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第五节 A/D和D/A转换 2018年1月18日星期四 2 主要内容 模拟量输入输出通道的组成 D/A转换器 原理及连接使用方法 A/D转换器 原理及连接使用方法 数据采集 A/D、D/A接口设计要点 7.5 A/D和D/A转换 2018年1月18日星期四 3 模拟量I/O接口的作用： 实际工业生产环境——连续变化的模拟量 例如：电压、电流、压力、温度、位移、流量 计算机内部——离散的数字量 二进制数、十进制数 工业生产过程的闭环控制 7.5.1 概述 2018年1月18日星期四 4 模拟量与数字量 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 2018年1月18日星期四 5 7.5.2模拟量I/O通道的组成 2018年1月18日星期四 8 2018年1月18日星期四 9 模拟量 数字量 7.5.3数/模（D/A）变换器 2018年1月18日星期四 10 7.5.3数/模（D/A）变换器 8.2.1 D/A变换器的基本原理及技术指标 D/A变换器的基本工作原理 组成：模拟开关、电阻网络、运算放大器 两种电阻网络：权电阻网络、R-2R梯形电阻网络 基本结构如图： Vref Rf 模拟开关 电阻网络 VO 数字量 ∑ 2018年1月18日星期四 11 1.D/A变换原理 运放的放大倍数足够大时，输出电压VO与输入电压Vin的关系为： 式中：Rf 为反馈电阻 R 为输入电阻 Vin Rf VO ∑ R 2018年1月18日星期四 12 若输入端有n个支路, 则输出电压VO与输入电压Vi的关系为： Vin Rf VO ∑ R1 式中：Ri 为第i支路的输 入电阻 Rn … 2018年1月18日星期四 13 令每个支路的输入电阻为2iRf , 并令Vin为一基准电压Vref，则有 如果每个支路由一个开关Si控制，Si=1表示Si合上，Si=0表示Si断开，则上式变换为 若Si=1,该项对VO有贡献 若Si=0,该项对VO无贡献 2018年1月18日星期四 14 2R 4R 8R 16R 32R 64R 128R 256R Vref Rf VO S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 与上式相对应的电路如下(图中n=8)： 图中的电阻网络就称为权电阻网络 2018年1月18日星期四 15 如果用8位二进制代码来控制图中的S1～S8(Di=1时Si闭合；Di=0时Si断开)，那么根据二进制代码的不同，输出电压VO也不同，这就构成了8位的D/A转换器。 可以看出，当代码在0～FFH之间变化时，VO相应地在0～-(255/256)Vref之间变化。 2018年1月18日星期四 16 D/A转换的基本原理 数字量 → 按权相加 → 模拟量 为控制电阻网络各支路电阻值的精度，实际的D/A转换器采用R-2R梯形电阻网络(见下页)，它只用两种阻值的电阻(R和2R)。 2018年1月18日星期四 中北大学《微机原理及接口技术》 17 2018年1月18日星期四 18 D/A转换器的原理图（1） 2018年1月18日星期四 19 D/A转换器的原理图（2） 2018年1月18日星期四 20 D/A转换器的原理图（3） Va＝VREF Vb＝VREF/2 Vc＝VREF/4 Vd＝VREF/8 I0＝Vd/2R＝VREF/（8×2R） I1＝Vd/2R＝VREF/（4×2R） I2＝Vd/2R＝VREF/（2×2R） I3＝Vd/2R＝VREF/（1×2R） 2018年1月18日星期四 21 D/A转换器的原理图（4） Iout1＝I0＋I1＋I2＋I3 ＝VREF/2R×（1/8＋1/4＋1/2＋1） Rfb＝R Vout＝－Iout1×Rfb ＝－VREF×[（20＋21＋22＋23）/24] Vout＝－（D/2n）×VREF 2018年1月18日星期四 22 2.D/A转换器的主要技术指标 分辨率（Resolution） 输入的二进制数每±1个最低有效位(LSB)使输出变化的程度。 一般用输入数字量的位数来表示: 如8位、10位 例：一个满量程为5V的10位DAC，±1 LSB的变化将使输出变化 5/(210-1)=5/1023=0.04888V=48.88mV 转换精度（误差） 实际输出值与理论值之间的最大偏差。 一般用最小量化阶⊿来度量，如±1/2 LSB 也可用满量程的百分比来度量，如0.05% FSR (LSB-Least Significant Bit, FSR-Full Scale Range) 2018年1月18日星期四 23 转换时间 从开始转换到与满量程值相差±1/2 LSB所对应的模拟量所