模数(A／D)和数模(D／A)转换

模数（A/D）和数模（D/A）转换

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/D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。

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第11章 模数（A/D ）和数模（D/A ）转换 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 （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 = 2电压量程范围 = 2560.5V

≈0.0195V=19.5mV

q 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。

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

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。

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微型机原理及应用

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。

11.2 ADC0809模/数转换器

A/D转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、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。但在A/D转换前，输入到A/D转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。A/D转换后，输出的数字信号可以有8位、10位、12位和16位等。

11.2.1 模/数转换器原理

A/D转换器的工作原理实现A/D转换的方法很多，常用的有逐次逼近法、双积分法及电压频率转换法等。

逐次逼近法：速度快、分辨率高、成本低，在计算机系统得到广泛应用。逐次逼近法原理电路类同天平称重。在节拍时钟控制下，逐次比较，最后留下的数字砝码，即转换结果。

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第11章模数（A/D）和数模（D/A）转换

图11.2 逐次逼近法A/D转换器

采用逐次逼近法的A/D转换器是由一个比较器、D/A转换器、缓冲寄存器及控制逻辑电路组成，如图10.14所示。它的基本原理是从高位到低位逐位试探比较，好像用天平称物体，从重到轻逐级增减砝码进行试探。

逐次逼近法转换过程是：初始化时将逐次逼近寄存器各位清零；转换开始时，先将逐次逼近寄存器最高位置1，送入D/A转换器，经D/A转换后生成的模拟量送入比较器，称为Ｖo，与送入比较器的待转换的模拟量Ｖi进行比较，若Ｖo<Ｖi，该位1被保留，否则被清除。然后再置逐次逼近寄存器次高位为1，将寄存器中新的数字量送D/A转换器，输出的Ｖo再与Ｖi比较，若Ｖo<Ｖi，该位1被保留，否则被清除。重复此过程，直至逼近寄存器最低位。转换结束后，将逐次逼近寄存器中的数字量送入缓冲寄存器，得到数字量的输出。逐次逼近的操作过程是在一个控制电路的控制下进行的。

11.2.2 ADC0809的内部结构与引脚图

ADC0809是一种普遍使用且成本较低的、由National半导体公司生产的CMOS材料A/D转换器。它具有8个模拟量输入通道，可在程序控制下对任意通道进行A/D转换，得到8位二进制数字量。

其主要技术指标如下：

①电源电压：5V

②分辨率：8位

③时钟频率：640kHZ

④转换时间：100us

⑤未经调整误差：1/2LSB和1LSB

⑥模拟量输入电压范围：0-5V

⑦功耗：15mW

图11.3给出了ADC0809转换器的内部结构图。