intro:一般微机测控系统原理框图
在计算机 控制系统中，经常需要进行数字量←→模拟量的转换
多输入通道的前向通道结构
6.1 数/模转换电路 (D/A Converter)
一、DAC的基本原理
基本思路：将输入的二进制数按其位权的大小先转换成与之成正比的电流量，然后将该电流再转换成模拟量电压输出。
实现框图与公式
并行数字输入 经过 D/A 转换模块产生电流 ，再通过运算放大器和反馈电阻 转换为输出电压 。
- 电流
- 输出电压（注意这里有个负号）
D/A转换特性
对于一个n位D/A转换器，输出模拟量与输入数字量之间存在一一对应的关系。
- ：表示输入数字量中最低有效位 (LSB) 为"1" 时的模拟电压增量。
- Least Significant Bit Voltage
- 实际上就是数字量每增加1对应的模拟量增加多少
二、四位倒T型电阻网络D/A转换器
这是一种常见的D/A转换器电路结构。
电路特点
- 仅使用两种阻值的电阻 (R 和 2R)，易于实现高精度。
- 运放反相输入端为虚地。
- 开关切换时，触点总是接地的（直接接地/负反馈虚地）
- 流过各支路的电流不变，只是改变流向（运放反相端或地）
- 因此没有过渡过程。
工作原理与公式推导
- 参考电压 通过电阻网络产生一系列按权分配的电流。网络部分的总电阻为R。
- 流过参考电源的总电流
- 从任何一个节点看进去，两个支路的等效电阻都是2R；因此流过每一个节点的电流依次降低一半，即各支路电流为
- 当输入二进制数的某一位为高电平（例如 ）时，对应支路的电流流向运放的反相输入端；反之（）流向地。
- 汇总到运放反相输入端的总电流
对于四位DAC：
- 输出电压
对于n位DAC：
- 当 时：
典型产品
- AD7520 (10位D/A转换器)。
三、D/A转换器的双极性输出
用于实现输入正负数字量（补码表示）时，输出相应的正负模拟量。
补码输入与偏移调整
- 补码输入：通常用补码表示正负数。
- 实现方法：将输入的补码的最高位（符号位）求反，得到偏移码（Offset Binary），然后通过设置偏移电路来实现双极性输出。
- 例如，对于三位二进制补码，可以表示-4到+3。通过将符号位取反并进行偏移调整，可以得到对应的双极性电压输出。
十进制数 | 补码输入
d2d1d0 | 偏移码（补码符号位取反） | 接入偏移电路（偏移-4V）后的输出电压（V） |
+3 | 011 | 111 | +3 |
+2 | 010 | 110 | +2 |
+1 | 001 | 101 | +1 |
0 | 000 | 100 | 0 |
-1 | 111 | 011 | -1 |
-2 | 110 | 010 | -2 |
-3 | 101 | 001 | -3 |
-4 | 100 | 000 | -4 |
（这个-4有点怪，似乎符号位溢出了？）
电路实现与输出电压
NOTE THAT:
这一种拓扑对电阻的品种和精度要求更高
- 电路调整：当输入补码为全0（例如000，偏移码为100，代表负的最大绝对值或特定的偏移点）时，调节偏移电路中的电阻 ，使得偏移电流 等于最高有效位电流 ()，此时输出模拟电压为0V。(MSB=Most Significant Bit)
- 有正有负，选定参考零点
- 输出电压：计算方式参考下面👇
四、D/A转换器的主要指标
- 分辨率 (Resolution)：
- DAC能分辨的最小输出电压增量 与 最大输出电压 之比，即,对于n位DAC:
- 位数越多，分辨率越高。由于分辨率的大小仅决定于输入数字量的位数。手册中常以位数n表示分辨率。
- 转换精度 (Conversion Accuracy)：
- 理想情况下，转换精度即为分辨率。
- 绝对转换精度：满刻度数字量输入时，模拟量输出接近理论值的程度。与标准电源精度、权电阻精度有关。
- 相对转换精度：满刻度校准后，整个刻度范围内，任一模拟量输出与理论值之差。反映DAC的线性度。
- 非线性误差 (Non-linearity Error)：
- 实际转换特性曲线与理想特性曲线之间的最大偏差，通常以相对于满量程的百分数表示。
- 一般要求非线性误差不大于 。
- 转换速率/建立时间 (Conversion Rate/Settling Time)：
- 建立时间：数字量从全“0”跳变为全“1”时，DAC的模拟输出电压达到某个规定精度范围（如90%满量程或 满量程）所需的时间。
五、集成D/A转换器DAC0832应用举例
器件特点与内部结构
- 特点：8位分辨率，与8位微机兼容，价格低，接口简单，R-2R T型电阻网络结构。
引脚和内部结构：
- ：数字量输入端。
- ：外接参考电压（可正可负）。
- ：电流输出端，需外接运算放大器进行I/V转换。
