模塊六模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換

項目一數(shù)模轉(zhuǎn)換器

項目二模數(shù)轉(zhuǎn)換器

項目一數(shù)模轉(zhuǎn)換器

隨著數(shù)字系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，用數(shù)字系統(tǒng)處理模擬量的情況非常普遍。在自動化控制中，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路將工控計算機輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為不同的電壓（電流）值，通過模擬量控制單元去調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、溫度、流量、壓力等不同的物理量，以實現(xiàn)自動控制的目的。數(shù)模（DigitaltoAnalog，D/A）轉(zhuǎn)換，顧名思義就是將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成為模擬信號。實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的電路稱為D/A轉(zhuǎn)換器（Digital-AnalogConverter，DAC），電阻網(wǎng)絡(luò)型是常見的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路。本項目以集成數(shù)模轉(zhuǎn)換電路AD7520為例，介紹DAC的工作原理、應(yīng)用方法和操作技能。（一）DAC的工作原理1．電路組成4位電阻網(wǎng)絡(luò)DAC電路如圖6-1所示，它由輸入寄存器、電子開關(guān)、基準(zhǔn)電壓、電阻網(wǎng)絡(luò)和運算放大器組成。圖6-14位電阻網(wǎng)絡(luò)DAC輸入寄存器的數(shù)據(jù)D0～D3控制相應(yīng)的電子開關(guān)S0～S3的撥動方向。當(dāng)D3D2D1D0=1111時，全部電流流向運算放大器的反相輸入端參加運算，運算放大器輸入的總電流I∑為各支路電流的和。由運算放大器的工作原理可知，此時輸出電壓Uo最大。電流是參加運算還是流向地，受數(shù)碼D3、D2、D1和D0的控制，因此，輸出電壓Uo的表達式為2．DAC的主要參數(shù)（1）分辨率分辨率用以說明DAC在理論上可達到的精度，用于表示DAC對輸入量變化的敏感程度。顯然輸入數(shù)字量位數(shù)越多，輸出電壓可分離的等級越多，即分辨率越高，所以實際應(yīng)用中，往往用輸入數(shù)字量的位數(shù)表示DAC的分辨率。（2）轉(zhuǎn)換誤差轉(zhuǎn)換誤差用以說明D/A轉(zhuǎn)換器實際上能達到的轉(zhuǎn)換精度。轉(zhuǎn)換誤差又分靜態(tài)誤差和動態(tài)誤差。（3）建立時間建立時間是在輸入數(shù)字量各位由全0變?yōu)槿?或由全1變?yōu)槿?時輸出電壓達到規(guī)定的誤差范圍（±LSB/2）時所需的時間。（4）溫度系數(shù)溫度系數(shù)是指在輸入數(shù)據(jù)不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化產(chǎn)生的變化量。（二）數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD7520的應(yīng)用1．?dāng)?shù)模轉(zhuǎn)換器AD7520AD7520是一種不含寄存器、基準(zhǔn)電壓源和運算放大器，采用CMOS工藝的10位二進制數(shù)模轉(zhuǎn)換器。電源電壓可從+5V～+15V，其管腳排列如圖6-2所示。圖6-2AD7520管腳排列

AD7520的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖6-3所示。圖6-3AD7520內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2．集成運放LM358集成運放LM358內(nèi)部包括兩個獨立的高增益的具有內(nèi)部頻率補償功能的雙運算放大器，能在電源電壓范圍很寬的單電源或雙電源供電下使用。圖6-4所示為LM358的管腳排列。圖6-4LM358管腳排列3．AD7520數(shù)模轉(zhuǎn)換電路用AD7520構(gòu)成的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路如圖6-5所示。AD7520將輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬電流輸出，運算放大器LM358將模擬電流變換為模擬電壓的形式輸出。圖6-5數(shù)模轉(zhuǎn)換電路（一）仿真實驗測試數(shù)模轉(zhuǎn)換器圖6-6DAC仿真測試電路

操作步驟如下。（1）從混合元器件庫中選取VDAC模塊拖到電路中。（2）從電源庫中拖出電源VDD、接地和一個10V的直流電源（DAC的參考電壓）。（3）從顯示器材庫中拖出電壓表。（4）測試前需要先輸入數(shù)據(jù)，如圖6-6所示，當(dāng)前輸入數(shù)據(jù)為11000000（0C0H）。（5）按下仿真開關(guān)進行測試，并將輸入數(shù)據(jù)和輸出電壓值記錄在表6-1中。（6）重新輸入數(shù)據(jù)，再次測試并記錄。（二）實驗測試集成數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD7520測試AD7520的電路如圖6-5所示，D9～D0分別為數(shù)據(jù)輸入端的最高位和最低位，基準(zhǔn)電壓使用－5V，運算放大器使用LM358，使用雙電源供電。圖6-5數(shù)模轉(zhuǎn)換電路4．操作步驟（1）按圖6-5所示連接AD7520測試電路。D9～D0端口為數(shù)據(jù)輸入端（輸入數(shù)據(jù)0或者1），當(dāng)數(shù)據(jù)為1時接入高電平，數(shù)據(jù)為0時接地。（2）用電壓表檢測對應(yīng)數(shù)據(jù)的輸出電壓，并將電壓值記錄在表6-2中。（3）更新輸入數(shù)據(jù)，檢測對應(yīng)數(shù)據(jù)的輸出電壓值并記錄。（4）計算理論值與誤差值。項目二模數(shù)轉(zhuǎn)換器

