文档介绍：第 11 章
模数(A/D)
和数模(D/A)转换
中国科学技术大学何克东
概述
模拟量——连续变化的物理量
数字量——时间和数值上都离散的量
模拟/数字转换器
ADC
DAC
数字/模拟转换器
在实际工程中大量遇到的是连续变化的物理量。所谓连续,包括两方面的含义:一方面从时间上来说,它是随时间连续变化的;另一方面从数值上来说,它的数值也是连续变化的。这种连续变化的物理量通常称为模拟量。例如温度、压力、流量、位移、转速以及连续变化的电压、电流等等。因为微型计算机只能处理数字量的信息,模拟接口的作用就是实现模拟量和数字量之间的转换。
将模拟量转变为数字量的器件称为模数转换器(Analog to Digital Converter),简称ADC或A/D转换器。计算机的计算结果是数字量,不能用它去直接控制执行部件,需要先把它转换为模拟量,才能用于控制。这种能将数字量转换为模拟量的器件称为数模转换器(Digital to Analog Converter),简称DAC或D/A转换器。
一、模拟输入输出系统
数字信号
模拟信号
现场信号1
现场信号2
现场信号n
放大器
放大器
放大器
多
路
开
关
低通滤波
传感器
低通滤波
传感器
低通滤波
传感器
A/D转换器
采样保持器
数字信号
受控对象
控制信号
模拟信号
D/A转换器
放大驱动电路
…
I/0接口
放大器
把传感器输出的
信号放大到ADC
所需的量程范围
多路开关
把多个现场信号
分时地接通到
A/D转换器
低通滤波器
用于降低噪声、
滤去高频干扰,
以增加信噪比
采样保持器
周期性地采样连续
信号,并在A/D转
换期间保持不变
传感器
将各种现场的
物理量测量出来
并转换成电信号
(模拟电压或电流)
I/0接口
多
路
开
关
D/A转换器
DAC
数字/模拟转换器
数字量
模拟量
一、 D/A转换的基本原理
D/A转换器的功能是把计算机输出的二进制数字量电信号转换成与其数值成正比的模拟量电信号。D/A转换器可以视为微机的一种输出设备,实现D/A转换器与微机接口技术的关键是数据锁存问题,当CPU向D/A转换器输出的数据在数据总线上只能持续较短的时间。因此,必须要用数据锁存器将数据锁存,才能为D/A转换器提供一个稳定的数据。
数字量→按权相加→模拟量
1101B
= 1×23+1×22+0×21+1×20
= 13
权电阻网络D/A转换器的原理图
Rf
Vo
+
_
S3
D1
4R
S2
D2
2R
IO
S4
D4
8R
S1
D3
R
VR
电阻网络
基准电压
电子开关
I1
I2
I3
I4
If
Σ
运算放大器
虚地
权电阻网络DAC
流入相加点Σ的总电流为:
IO = d1I1+d2I2+d3I3+d4I4
= d1(VR/R)+d2(VR/2R)+d3(VR/3R)+d4(VR/4R)
= (2VR/R)(d12-1+ d22-2 +d32-3+d42-4)
如果Rf=R/2,输入数字量d1d2d3d4=1000,VR=+5V,则输出电压:
VO = -IO×Rf
=-2VR/R×(1×(1/2)+0×(1/4)+0×(1/8)+0×(1/16))×(R/2)
= -(1/2)VR
= -
T型电阻解码网络D/A转换器的原理图
Iout2
Iout1
Rfb
Rfb
Vout
+
_
I1
S1
D1
c
2R
R
I2
S2
D2
b
2R
R
I0
S0
D0
d
2R
2R
R
I3
S3
D3
a
2R
VREF
T型电阻解码网络DAC
二、DAC的主要性能指标
输入数字量
包括输入数字量的码制、数据格式和它们的逻辑电平等。有二进制码、BCD码、补码、偏移二进制码等。逻辑电平一般为TTL电平。
输出模拟量
不同型号的D/A转换器件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,则高达24V~30V。还有些电流输出型的D/A转换器,低的为几个mA到几十个mA,高的可达3A。