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(8-2)
由此可见,输出的模拟电压U0与输入的二进进数码Di成正比。
从而实现了模数转换。
3.特点
这种电路工作时,在前一位二进制数码切换到后一组二进制数码时,各位数码对应的电流同时直接到达集成运放的输入端,这样即能提高转换速度,又减小了动态过程中输出端的尖峰效应。
常见的CMOS开关倒T形电阻网络D/A转换且有AD7520(10位)、DAC1210(12位)、AK7546(16位高精度)等。
在讨论倒T形电阻网络D/A转换器时,忽略了模拟电子开关的导通电阻,而实际中电子开关都存在一定的导通电阻,且各导通电阻又不会完全相同,这样势必会引起转换误差。
为提高转换精度,可采用权电流型D/A转换器。
8.1.2权电流型D/A转换器
1.电路组成
4位权电流型D/A转换器如图8-4所示。
这种电路用一组恒流源代替T型电阻网络,恒流源的电流值(即权电流值)从高位到低位依次为I/2、I/4、I/8和I/16,由于采用了恒流源,各支路电流的大小不受电子开关导通电阻的影响,从而提高了转换精度。
图8-4权电流型D/A转换器
2.工作原理
当输入二进制数码Di=1时,对应的电子开关Si接运算放大器的反相输入端,相应的权电流流入求和电路;
当Di=0时,Si相应接地。
因此,输出电压为
(8-3)
即输出模拟电压与输入的二进制数码成正比。
3.恒流源电路
恒流源电路的结构如图8-5所示,由电路可分析出
(8-4)
图8-5权电流型D/A转换器中的恒流源
即只要在电路工作时,能保证UB和UE恒定,则三极管的集电极电流Ii也基本保持恒定。
4.特点:
权电流D/A转换器具有较高的转换精度,同时由于采用高速电子开关,还具有较快的转换速度。
目前常用的单片集成权电流D/A转换器有AD1408、DAC0806、DAC0808等。
8.1.3D/A转换器的主要技术指标
1.分辨率
分辨率是用于表征D/A转换器对输入微小量变化敏感程度的。
可以从两个方面来描述。
第一种是分辨率用D/A转换器输入二进制的位数给出,在n位D/A转换器中,输出的模拟电压应能区分出输入代码从00……00到11……11全部2n个不同状态给出的2n个不同等级的输出模拟电压。
第二种是用D/A转换器的最小输出电压(对应的输入数字量只有最低有效位为1,其余为0)与最大输出电压(对应的输入数字量所有有效位全为1)之比来表示。
对于n位D/A转换器分辨率可表示为
。
分辨率与D/A转换器的位数有关,位数越多,能分辨的最小输出电压变化量就越小。
2.转换误差
转换误差是指输入模拟电压的实际值与理想值之差。
转换误差是由于D/A转换器中各种元件参数值存在误差如基准电压偏离标准值,运算放大器的零点漂移,模拟开关的压降等原因而引起的。
转换误差通常用输出电压满刻度的百分数表示,也可用最低有效位LSB的倍数表示。
例某8位D/A转换器,UREF=5V,转换误差为
,这说明输出电压的绝对误差等于输入为二进制数00000001时输出电压的一半,即
若输入为二进制数10000000(128D),则输出电压为
一般我们用分辩率和转换误差综合描述D/A转换器的转换精度。
分辩率是D/A转换器在理论上可以达到的精度;
考虑到转换误差,就是实际的精度。
3.建立时间
建立时间是用来定量描述D/A转换器的转换速度的。
当D/A转换器输入的数字量发生变化时,输出的模拟量必须要经过一定的时间才达到所对应的量值。
建立时间定义为从输入的数字量发生突变开始,直到输出电压进入与稳态值相差
时所需要的时间来描述。
目前在不包含运算放大器的单片集成D/A转换器中建立时间最短可达到0.1μs以内,在包含运算放大器的集成D/A转换器中,建立时间最短也可达1.5μs以内。
8.1.4D/A转换器的应用
单片集成D/A转换器按其内部电路结构可分两大类:
一类只集成了电阻网络(或恒流源网络)和电子开关;
另一类还包含运算放大电路。
