汽车电工电子技术学习情境7汽车数字电路任务4 汽车数字电路与模拟电路的转换.docx
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汽车电工电子技术学习情境7汽车数字电路任务4汽车数字电路与模拟电路的转换
任务7.4汽车模拟信号与数字信号的转换
7.4.1概述
随着数字技术的飞速发展,在现代控制、自动检测、科学实验、军事指挥等领域中,无不广泛地采用数字电子计算机技术。
这就需要首先将被处理的模拟信号转换为数字信号,送入计算机进行运算、处理;其次将处理的结果转换为模拟量并为执行机构所接收。
汽车在工作过程中,经常需要将传感器拾取的一些物理量如速度、温度、压力等模拟信号转换为汽车ECU(电控单元),才能控制驱动装置以实现对控制信号对象的控制。
将模拟量转换为数字量的过程称为模/数(AnalogtoDigital)转换,简称A/D转换。
实现A/D转换的电路被称之为模/数转换器,简称ADC。
把数字量转换为模拟量的过程称作数/模转换,简称D/A转换。
完成D/A转换的电路被称之为数/模转换器,简称DAC。
以上过程的控制框图如图7-36所示。
图7-36典型的数字控制系统
7.4.2D/A转换器
1.实现D/A转换的基本思想
将二进制数ND=(11001)B转换为十进制数。
ND=b4×24+b3×23+b2×22+b1×21+b0×20
=1×24+1×23+0×22+0×21+1×20
数字量是用代码按数位组合而成的,对于有权码,每位代码都有一定的权值,如能将每一位代码按其权的大小转换成相应的模拟量,然后,将这些模拟量相加,即可得到与数字量成正比的模拟量,从而实现数字量与模拟量的转换。
由于构成数字代码的每一位都有一定的“权重”,因此为了将数字量转换成模拟量,就必须将每一位代码按其“权重”转换成相应的模拟量,然后再将代表各位的模拟量相加,即可得到与该数字量成正比的模拟量,这就是构成D/A转换器的基本思想。
2.R—2RT型电阻D/A转换器
目前常用的D/A转换器中有R—2RT型电阻D/A转换器、权电阻D/A转换器、全电流D/A转换器、权电容D/A转换器以及开关树型D/A转换器等几种类型。
以R—2RT型电阻D/A转换器为例,说明其转换原理。
T型电阻网络的基本结构如图7-37所示。
图7-37T型电阻网络的基本结构图
图7-37为一个四级的T型网络。
电阻值为R和2R的电阻构成T型。
由图7-38中节点AA向右看的等效电阻值为R,而由BB,CC,DD各点向右看的等效电阻值也都是R,因此:
i=
i3=
i=
i2=
i3=
i1=
i2=
i0=
i1=
依此类推可推到n级。
如图7-38所示是T型网络D/A转换器。
图7-38T型网络D/A转换器
图7-38中D0~D3表示四位二进制输入信号,D3为高位,D0为低位。
VR是基准电压。
S0~S3是四个电子模拟开关的示意图,模拟开关S0~S3分别受信号控制:
当二进制代码为0时,电子开关合到上方接地的一侧;当二进制代码为1时,电子开关合到下方运算放大器输入的一侧,该支路的电流成为运放输入电流iK的一部分,通过运算放大器进而将电流信号转化为电压信号。
由图可知,因为求和放大器反相输入端的电位始终接近于零,所以无论开关S0~S3在何位置,都相当于接地,流过每个支路的电流也始终不变。
可以求出运算放大器的输入电流iK为:
图7-38中运放接成反相放大器的形式,又根据理想运放的“虚断”的特性,其输出电压uo为:
u0=-ikRf
=-
(D3×23+D2×22+D1×21+D0×20)
由此可见输出的模拟电压正比于输入的二进制数字信号。
以此类推,对于n位D/A转换器,则有
u0=-
(Dn-12n-1+Dn-22n-2+…+D121+D020)(7-9)
T型网络的输出也可以接至运算放大器的同相和反相两个输入端,如图7-39所示。
这种结构也称作倒T型电阻网络D/A转换器。
图7-39倒T型网络D/A转换器
T型(或倒T型)电阻网络的特点:
电阻网络中只有R、2R两种阻值的电阻,给集成电路的设计和制作带来了很大的方便,无论模拟开关状态如何变化,各支路电流都直接流入地或者运放的虚地,电流值始终不变,因此不需要电流的建立时间;同时,各支路电流直接接至运放的输入,它们之间不存在传输时间差。
所有这些特点都有助于T型电阻网络提高转换速度,T型电阻网络是目前D/A转换中使用较多的一种。
例7-1如图7-38所示电路中,若4位二进制数为1011,VR=15V,RF=R,求输出电压u0的值
解由公式(7-9)可得
u0=-
(D323+D222+D121+D020)
=-
(1×23+0×22+1×21+1×20)
=-10.3125V
3.常用的D/A转换芯片
D/A转换器的类型很多。
从输入电路来说,一般的D/A转换器都带有输入寄存器,与微机能直接连接;有的具有两极锁存器,使工作方式更加灵活。
输入数据一般为并行数据,也有串行数据。
