模拟量与数字量概述
较高的转换速度。转换精度与转换速度是衡量A /D与D/A转换器的重要技术指标。随着集成技术 的发展,现已研制和生产出许多单片的和混合集 成型的A/D和D/A转换器,它们具有愈来愈先进的 技术指标。
7.2 A/D转换原理
A/D转换器(ADC):将模拟量转换为数字量,通常 要经过采样、保持、量化和编码四个步骤。
(1)采样与保持
所谓采样,就是将一个时间上连续变化的模拟量 转化为时间上离散变化的模拟量,如图7-2所示。
采样结果存储起来,直到下次采样,这个过程称为 保持。一般,采样器和保持电路一起总称为采样 保持电路。
图7-2 采样 图7-3 量化
(2)量化与编码的过程
将采样电平归化为与之接近的离散数字电平,这
vo逐渐逼近vi值,最后得到A/D转换器转换结果D7~ D0为10101111。该数字量所对应的模拟电压为6. 8359375V,与实际输入的模拟电压6.84V的相对 误差仅为0.06%。 图7-5 8位逐次比较型A/D转换器波形图
逐次比较型A/D转换器的特点是:转换速度为(n+
1)Tcp,速度快;调整VREF,可改变其动态范围。
换为相应模拟信号才能为执行机构所接受。这 样,就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起 桥梁作用的电路——模数和数模转换器,如图7-1 所示。
图7-1 模数和数模转换器
将模拟信号转换成数字信号的电路,称为模数转 换器(简称A/D转换器或ADC,analog to digital
converter);将数字信号转换为模拟信号的电路,称 为数模转换器(简称D/A转换器或DAC,digital to analog converter)。A/D转换器和D/A转换器已成 为信息系统中不可缺少的部分。为确保系统处 理结果的精确度,A/D转换器和D/A转换器必须具 有足够的转换精度。如果要实现快速变化信号 的实时控制与检测,A/D与D/A转换器还要求具有
较,使转换所得的数字量在数值上逐次比较输入 模拟量对应值。
对应图7-4的电路,它由启动脉冲启动后,在第一 个时钟脉冲作用下,控制电路使时序产生器的最 高位置1,其他位置0,其输出经数据寄存器将1000 ……0送入D/A转换器。输入电压首先与D/A转
换器输出电压(VREF/2)相比较,如vi≥VREF/2,比较器 输出为1,若vi<VREF/2,则为0。比较结果存于数据 寄存器的Dn-1位。然后在第二个CP作用下,移位 寄存器的次高位置1,其他低位置0。如最高位已
存1,则此时vo= VREF。于是vi再与 VREF相比较,
如vi≥ VREF,则次高位Dn-2存1,否则Dn-2=0;如最高
位为0,则vo=VREF/4,与v0比较,如vi≥VREF/4,则Dn-2位 存1,否则存0……;以此类推,逐次比较得到输出 数字量。
为了进一步理解逐次比较A/D转换器的工作原理 及转换过程,下面用实例加以说明。
7.1 模拟量与数字量概述 随着数字技术,特别是信息技术的飞速发展与普
及,在现代控制、通信及检测等领域,为了提高系 统的性能指标,对信号的处理广泛采用了数字计 算机技术。由于系统的实际对象往往都是一些 模拟量(如温度、压力、位பைடு நூலகம்、图像等),要使计 算机或数字仪表能识别、处理这些信号,必须首 先将这些模拟信号转换成数字信号;而经计算机 分析、处理后输出的数字量,也往往需要将其转
(2)双积分式A/D转换器
双积分ADC的基本原理是对输入模拟电压和参 考电压分别进行两次积分,将输入电压平均值变 成与之成正比的时间间隔,然后利用时钟脉冲和 计数器测出此时间间隔,进而得到相应的数字量
输出。其工作原理框图见图7-6,积分器输出波形 见图7-7。由于该转换电路是对输入电压的平均 值进行变换,所以它具有很强的抗工频干扰能力, 在数字测量中得到广泛应用。
个过程称为量化,如图7-3所示。
由零到最大值(max)的模拟输入范围被划分为n 个值,称为量化阶梯。而相邻量化阶梯之间的中 点值,称为比较电平。
7.3 A/D转换器及参数指标
A/D转换器是一种能把输入模拟电压或电流变成 与之成正比的数字量,即能把被控对象的各种模 拟信息变成计算机可以识别的数字信息。A/D转 换器种类很多,但从原理上通常可以分为以下4 种:计数器式A/D转换器、双积分式A/D转换器、 逐次比较式A/D转换器和并行A/D转换器。
000000送入D/A转换器,其输出电压vo=5V,vi与vo 比较,vi>vo存1;第二个CP到来时,寄存器输出D7~D 0=11000000,vo为7.5V,vi再与7.5V比较,因vi<7.5V, 所以D6存0;输入第三个CP时,D7~D0=10100000,vo =6.25V,vi再与vo比较,……如此重复比较下去,经8 个时钟周期,转换结束。由图中vo的波形可见,在 逐次比较过程中,与输出数字量对应的模拟电压
设图7-4电路为8位A/D转换器,输入模拟量vi=6.84
V,D/A转换器基准电压VREF=10V。根据逐次比较 D/A转换器的工作原理,可画出在转换过程中 CP、启动脉冲、D7~D0及D/A转换器输出电压vo 的波形,如图7-5所示。
由图7-5可见,当启动脉冲低电平到来后转换开 始。在第一个CP作用下,数据寄存器将D7~D0=10
(1)逐次比较式A/D转换器
逐次比较ADC包括n位逐次比较型A/D转换器,如 图7-4所示。它由控制逻辑电路、时序产生器、 移位寄存器、D/A转换器及电压比较器组成。
图7-4 逐次比较式A/D转换器原理框图
逐次比较转换过程和用天平称重物非常相似。 天平称重物的过程是,从最重的砝码开始试放,与
被称物体进行比较,若物体重于砝码,则该砝码保 留,否则移去。再加上第二个次重砝码,由物体的 重量是否大于砝码的重量决定第二个砝码是留 下还是移去。照此一直加到最小一个砝码为 止。将所有留下的砝码重量相加,就得此物体的 重量。仿照这一思路,逐次比较型A/D转换器就 是将输入模拟信号与不同的参考电压做多次比
(3)并行AD转换器
3位并行比较型A/D转换器原理电路如图7-8所