- 如图所示，红色的部分被集成在芯片内；引出两个电流输出脚；
- 需要外接运算放大器
- 内部包含：8位输入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换器。具有两级锁存功能。
- 控制信号： (片选), (第一级锁存器写使能), (锁存器使能控制), (第二级锁存器写使能), (数据传送控制)。
与8031单片机连接及工作方式
- 双缓冲同步方式：CPU的 口分时向两片DAC0832发送数字量，锁存在各自的输入锁存器中。
- 然后CPU同时向两片DAC发出转换控制信号，使数据打入DAC寄存器，实现同步转换输出。
两级缓冲的优势：尽管写入的速度有差别，但是可以实现同步输出
- I/V转换与双极性输出：采用两级运放。若 为正，第一级运放输出 ，第二级运放可配置输出如 的双极性电压。
6.2 模/数转换电路 (A/D Converter)
将连续变化的模拟量（信号）变换成数字量（数字信号）输出。
一、A/D转换的基本过程
基本思路：对连续变化的模拟量在一系列取定的时间瞬间进行取样，然后把该取样值用二进制数表示出来。
A/D转换过程一般包括四步：采样、保持、量化、编码
1. 采样定理和采样—保持电路 (Sample-and-Hold, S/H)
- 采样：在选定时间瞬间获取模拟信号值的过程。
- 采样—保持电路：用采样到的瞬时模拟电压给电容充电，电容断开之后进行保持，以供后续的量化和编码。基本电路由开关和保持电容 构成。
- 主要参数：
- 捕获时间 ()：从接到采样命令电容两端电压能在规定误差范围内跟踪输入信号的时间。
- 采样脉冲宽度必须大于 。
- 孔径时间 ()：又称断开延迟时间，指发出保持命令到开关真正断开的延迟。此间的输入信号变化会引入孔径误差。
- 保持电压下降 (Droop Rate)：保持期间，电容 电荷缓慢泄放导致输出电压下降的速率。
- 开关断开后，左侧没有放电回路
- 右边的输入电阻如果为无穷大，则可以减弱保持电压下降
NOTE THAT:
电容大小的选择是一个TRADE OFF
- 大，有利于保持，不利于跟踪（充电很慢）
- 小，有利于跟踪，不利于保持（漏电导致电压变化明显）
- 采样定理：为使采样后的信号不失真地再现原信号，采样频率 必须大于等于输入模拟信号最高频率 的两倍，即：
实际中常取：
- 具体S/H电路：可由两级接成电压跟随器的运放和电子开关组成，实现快速采样和良好保持特性。
- 应用说明：
- 保持电容 应选用低泄漏高质量电容（如聚苯乙烯电容）。
- 值需权衡跟踪速度与保持性能。
- 常用S/H芯片：AD582, LF398等。
2. 量化和编码 (Quantization and Encoding)
- 量化：将采样保持后的模拟值用某个最小单位（量化单位S）的整数倍来表示，并进行取整归并的过程。
- 量化方法：
- 舍尾取整法 (Truncation)：舍去不足一个量化单位的尾数。
- 若 ，则量化值 。
- 最大量化误差 。
- 量化单位 ，n为ADC位数，为采保后最大电压。
- 四舍五入量化法 (Rounding)：大于 的尾数进位，小于 的舍去。
- 最大量化误差 。
- 量化单位
- 编码：将量化后的值用二进制代码表示。
3. A/D转换器的主要类型
- 直接A/D转换器：
- 并行比较型ADC (Flash ADC)：速度最快。
- 反馈计数式ADC：速度慢。
- 逐次逼近型ADC (Successive Approximation ADC)：速度较快，应用广泛。
- 间接A/D转换器：
- 双积分式ADC (Dual-Slope Integrating ADC)：速度较慢，精度高，抗干扰性好。
- V/F式ADC：调制式ADC，先将电压转换为频率。
二、逐次逼近型A/D转换器
组成与转换原理
- 组成：采样保持器(S/H)、模拟比较器(C)、D/A转换器(DAC)、逐次逼近寄存器(SAR)、时钟脉冲(CP)和控制逻辑电路。
- 转换原理：通过逐次比较的反馈过程，从最高有效位(MSB)到最低有效位(LSB)逐位确定数字输出。
- 开始转换：SAR所有位清零。
- 最高位试探：SAR的MSB置1，其余位为0。此数字量送入DAC，其输出 (可能经偏移调整)与输入的模拟电压 (经S/H和可能的偏移 )比较。
- 比较与保持/复位：
- 若 ，则MSB保持为1。
- 若 ，则MSB复位为0。
- 次高位试探：SAR的次高位置1，已确定的高位保持不变，重复比较过程。
- 逐位确定：依次对每一位进行试探和比较，直到LSB确定。
- 转换结束：所有位确定后，SAR中的数字量即为A/D转换结果。
