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时间:2021-03-29
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1、第十一章模数A/D、数模D/A转换11-1概述A/D转换器:将模拟信号转换成数字信号。D/A转换器:将数字信号转换成模拟信号。图11-1包含A/D和D/A的实时控制系统一、实时控制系统二、采样、量化和编码1.采样和量化采样就是按相等的时间间隔t从电压信号上截取一个个离散的电压瞬时值,这些值都有精确的大小。如图11-5所示,有一个被采样的信号电压的幅度范围为0~7伏,若把它们分为8层,包括电平0V在内,每个分层为1伏,然后看每个采样处于哪个分层之中,该分层的起始电平就是这个采样的数字量。这个过程就是量化。图11-5模拟电压信号被量化
2、的例子在对模拟信号进行采样时,为了与计算机表示数的方法一致,分层数必须是2n。例如,图11-5中的分层数是23=8,或n=3。实际的A/D转换器,n通常为8,10,12,16等。为简单起见,常用位数n表示A/D转换器的分辨率,它表明A/D转换器能分辨最小量化信号的能力。每个A/D转换器都有一个允许的最大电压范围,通常还有一个参考电压VR输入引脚,在输入电压值范围内改变VR的值,可以设定A/D转换器能够转换的电压范围,也即制定它的量程。例如,一个8位的A/D转换器,它将把输入电压信号分成28=256层,若它的量程为0~5V,那么,它
3、能分辨的最小的量化信号电平,即量化单位为:q=5V/2n=5V/256=0.019V=19mVq正好是A/D转换器输出的数字量中最低位LSB=1时所对应的电压值,因而也称为1LSB。2.编码经采样和量化后,模拟量转化成了数字量,数字量可以用不同的代码来表示,这就是数字量的编码。编码的形式有好几种,如二进制,BCD码,ASCII码等。各器件采用的编码方式在制造过程中就固定好了,有些器件可通过外部连线,选择几种编码方式。下面介绍两种最常用的编码形式:自然二进制码和双极性二进制编码。三、采样保持器图11-6采样过程1.采样过程2.采样保
4、持器使用采样保持器可以将采样和保持两个过程分开,即在采样开关与A/D转换器之间加接一个电压保持器,采样保持电路和它的输入输出波形如图11-7所示。(a)采样保持电路(b)输入输出波形图图11-7采样保持电路和输入输出波形D/A转换器是把数字量转换为与输入量成比例的模拟信号的器件。多数D/A转换器把数字量(如二进制编码)变成模拟电流,如要将其转换成模拟电压还要使用电流/电压转换器(I/V)来实现。少数D/A转换器内部有I/V变换电路,可直接输出模拟电压值。为了了解D/A转换器的工作原理,先分析一下图11-8所示的4路输入加法器电路,
5、即权电阻网络D/A转换器。11-2D/A转换器一、D/A转换器原理图11-8权电阻网络DAC图中,d1~d4为4位输入数字量;R,2R,4R,8R为加权电阻;S1~S4是电子模拟开关。当某位di=1时,相应开关闭合,di=0时,开关断开。由理想运放可知,流入相加点∑的总电流为:IO=d1I1+d2I2+d3I3+d4I4=d1+d2+d3+d4=(d12-1+d22-2+d32-3+d42-4)由于流入运放的电流为0,所以If=IO。又因∑点虚地,故运放的输出电压VO=-If×Rf。这样,对于同样的输入数据,当参考电压VR改变时,
6、IO和VO均随之而改变。若固定VR,则输出电压VO与输入数字量成正比关系。如果Rf=R/2,输入数字量d1d2d3d4=1000,VR=+5V则输出电压VO=-If×Rf=-(1×+0×+0×+0×)×=-VR=-2.5V这样,用二进制数字控制开关的通断,就可产生相应的输出电压信号。但是,与A/D转换器只能包含有限数目的分层数那样,D/A转换器中的开关和权电阻的数目也是有限的,因此,D/A转换器输出的电压仅是某些固定的值。它包括输入数字量的码制、数据格式和它们的逻辑电平等。多数D/A转换器只接受自然二进制编码,少数产品采用双极性二
7、进制编码或BCD编码等。输入数据的格式一般都是并行码。输入的逻辑电平一般为TTL电平。二、D/A转换器的主要性能指标1.输入数字量2.输出模拟量IOUT1=×IOUT2=×多数D/A转换器是电流输出型,一般在规定参考电压的情况下,产品手册给出输入为满码时的输出电流表达式。有些器件有一对电流输出引脚IOUT1和IOUT2。例如,8位D/A转换器DAC0832的输出电流为:3.分辨率分辨率的概念在前面已经提到,它是指输入数据发生1LSB的变化时所对应的输出模拟量的变化,分辨率△与输入数字量的位数n之间有如下关系:△=FSR/2n对于8
8、位D/A转换器,2n=256,其分辨率为0.39%FSR。由于分辨率与转换器的位数之间具有固定的对应关系,一般简单地用它们的位数来表示分辨率,如D/A转换器的分辨率可以是8,10,12,16。由于转换器内部电路的误差等原因,当送一个确定的数字量给D
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