并行输入的数据有8位、10位、12位等。
从输出信号来说,D/A转换器的直接输出是电流量,若片内有输出放大器,则能输出电压量,并能实现单极性或双极性电压输出。
D/A转换器的转换速度较快,一般其电流建立时间为1μs。
有些D/A转换器具有其它功能,如能输出多路模拟量、输出工业控制用的标准电流信号。
典型的D/A转换器如8位通用型DAC0832和12位的DAC1208,电压输出型的AD558和多路输出型AD7528。
DAC0832是8位分辨率的D/A转换集成芯片,它具有与微机连接简单、转换控制方便、价格低廉等特点,微机系统中得到广泛的应用。
如图7-40是集成DAC0832的实物。
图7-40集成DAC0832实物
DAC0832的管脚图如图7-44所示,结构框图如图7-45所示,它由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位DAC转换器及转换控制电路构成。
封装为20脚双列直插式。
DAC0832是美国国家半导体公司生产的8位D/A芯片,共有20个引脚,如图7-41所示。
DAC0832的结构框图如图7-42所示。
图7-41DAC0832的管脚图
图7-42DAC0832的结构框图
DAC0832主要引脚定义分别如下:
D7~D0。
8位数字量输入信号,其中D0为最低位,D7为最高位。
ILE。
输入寄存器的允许信号,高电平有效。
ILE信号和
、
共同控制选通输入寄存器。
当
、
均为低电平,而ILE为高电平时,输入数据立即被送至8位输入寄存器的输出端。
当上述三个控制信号中任一个无效时,输入寄存器将数据锁存,输出端呈保持状态。
。
片选信号,输入信号,低电平有效。
当
=0且ILE=1,
=0时,才能将输入数据存入寄存器。
若
=1,输入寄存器内的数据被锁存。
。
输入寄存器写信号1,低电平有效。
在
和ILE均有效的条件下,
=0允许写入输入数字信号
。
输入寄存器写信号2,低电平有效。
=0且
也为低电平时,用它将输入寄存器的数字量传到DAC寄存器,同时进入D/A转换器开始转换。
。
数据传送信号,低电平有效。
用它来控制
。
IOUTl。
电流输出1。
当DAC寄存器中全为“1”时,输出电流最大,当DAC寄存器中全为“0”时,输出电流最小。
IOUT2。
电流输出2。
它与IOUTl的关系是:
IOUTI+IOUT2=常数
Rfb。
内部反馈电阻引脚,该电阻在芯片内,Rfb端可以直接接到外部运算放大器的输出端。
这样,相当于将一个反馈电阻接在运算放大器的输入端和输出端。
VREF。
参考电压输入端,可接正电压,也可接负电压,范围为-10V~+10V。
Vcc。
芯片电源。
+5V~+15V,典型值为+15V。
AGND。
模拟地。
芯片模拟信号接地点。
DGND。
数字地。
芯片数字信号接地点。
4.D/A转换器的主要技术指标
(1)分辨率。
分辨率用来描述输出最小电压的能力。
它是指最小输出电压(对应的输入数字量仅最低位为1)与最大输出电压(对应的输入数字量各位全为1)之比。
即
分辨率=
式中n表示数字量的位数。
4位DAC的分辨率为0.067,8位DAC分辨率为0.0039。
可见。
位数越多,分辨率越小,分辨能力越强。
有时也直接用DAC的位数表示分辨率,如8位、10位。
2)转换精度。
转换精度是指输出模拟电压的实际值与理论值之差,即最大静态转换误差。
(3)输出电压(电流)的建立时间。
从输入数字信号起,到输出模拟电压(电流)达到稳定输出值所需要的时间。
10位或12位集成DAC的建立时间一般不超出1μs。
7.4.3A/D转换器
模/数转换器(ADC)可分为直接ADC和间接ADC两大类。
在直接ADC中,输入模拟信号直接被转换成相应的数字信号,如逐次逼近型ADC、并行比较ADC、计数型ADC等,其特点是工作速度快,转换精度容易保证。
在间接ADC中,输入模拟信号先被转换成某种中间变量(频率、时间等),然后再将中间变量转换为最后的数字量,如单次积分型ADC、双积分型ADC等,其特点是工资速度较低,但转换精度可以做得较高,抗干扰能力强,一般在测试仪表用得较多。
1.逐次逼近型A/D转换器
1)实现A/D转换的基本思想
逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似。
如图7-43所示。
mmin是砝码的质量,所用砝码重量为8克、4克、2克和1克。
mx是待测物体的质量,设mx=13克。
测量过程如表7-15所示。
图7-43实现A/D转换的基本思想的实例
表7-15测量过程
顺序
所加砝码质量
判断比较
结果
第一次
8克
砝码总重<待测重量mx,8克砝码保留
8克
第二次
再加4克
砝码总重仍<待测重量mx,4克砝码保留
12克
第三次
再加2克
砝码总重>待测重量mx,2克砝码撤除
12克
第四次
再加1克
砝码总重=待测重量mx,1克砝码保留
13克