- 偏移 ：在比较器一端引入 (或从DAC输出减去 )，是为了使量化误差中心对称于0，减小整体量化误差，类似于实现四舍五入的效果。
- 转换时间：对于n位ADC，大约需要 n+1 或 n+2 个时钟周期。
主要特点
- 速度较快。
- 易于与微机连接。
- 转换精度取决于DAC位数、线性度、参考电压稳定性、比较器灵敏度等。可达 。
三、计数式A/D转换器
组成与原理
- 组成：比较器、计数器、D/A转换器、时钟源、控制逻辑。
- 原理：时钟脉冲驱动计数器从0开始计数，计数值送入DAC转换成模拟电压 。 与输入模拟电压 比较，当 时，停止计数，此时计数器的值即为转换结果。
优缺点
- 缺点：转换速度慢，且与输入电压大小有关。
四、并行比较型A/D转换器 (Flash ADC)
组成与原理
- 组成：由 个比较器、 个精密电阻构成的分压网络、一个编码器组成 (对于n位ADC)。
- 原理：输入模拟电压 同时与电阻分压网络上产生的一系列参考电压进行比较。所有低于 的参考电压对应的比较器输出高电平，其余输出低电平。这些比较器的输出通过编码器转换为n位二进制代码。
主要特点与输出
- 特点：转换速度极快（甚至是组合电路，不需要时钟脉冲），因为所有比较同时进行。但位数增加时，比较器数量 ()急剧增加，功耗和成本高。
- 三位输出函数式示例 (其中 为比较器输出经锁存后的状态)：
五、双积分式A/D转换器
这是一种间接A/D转换器。
基本原理与组成
- 原理：先将输入的模拟电压转换成一个与之成正比的时间间隔T，然后再将时间间隔T用固定的时钟脉冲计数，转换为数字量。
- 组成：积分器、过零比较器、计数器、控制逻辑、模拟开关。
详细工作过程与公式推导
- 初始化：计数器清零，积分电容放电。
- 第一次积分 (固定时间)：开关 接通输入模拟电压 。积分器对 进行积分，同时计数器从0开始对时钟脉冲CP计数。积分固定时间 (为计数器位数，为时钟周期)。
- 第二次积分 (固定斜率，反向积分至零)：计数器计满 个脉冲后溢出，开关 切换到负的参考电压 。积分器开始对 进行反向积分，其输出电压从 开始向变化。同时计数器重新开始计数。
- 转换结束：当积分器输出电压 回到0V时，过零比较器改变状态，使门电路G封锁，计数器停止计数。此时第二次积分的时间为 。
因此
- 数字输出：第二次积分期间计数器的计数值 。这个计数值D即为A/D转换的结果。
主要特点
- 抗干扰能力强，特别是对固定频率的噪声（如工频干扰，若 为工频周期的整数倍，则可完全消除）。
- 精度高，因为转换结果与积分器参数R、C以及时钟频率的绝对值无关（只要它们在转换期间稳定）。
- 转换速度较慢（主要缺点）
NOTE THAT:
从上述过程不难看出，双积分法能测量的模拟量的最大值就是
六、A/D转换器的主要技术指标与应用要点
1. 主要技术指标
- 分辨率 (Resolution)：能区分的最小输入模拟电压增量。对于n位ADC，若满刻度输入为 ，则分辨率约为 或
- 精度误差 (Accuracy Error)：输出数字量对应的实际模拟电压与理想电压值之差。包括量化误差、偏移误差、增益误差、非线性误差。
- 转换时间 (Conversion Time)：完成一次A/D转换所需的时间。
2. A/D转换器应用要点
- 位数选择：根据系统测控范围和精度要求综合考虑。
- 转换速度选择：根据采集对象变化率和实时性要求。
- 并行比较型：，用于高速系统。
- 逐次逼近型：，用于工业测控、音频等。
- 双积分式：，用于慢变信号检测，如温度、压力。
- 工作电压和参考电压选择：选择稳定、高精度的参考电压 对转换精度至关重要。
- 量程选择：根据输入信号范围选择单极性 (, ) 或双极性 (, ) 输入。
七、集成A/D转换器实例：ADC0809
器件特点与内部结构
- 特点：8位分辨率，逐次逼近型，内置8路模拟量输入与对应的3位地址位，CMOS工艺，转换时间约100μS，输入模拟电压0~5V。
- 内部框图与引脚：包含多路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、逐次逼近寄存器(SAR)、256电阻阶梯(DAC功能)、三态输出锁存器、控制与时序逻辑。
工作过程
- 模拟量输入通道选择：通过A, B, C三位地址线选通某一路模拟输入，ALE高电平锁存地址。
- A/D转换过程：START启动脉冲的上升沿清SAR，下降沿开始转换。通过逐次比较完成8位转换。
- 输出数字量：转换结束后，EOC (End of Conversion) 信号变为高电平。通过OE (Output Enable) 使能输出，转换结果送至数据总线。
典型应用
- 常与单片机（如8031）配合使用，由单片机提供地址、启动信号并读取转换结果。