按数字量输入方式分并行输入和串行输入两类,下面以单片集成D/A转换器DAC0832为例,说明其内部结构及应用。
1.内部结构和引脚功能
DAC0832是一个8位D/A转换器芯片,单电源供电,从+5V~+15V均可正常工作。
内部无基准电压源,需外接基准电压源。
基准电压的范围为±
10V,电流建立时间为1μs,输出为电流形式,要获得模拟点电压输出,需外接运算放大器。
CMOS工艺,低功耗20mW,基内部结构如图8.6所示。
它由1个8位输入寄存器,1个8位DAC寄存器和1个8位D/A转换器组成,引脚排列如图8-7所示。
该D/A转换器为20引脚双列直插式封装,各引脚含义如下:
(1)D7~D0—转换数据输入;
(2)
—输入寄存器选择信号,低电平有效;
(3)ILE—数据锁存允许信号,高电平有效;
图8-6DAC0832内部结构图8-7DAC0832引脚图
(4)
—输入寄存器写选通信号,低电平有效,该信号与
信号共同控制输入寄存器,是数据直通方式还是数据锁存方式:
当ILE=1和
时,为输入寄存器直通方式;
时,为输入寄存器锁存方式;
(5)
—DAC寄存器写选通信号,低电平有效,该信号与信号合在一起控制DAC寄存器是数据直通方式还是数据锁存方式:
当
和
时,为DAC寄存器直通方式;
时,为DAC寄存器锁存方式;
(6)
—数据传送控制信号,低电平有效;
(7)Iout1—电流输出“1”,当数据为全“1”时输出电流最大;
为全“0”时输出电流最小;
(8)Iout2—电流输出“2”;
DAC转换器的特性之一是Iout1+Iout2=常数
(9)Rf—反馈电阻端,在芯片内部与Iout1端已接有一个15KΩ的电阻,此端与外部运算放大器输出相连接。
(10)UREF—基准电压,是外加高精度电压源,与芯片内的电阻网络相连接,该电压可正可负,范围为-10V~+10V;
(11)DGND—数字信号地,数字电路公共端与之相连,数字地与模拟地之间应仅在一点上相连接,否则会引起干扰;
(12)AGND—模拟信号地,模拟电路公共端与此点相连。
2.DAC0832工作方式
DAC0832利用
、
、ILE、
控制信号可以构成三种不同的工作方式:
(1)直通方式—
=
=0时,数据可以从输入端经两个寄存器直接进入D/A转换器;
(2)缓冲方式—两个寄存器之一始终处于直通,即
=0或
=0,另一个寄存器处于受控状态;
(3)缓冲方式—两个寄存器均处于受控状态,这种工作方式适合于多模拟信号同时输出的应用场合。
3.DA0832的双极性输出应用
D/A转换器的输出电压U0与输入数字量D之间的关系为
(8-5)
由此可见,输出电压的极性取决于基准电压的极性,当UREF极性不变时,只能获得单极性的模拟电压输出。
我们可以通过一定的电路结构可实现双极性输出。
DAC0832在UREF=+5V时,单极性输出为0~—5V。
在此基础上再接一级比例加法电路如图8—8所示,可实现双极性输出。
当U01=0~—5V时,U0=—5V~+5V。
图8-8DAC0832的双极性输出
由于此时模拟电压的输出范围比单极性时扩大一倍,因此双极性输出时灵敏度下降为单极性时的一半。
单极性输出时,
双极性输出时,
表8-1表示单双极性输入、输出的对比,在双极性输出时,输入二进制数00000000~01111111表示负数,对应输出时电压为负值;
10000000~11111111表示正数,对应输出电压为正值。
这是一种表示正负数的编码方法,称为偏移码。
表8-1单双极性输入输出对照
输入数字量
输出电压
十进制
二进制
单极性
双极性
255
11111111
(255/28)VR
……
129
10000001
(129/28)VR
(1/27)VR
128
10000000
(1/2)VR
127
01111111
(127/28)VR
-(1/27)VR
1
00000001
(1/28)VR
-(255/28)VR
00000000
-VR
8.2模数转换
8.2.1A/D转换的基本原理
