《机电一体化》ppt课件.ppt

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1、第二节 数-模转换集成芯片,模数转换 定义：模拟信号到数字信号的转换，称为模数转换，或称为A/D（Analog to Digital）转换。把实现A/D转换的电路称为A/D转换器（Analog Digital Converter，简称ADC）。,数模转换 定义：数字信号到模拟信号的转换，称为数模转换，或称为D/A（ Digital to Analog ）转换。把实现D/A转换的电路称为D/A转换器（ Digital Analog Converter，简称DAC）。,模拟信号,数字信号,被控对象,模拟传感器,数字处理系统,执行元件,非电量,模拟电量,数字量,数字量,模拟电量,控制操作,A/D转换

2、器,典型数字控制系统框图,D/A转换器,一、A/D转换器,（一）A/D转换器的基本原理,1、A/D转换器的基本原理,为了将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，A/D转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程。 在实际电路中，这些过程有的是合并进行的，例如，取样和保持，量化和编码往往都是在转换过程中同时实现。,1、采样保持电路,电路由输入放大器A1、输出放大器A2、保持电容CH和开关驱动电路组成。 电路图中要求A1具有很高的输入阻抗，以减小对输入信号源的影响。 为使保持阶段CH上所存电荷不易泄放，A2也应具有较高输入阻抗，A2还应具有较低的输出阻抗，这样可以提高电

3、路的带负载能力。一般还要求电路中,取样保持电路已有很多种型号的单片集成电路产品。如双极型工艺的有AD585、AD684；混合工艺的有AD1154、SHC76等。,2、量化与编码,量化为数值量化的简称，就是将取样保持电路的输出电压，按某种近似方式规划到与之相应的离散电平上的转化过程。,量化后的数值最后还须通过编码过程用一个代码表示出来。经编码后得到的代码就是A/D转换器输出的数字量。,量化过程中所取最小数量单位称为量化单位，用D表示。它是数字信号最低位为1时所对应的模拟量，即1LSB。,在量化过程中，由于取样电压不一定能被D整除，所以量化前后不可避免的存在误差，此误差称之为量化误差，用e表示。

4、量化误差属原理误差，它是无法消除的。A/D转换器的位数越多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。,3、A/D转换器的主要技术指标,（1）分辨率 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：输入模拟电压的变换范围为05V，输出8位二进制数可以分辨的最小模拟电压为 ； 输出12位二进制数可以分辨的最小模拟电压为：,（2）相对精度 在理想情况下，所有的转换点应当在一条直线上。 相对精度是指：实际的各个转换点偏离理想特性的误差。即转换范围内，任一数字量所对应的模拟输入量实际值与理论值之间的差值。,（3）转换时间和转换率 转换时间：完成一次转换所需的时间。

5、 即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。,4、常用A/D转换芯片的特性,（1）ADC的外特性从使用的角度看，ADC的外特性包括以下4部分：1）模拟信号输入端；2）数字量的并行输出端；3）起动转换的外部控制信号；4）转换完毕由转换器发出的转换结束信号。,根据转换方式的不同，ADC可分为三类：并联比较型ADC，逐次逼近型ADC和双积分型ADC。 不同的A/D转换方式具有各自的特点： 并联比较型ADC：转换速度快，但其需要使用的比较器和触发器很多。随着分辨率的提高，所需要的元件数目也按几何级数增加。 双积分型ADC：性能较稳定，转换精度高，抗干扰能力较强，电路简单

6、，但其工作速度较低。 逐次逼近型ADC：分辨率较高、误差较低、转换速度较快，在一定程度上兼顾了前两者转换器的优点，因此得到普遍的应用。,转换开始前，先将所有寄存器清零。 开始转换以后，时钟脉冲首先将寄存器最高位置1，使输出数字为1000。这个数码被D/A转换器转换成相应的模拟电压uo,送到比较器中与ui进行比较。 若uiuo,说明数字过大，故将最高位的1清除； 若uiuo,说明数字还不够大，应将该位保留；然后再按相同的方式将次高位置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。,逐次逼近型ADC的工作原理,（

7、二）A/D转换芯片（ADC0804）,8位CMOS逐次逼近型ADC；三态锁定输出；分辨率：8位；转换精度：1LSB；输入电压：05V；转换时间：100us；,增加外接电路后，输入模拟电压可为 5V； 芯片的输出总线可直接连接在CPU的数据总线上，无需附加逻辑接口电路。,2. ADC0801,二、D/A转换器,D/A转换器将输入的数字量转换为模拟量输出。 数字量由若干数位构成,D/A转换即把每一位上的代码按照权值转换为对应的模拟量，再把各位所对应的模拟量相加，所得到各位模拟量的和便是数字量所对应的模拟量。 在集成化的D/A转换器中，通常采用电阻网络实现将数字量转换为模拟电流，然后再用运算放大器完

8、成模拟电流到模拟电压的转换。 目前D/A转换集成电路芯片大都包含了这两个部分，如果只包含电阻网络的D/A芯片，则需要连接外接运算放大器才能转换为模拟电压。,（1）电压输出型 电压输出型D/A转换器虽有直接从电阻阵列输出电压的，但一般采用内置输出放大器以低阻抗输出。 直接输出电压的器件仅用于高阻抗负载，由于无输出放大器部分的延迟，故常作为高速D/A转换器使用。,（一）D/A转换器的分类,（2）电流输出型 电流输出型D/A转换器直接输出电流，但应用中通常外接电流-电压转换电路得到电压输出。 可以直接在输出引脚上连接一个负载电阻，实现电流一电压转换。但多采用的是外接运算放大器的形式。 另外，大部分C

