREF／Ri＝VREF／(2-i×R)＝2i×VREF／RSi由对应该位的输入二进制代码Di控制。Di=1时，开关Si向上闭合，将相应的权电阻接在基准电压VREF上，则该支路电流Ii＝2i×VREF／R；Di=0时，开关Si向下闭合，相应的权电阻接地，此时，该支路的电流Ii为0。总输入电流输出电压VO＝I×Rf在权电阻解码网络电路中，如采用

6、独立的权电阻，那么，对于一个8位的D／A转换器，需要8个阻值相差很大的电阻（从R、2R、4R…128R），由于电路对这些电阻的误差要求较高，因此使制造工艺的难度也相应增加，在实际应用中，使用更多的是T型电阻解码网络7.2.1.2T型电阻解码网络D／A转换器由电路原理可计算出图中各节点的电压分别为：Va＝Vref，Vb＝Vref／2，Vc＝Vref／4，Vd＝Vref／8设当对应的数字代码全为1时，开关Si接通Iout1时，各点的电流为：流向运算放大器虚地点的总电流就是：通过运算放大器的反相输出，得到输出电压Vo＝Iout1×Rf。令Rf＝R，则：当对应的二进制数Di为0时，开关Si

7、接向Iout2，相应的Ii＝0推广于n位转换器，可得到T型电阻解码网络D／A转换器的输出电压：7.2.2D／A转换器的主要技术指标7.2.2.1分辨率分辨率是指最小输出电压（对应的输入数字量仅最低有效位=1）与最大输出电压（对应的输入数字量所有位=1）之比。反映DAC对微小输入量变化的敏感程度的描述。n位的D／A转换器，它的分辨率为1／(2n－1)，如8位的D／A转换器，其分辨率为1／255。分辨率越高，转换时其输出的模拟电压数值越小，也就越灵敏。分辨率通常用输入数字