在A/D转换器中,由于输入模拟信号在时间上是连续的,而输出数字信号是离散的,所以转换只能在一系列选定的瞬间对输入模拟信号取样,然后再把这些取样值转换成输出数字量,A/D转换一般要经过取样、保持、量化、编码四个步骤,在实际电路中,取样和保持、量化和编码,通常在转换过程中同时实现。
1.取样和保持
取样是对模拟信号进行周期性地抽取样值的过程。
就是把随时间连续变化的模拟信号转换成在时间上断续,在幅值上等于取样时间内模拟信号大小的一串脉冲。
由于A/D转换需要一定的时间,所以在每次取样结束后,应保持取样电压值在一段时间内不变,直到下一次取样开始,这就要在取样后加上保持电路。
为了能准确地用取样信号表示模拟信号,取样信号的频率由取样定理确定。
取样定理:
为保证从取样信号恢复被取样信号,必须满足:
,其中fs为取
(a)电路原理图(b)波形图
图8-9取样—保持电路原理
样信号频率,fi(max)输入信号最高频率。
取样与保持过程通过取样—保持电路同时完成。
简单取样—保持电路原理图及输出波形如图8-9所示。
2.量化与编码
数字信号在时间和幅值上都是离散的,任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。
在进行A/D转换时必须将采样电压转变为这个最小单位的整数倍,这个过程称为量化,所取的最小数量单位称为量化单位,用△表示,它是数字量最低位为1时所代表的模拟量,即1LSB。
量化后的数值还须用代码表示出来,称为编码,经编码后得到的代码就是A/D转换器输出的数字量。
模拟电压值是连续的,不一定能被△整除,这样在量化过程中势必会存在量化误差,它属原理误差,是无法消除的。
A/D转换的位数越多,量化误差越小。
将模拟电压划分为不同的量化等级时有两种方式:
只舍不入方式和四舍五入方式。
如将0~1V的模拟电压转换成3位二进制代码,量化电压的方法如表8-2所示。
表8-2两种划分量化电压的方法
只舍不入法
四舍五入法
二进制编码
输入电压/V
代表的模拟电压/V(△=1/8V)
代表的模拟电压/V(△=2/15)
0—1/8
0△=0
0—1/15
000
1/8—2/8
1△=1/8
1—/15—3/15
1△=2/15
001
2/8—3/8
2△=2/8
3/15—5/15
2△=4/15
010
3/8—4/8
3△=3/8
5/15—7/15
3△=6/15
011
4/8—5/8
4△=4/8
7/15—9/15
4△=8/15
100
5/8—6/8
5△=5/8
9/15—11/15
5△=10/15
101
6/8—7/8
6△=6/8
11/15—13/15
6△=12/15
110
7/8—8/8
7△=7/8
13/15—1
7△=14/15
111
A/D转换器种类很多,按其工作原理可分直接A/D转换器和间接A/D转换器。
直接A/D转换器具有较快的转换速度,典型电路有并行比较型和逐次逼近型电路。
间接A/D转换器的转换速度较低,典型电路有双积分型和电压频率转换型。
8.2.2逐次逼近型A/D转换器
在直接A/D转换器中,逐次逼近型A/D转换器是目前采用最多的一种。
其转换过程与天平秤物重相似,它是将输入模拟信号与不同的参考电压做多次比较,使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量对应值。
N位逐次逼近型A/D转换器给成框图如图8-10所示。
图8-10n位逐次逼近型A/D转换器组成框图
其工作原理是:
转换开始前先将所有寄存器清零,开始转换时时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1,使输出数字为100…0,这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压U0。
送到比较器中与Ui进行比较。
若Ui>U0,说明数字过大了,应将最高位的1清除,若Ui<U0,说明数字不够大,应将这一位保留。
然后再按同样的方式将次高位置成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。