模數(shù)轉(zhuǎn)換器的功能是將輸入的模擬電壓（電流）值轉(zhuǎn)換為成正比關(guān)系的數(shù)字量。在自動化控制中，工控計算機通常要接各類傳感器，這些傳感器產(chǎn)生的電信號，如電阻阻值的變化信號、光線的強弱信號、溫度的高低信號、壓力的大小信號等通常是模擬量。這些模擬信號在輸入工控計算機前，必須先轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，才能被工控計算機所接受。將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程稱為模數(shù)（AnalogtoDigital，A/D）轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的電路稱為A/D轉(zhuǎn)換器（Analog-DigitalConverter，ADC）。本項目以集成電路ADC0809為例，重點介紹ADC的工作原理、應(yīng)用方法和操作技能。（一）ADC的工作原理在ADC中，因為輸入的模擬信號在時間上是連續(xù)量，而輸出的數(shù)字信號是離散量，所以進行轉(zhuǎn)換時必須在一系列選定的瞬間對輸入的模擬信號取樣，然后再把這些取樣值轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字量。因此，一般的A/D轉(zhuǎn)換過程是通過取樣、保持、量化和編碼4個步驟完成的。圖6-7ADC轉(zhuǎn)換過程

（二）ADC的主要技術(shù)指標(biāo)1．轉(zhuǎn)換精度ADC的轉(zhuǎn)換精度是用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述的。

（1）分辨率。分辨率說明ADC對輸入信號的分辨能力。ADC的分辨率以輸出二進制數(shù)的位數(shù)表示。例如，ADC輸出為8位二進制數(shù)，輸入信號最大值為5V，那么這個轉(zhuǎn)換器應(yīng)能區(qū)分輸入信號的最小電壓為5/28=19.53mV。

（2）轉(zhuǎn)換誤差。轉(zhuǎn)換誤差表示ADC實際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別。常用最低有效位的倍數(shù)表示。

2．轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間指ADC從轉(zhuǎn)換控制信號到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號所經(jīng)過的時間。（三）集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809圖6-8ADC0809管腳排列ADC0809各管腳的功能說明如下。IN0～IN7—8路模擬信號輸入通道。A0、A1、A2—控制8路模擬信號輸入通道的3位地址碼輸入端。ALE—地址鎖存允許輸入端，該信號的上升沿使多路開關(guān)的地址碼A0、A1、A2鎖存到地址寄存器中。START—啟動信號輸入端，此輸入信號的上升沿使內(nèi)部寄存器清零，下降沿使A/D開始轉(zhuǎn)換。EOC—A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，它在A/D轉(zhuǎn)換開始時由高電平變?yōu)榈碗娖剑D(zhuǎn)換結(jié)束由低電平變?yōu)楦唠娖?，此信號的上升沿表示A/D轉(zhuǎn)換完畢，常用做計算機中斷申請信號。OE—輸出允許信號，高電平有效，用來打開三態(tài)輸出鎖存器，將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)總線。D7～D0—8位數(shù)據(jù)輸出端。CP—時鐘信號輸入端，時鐘的頻率決定A/D轉(zhuǎn)換的速度，CP的頻率范圍為10～1

280kHz。當(dāng)CP為640kHz時，A/D轉(zhuǎn)換時間為100μs。VREF+和VREF－—基準(zhǔn)電壓輸入端。ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6-9所示。圖6-9ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖8路模擬輸入信號選擇哪一路進行轉(zhuǎn)換，用地址鎖存器與譯碼器完成，3位地址碼有8種狀態(tài)，可以選中8個通道之一。各通道對應(yīng)地址碼如表6-4所示。表6-4 ADC0809地址碼對應(yīng)的模擬通道地址碼模擬通道A2A1A0000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7ADC0809A/D轉(zhuǎn)換電路如圖6-10所示。地址碼A2A1A0=000，選中IN0模擬通道。調(diào)節(jié)電位器RP，輸入模擬電壓Ui。在START—啟動信號輸入端輸入脈沖信號后開始轉(zhuǎn)換，輸出相應(yīng)數(shù)字量D7～D0。圖6-10ADC0809A/D轉(zhuǎn)換電路

（一）仿真實驗測試模數(shù)轉(zhuǎn)換器圖6-11ADC測試電路

操作步驟如下。（1）從混合元器件庫中選取ADC模塊拖到電路中。（2）從電源庫中拖出電源VCC、接地和一個5V的直流電源（ADC的參考電壓）。（3）從電源庫中拖出方波信號源（ADC的CP脈沖，100Hz）。（4）從顯示器件庫中拖出電壓表、邏輯指示燈。（5）從基本元器件庫中拖出電位器，將阻值變化率由5%改為1%，定義鍵名為A。（6）連接電路后按下仿真開關(guān)進行測試。（7）按下A鍵或Shift+A組合鍵，調(diào)整電位器的阻值（輸入模擬電壓值）。（8）將測試的模擬電壓數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)（邏輯指示燈的狀態(tài)）記錄在表6-5中。（9）輸入不同的模擬電壓，進行測試并記錄。（二）實驗測試集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809圖6-12ADC0809的實驗電路測試ADC0809的電路如圖6-12所示。采用信號發(fā)生器輸出方波，作為ADC0809的時鐘脈沖源，Ui由電源與電位器分壓提供，得到0～5V的模擬電壓，選擇IN0作為輸入通道，因此地址碼ADD=000。啟動信號由C1與R1構(gòu)成，未按下按鈕S1時，啟動端低電平，無啟動信號；當(dāng)按下按鈕S1時，VCC通過C1、R1產(chǎn)生一個瞬間正脈沖，相當(dāng)于啟動信號，ADC0809開始轉(zhuǎn)換。參考電壓使用5V，邏輯筆檢測D7～D0的狀態(tài)。4．操作步驟（1）關(guān)閉直流穩(wěn)壓電源開