9、MOS D/A转换器当输出电压不为零时不能正确动作，所以必须外接运算放大器。 由于在D/A转换器的电流建立时间上加入了外接运算放入器的延迟，故D/A响应变慢。 该类型电路中的运算放大器因输出引脚的内部电容而容易起振，有时必须作相位补偿。,（3）乘算型 D/A转换器中有使用恒定基准电压的，也有在基准电压输入上加交流信号的，后者由于能得到数字输入和基准电压输入相乘的结果而输出，因而称为乘算型D/A转换器。 乘算型D/A转换器一般不仅可以进行乘法运算，而且可以作为使输入信号数字化地衰减的衰减器及对输入信号进行调制的调制器使用。,根据建立时间的长短，D/A转换器可分为: 低速D/A转换器，建立时间10

10、0s； 中速D/A转换器，建立时间为10100s； 较高速D/A转换器，建立时间为110s； 高速D/A转换器，建立时间为100ns1s； 超高速D/A转换器，建立时间为100ns。,根据电阻网络的结构,DAC可以分为： 权电阻网络D/A转换器 T型电阻网络D/A转换器 倒T型电阻网络D/A转换器 权电流D/A转换器,（1）绝对精度 对应于给定的刻度数字量，D/A转换电路实际输出与理论值之间的误差。 一般应低于2-（n+1）或LSB/2。（2）相对精度 满刻度已校准的情况下，在整个刻度范围内，对应于任一数码的模拟量输出与它的理论值之差。 两种表示方法：将偏差用数字量最低有效位的位数LSB表示；

11、用该偏差相对满刻度的百分比表示。,（二）D/A转换器的技术指标,（3）分辨率 指最小模拟输出量（对应数字量仅最低位为1）与最大量（对应数字量所有有效位为1）之比。 用来描述D/A转换器对微小输入量变化的敏感度。 用数字量的位数表示。 一个分辨率为n位的转换器，它能对刻度的2-n输入作出反应。（4）建立时间 建立时间是指将一个数字量转换为稳定模拟信号所需的时间,也可以认为是转换时间。 DA中常用建立时间来描述其速度,而不是AD中常用的转换速率。一般地,电流输出 DA建立时间较短,电压输出DA则较长。 其他指标还有线性度（Linearity）、转换精度、温度系数漂移等。,（三）常用D/A转换芯片特

12、性,D/A转换芯片输出方式有两种：电流输出型、电压输出型。,图3-23 D/A转换输出两种方式,电流输出型： 相当于电流源，内阻Rp较大，使用时，负载电阻不可太大。电压输出型： 相当于电压源，内阻Rs较小，使用时，负载电阻应较大。 实际应用时，常用电流型实现电压输出。,图3-24 D/A转换连接成电压输出方式a)反相输出 b)同相输出,电流输出型D/A转换芯片实现电压输出,反向输出电压：UOUT=-IR同相输出电压：UOUT=IR(1+R2/R1),b),a),图3-25 D/A转换输出连接线路a) 单极性输出 b) 双极性输出,D/A转换器的单极性输出、双极性输出,a),b),图3-26 A

13、D7524应用线路,（四）D/A转换芯片的应用（AD7524）,CMOS低功耗8位DAC1、芯片特点： 双极性输出； 可与大多数微处理器总线或输出端口直接接口；参考电压可由正电源或负电源提供，故输出电压可随之改变极性。,功能表,表3-9 输入数字量与输出模拟量的对应值,第三节 多路模拟开关集成芯片,在机电一体化实时控制与实时数据处理系统中，被控制与被测量的回路往往是几路或几十路。对这些回路的参量进行模数、数模转换时，常采用公共的模数、数模转换电路。 因此，对各路进行转换时就存在分时占用模数、数模转换电路的问题。 常采用多路开关轮流切换各被测回路与模数、数模转换电路间的通路，以实现分时处理。,一

14、、常用多路开关的参数和性能,性能：,实际应用中，对于多路A/D通道的切换，常采用多通道输入、单通道输出（输出为公用的一条线）的多路开关。,对于多路A/D通道的切换，常采用单通道输入、多通道输出的多路开关。,二、多路模拟开关集成芯片,1. 无译码器的多路开关,开关类型： TL182C，AD7510，AD7511，AD7512等。,AD7510的引脚图,芯片中无译码器，四个通道开关都有各自的控制端。优点： 每一个开关可单独通断，也可同时通断，使用方式比较灵活。缺点： 引脚较多，使得片内所集成的开关较少。当巡回检测点较多时，控制复杂。,（1） AD7501（AD7503）,AD7501芯片结构及引脚

15、功能图,片上所有逻辑输入与TTLDTL及CMOS电路兼容。 AD7503 除EN 端的控制逻辑电平相反外, 其它与AD7501相同。,2. 有译码器的多路开关,AD7501真值表,（2） CD4501,CD4501芯片结构及引脚功能图,CD4501为8通道单刀结构形式，它允许双向使用，即可用于多到一的切换输出， 也可用于一到多的输出切换。,CD4501真值表,三、多路开关的配置,1.单端接法,把所有输入信号源的一端接至同一信号地，另一端各自接至多路开关的相应输入端。 图 (a)的信号地与模拟地很接近，但实际很难做到。 图 (b)的信号地与模拟地相离较远。,优点：能使用系统的全部通道。缺点：抗共模干扰能力差。,2. 双端接法,把所有输入信号源的两端各自分别接至多路开关的输入端。,优点：抗共模干扰能力强。缺点：只能使用系统的一半通道。 当信号源的信噪比较小时，必须使用此接法。,四、多路开关的应用,图3-34 AD7501实现16通道的连接,9,作业,1、简述瞬时极性法的基本原理，并以实例说明。2、何谓四舍五入量化法。3、 已知某DAC电路最小分辨电压5mv , 最大满值输出电压5V, 试求该电路输入数字量的位数和基准电压各是多少？,