下面以图8-11所示的四位逐次逼近型A/D转换器电路为例说明转换的原理。
电路由以下几部分组成:
(1)逐次逼近寄存器,由4个RS触发器F3~F0组成,输出二进制数Q3’Q2’Q1’Q0’。
(2)顺序脉冲发生器,是一个环形计数器,输出为Q4Q3Q2Q1Q0。
(3)D/A转换器,输入是逐次逼近寄存器的输出,输出U0为正值,送到电压比较器同相输入端。
(4)电压比较器,需转换的输入电压UI加在反相输入端。
若Ui<U0,则输出Uc=1。
若Ui>U0,则输出Uc=0。
(5)控制逻辑门,其作用是控制逐次逼近寄存器的输出。
图8-11四位逐次逼近型A/D转换器电路
(6)读出“与”门,当读出控制端E=1时,逐次逼近寄存器输出Q3’、Q2’、Q1’、Q0’即为转换后的二进制数D3D2D1D0。
由电路图可看出组成逐次逼近寄存器的RS触发器各输入端的驱动方程为:
S3=Q4,R3=VcQ3S2=Q3,R2=Q4+VcQ2
S1=Q2,R1=Q4+VcQ1S0=Q1,R0=Q4+VcQ0
转换过程为:
转换时先将F3F2F1F0清零,并置顺序脉冲Q4Q3Q2Q1Q0=10000
当第1个CP脉冲上升沿到来时,因S3=1,R3=0,S2=S1=S0=0,R2=R1=R0=1,故Q3’Q2’Q1’Q0’=1000,加在D/A转换器上。
其输出电压V0与输入模拟电压V1比较,同时顺序脉冲右移一位变为Q4Q3Q2Q1Q0=0000
当第2个CP脉冲上升沿到来时,若第一次电压比较器输出Uc=1,则S3=0,R3=1,说明A/D转换的结果应小于1000,Q3’清零。
将0100送D/A转换。
若UC=0,则Q3’=1,说明A/D转换的结果应大于等于1000,则Q3’=1保留,将1100送D/A转换器。
同时Q4Q3Q2Q1Q0移位为00100。
当第3个CP脉冲上升沿到来时,因S3=0,R3=0,Q3’不变,根据第2次比较器的输出,若Ui>U0,Uc=1,则Q2’=0,反之,Q2’=1,同时Q4Q3Q2Q1Q0移位为00010。
当第4、5个CP脉冲上升沿到来时,分别确定Q1’、Q0’为1或0。
Q4Q3Q2Q1Q0为10000,准备下一次A/D转换。
最后在E端加上高电平,“与”门开启,输出D3D2D1D0即为A/D转换的结果。
这种逐次逼近型A/D转换器的转换精度高,转换速度比较快,转换时间固定,易与微机接口对接,所以应用非常广泛,常见的集成逐次逼近型A/D转换器有ADC0804/0808/0809系列(8位),AD575(10位),AD574A(12位)等。
8.2.3双积分式A/D转换器
双积分式A/D转换器是一种电压—时间变换型的间接A/D转换器。
它的基本原理是对输入模拟电压和基准电压进行两次积分,先对输入模拟电压进行积分,将其变换成与输入模拟电压成正比的时间间隔T1,再利用计数器测出此时间间隔,则计数器所计的数字量就正比于输入的模拟电压,接着对基准电压进行同样的处理。
如图8-12(a)所示为双积分式A/D转换器原理图,它由积分器A、过零比较器C、时钟脉冲控制门G和定时/计数器等几部分组成。
(a)原理图(b)工作波形
图8-12双积分式A/D转换器
下面以输入正极性的直流电压UI为例,说明电路把模拟电压转换为数字量的过程。
首先,使计数器清零,并使开关S2闭合,对积分电路放电,放电完毕后再断开S2。
转换开始时开关S1与A端接通,将UI加到积分器输入端。
积分器从0V开始对正的UI值积分,其波形为斜线0—Vp段,根据积分电路可推导出
(8-6)
由于U0<0,过零比较器输出为高电平,时钟控制门G被打开,这时计数器在CP低等用下从0开始计数,当计数器计数到QnQn-1…Q1Q0=10…00时即经过2n个时钟脉冲后,由于Qn=1开关S1由A转换到B点,第一次积分结束,所经过的时间为t1=T1=2nTc(Tc为脉冲信号周期)。
令UI为输入电压在T1时间间隔内的平均值。
则由
可得出第一次积分结束时积分器输出电压
(8-7)
当S1接到B点时,具有与UI相反极性的基准电压-UREF加到积分器的输入端。
积分器开始向相反方向进行第二次积分;
当t=t2时,积分器输出电压U0≥0,比较器输出UC=0时钟脉冲控制门G被关闭,计数停止。
此时
(8-8)
令T2=t2-t1有
(8-9)
设在此期间计数器累计的时钟脉冲个数为N2,即
(8-10)
由此可见,T2与VI成正比,T2即为双积分A/D转换过程中的中间变量。
而计数器中所计得的数N2与在取样时间T1内输入电压的平均值VI成正比。
由双积分A/D转换器工作原理可知,电路工作时,第一次积分和第二次积分方向相反,而且第二次积分结束时,输出电压必须过“零”,因此,|UI和|UREF极性相反,且|UI|<||UREF|。
||UI|>||UREF|则第二次积分结束时,积分器输出电压不可能过零,T2不确定,则没有转换结果。
双积分式A/D转换器的优点一方面由于是在T1时间内对输入电压的平均值积分,因此抗干扰能力较弱,另一方面,则于转换结果不受时间常数的影响,也与时钟频率无关,因此电路的稳定性较好。
但它主要缺点是转换速度低。
计数器的位数越多,分辨率越高,转换速度越低。
常用的单片集成双积分式A/D转换器有MC14433(
位,BCD码),ICL7106(
位,BCD码),直接驱动7段LCD数码管),ADC—EK8B(8位,二进制码),ADC—EK10B(10位,二进制码)等。
8.2.4A/D转换器的主要技术指标
分辨率是指A/D转换器输出数字量的最低位变化一个数码时对应输入模拟信号的变化量。
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化范围为0—5V,输出8位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V×
2-8=20mV,而输入12位二进制数可以分辨的最小模拟电压为5V×
2-12=1.22mV。
2.相对精度
相对精度又称转换误差,指A/D转换器实际输出数字量与理想数字量之间的最大差值,通常用最低有效位LSB的倍数表示,如转换误差不大于1/2LSB,即说明实际输出数字量与理想输出数字量之间的最大误差不超过1/2LSB。
3.转换速度
转换速度是指完成一次转换所需的时间。
转换时间是指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。
转换时间越小,转换速度越快。
在常见的A/D转换器中,并联比较型转换速度最快,转换时间小于50ns,逐次逼近型次之,转换时间在10μs—100μs之间,双积分型最低。
转换时间为数十ms至数百ms。
8.2.5集成转换器及其应用
单片集成A/D转换器中,由于逐次逼近型具有转换速度较快,精度高的特点而用途最广,下面介绍8位逐次逼近型ADC0809的应用。
ADC0809的内部逻辑结构如图8—13所示,图中多路开关可选通8个模拟通道,允许8路模拟量分时输入,共用一个A/D转换器进行转换,这是一种经济的多路数据采集方法,地址锁存与译码电路完成对A、B、C三个地址位进行锁存和译码,其译码输出用于通道选择,其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出,因此可以直接与系统数据总线相连。
图8-13ADC0809内部结构图8-14ADC0809引脚排列
ADC0809芯片为2831脚双列直插式封装,其引脚如图8-14,各引脚功能阐述如下:
(1)1N0—1N7:
8路模拟信号输入端;
(2)A、B、C:
模拟通道选择器地址输入端,根据它的8种组合分别选择8路模拟信号中的一路进行A/D转换;
(3)ALE:
地址锁存信号输入端,高电平有效,当ALE=1时,选中ABC选择的一路,并将其代表的模拟信号接入A/D转换器中;
(4)START:
启动信号输入端,可与ALE连接在一起,当输入一个正脉冲,其上升沿将A、B、C三选择线
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