2)逐次逼近型A/D转换器基本原理
将输入模拟信号与不同的参考电压进行多次比较,使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量,这就是逐次逼近型A/D转换器。
逐次逼近型A/D转换器基本电路结构框图如图7-44所示。
它由顺序脉冲发生器CP、逐渐逼近型寄存器、A/D转换器DAC和电压比较器四部分组成。
其基本原理如下。
(1)转换开始前先将所有寄存器清零。
(2)开始转换以后,时钟脉冲首先将寄存器最高位置成1,使输出数字为100…0。
(3)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uI>uo,说明数字过大了,故将最高位的1清除。
若uI<uo,说明数字还不够大,应将这一位保留。
(4)然后,再按同样的方式将次高位置成1,并且经过比较以后确定这个1是否应该保留。
这样逐位比较下去,一直到最低位为止。
(5)比较完毕后,寄存器中的状态就是所要求的数字量输出。
图7-44逐次逼近型A/D转换器的电路结构框图
如8位D/A转换器实现模拟电压4.80V相当于数字量123的A/D转换,具体过程如下。
(1)当出现启动脉冲时,逐次逼近寄存器清“0”;
(2)当第一个CP脉冲到来,逐次逼近寄存器最高位d7置“1”,8位D/A转换器输入为10000000B,输出u0为满度的一半5V,即满量值的128/255。
若u0>uI,比较器输出低电平,控制电路使逐次逼近寄存器最高位d7置“0”(反之,置“1”)。
(3)当第二个CP脉冲到来,逐次逼近寄存器d6位置“1”,D/A转换器的数字量输入为01000000B,输出电压为2.5V,u0 (4)第三个CP时钟脉冲来,又将d5位置“1”…… 重复上述过程直到d0位置“1”,再与输入比较。 其模数转换见表7-16所示。 表7-168位D/A转换器 设定试探值 输出电压u0 u0与uI的比较 结果 10000000 5.0 u0>uI,d7=0 0 01000000 2.5 u0<uI,d6=1 64 01100000 3.75 u0<uI,d5=1 64+32=96 01110000 4.375 u0<uI,d4=1 64+32+16=112 01111000 4.69 u0<uI,d3=1 64+32+16+8=120 01111100 4.84 u0>uI,d2=0 64+32+16+8=120 01111010 4.76 u0<uI,d1=1 64+32+16+8+2=122 01111011 4.80 u0<uI,d0=1 64+32+16+8+2+1=123 2.常用的ADC0808/0809芯片 A/D转换器的种类很多。 按转换原理分类,有逐次逼近式、双积分式、并行式等。 双积分转换精度高,转换时间长,大约需要几百毫秒。 并行式转换速度最高,能达到2G次,即转换时间仅50ns,但价格昂贵,产品的分辨率不高。 逐次逼近式兼顾了转换速度和转换精度,是应用广泛的A/D转换器。 逐次逼近式的种类很多,分辨率从8位到16位,转换时间从100μs到几微秒,精度有不同等级,有的转换器内部还常有多路模拟开关。 常用的几种A/D转换器有8位通用型ADC0808/0809、12位的AD574A和双积分型5G14433。 ADC0808/0809是8通道、8位逐次逼近式A/D转换器,美国NS公司产品。 其性能指标一般,价格低廉,便于与微机连接,因而应用十分广泛。 1)结构和转换原理 如图7-45所示为ADC0808/0809的结构框图。 ADC0808/0809由三部分组成: 8路模拟量选通开关、8位A/D转换器和三态输出数据锁存器。 图7-45ADC0808/0809的结构框图 ADC0808/0809允许8路模拟信号输入,由8路模拟开关选通其中一路信号,模拟开关受通道地址锁存和译码电路的控制。 当地址锁存信号ALE有效时,3位地址CBA进入地址锁存器,经译码后使8路模拟开关选通某一路信号。 8位A/D转换器为逐次逼近式,由256R电阻分压器、树状模拟开关(这两部分组成一个D/A变换器)、电压比较器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。 其基本工作原理是采用对分搜索方法逐次比较,找出最逼近于输入模拟量的数字量。 电阻分压器需外接正负基准电源VREF(+)和VREF(-)。 CLOCK端外接时钟信号。 A/D转换器的启动由START信号控制。 转换结束时控制电路将数字量送入三态输出锁存器锁存,并产生转换结束信号EOC。 三态门输出锁存器用来保存A/D转换结果,当输出允许信号OE有效时,打开三态门,输出A/D转换结果。 因输出有三态门,便于与微机总线连接。 2)引脚功能 图7-46所示为ADC0808/0809的引脚图。 各引脚功能说明如下。 (1)IN0~IN7。 IN0~IN7是8路模拟输入端。 (2)ALE。 地址锁存器允许信号输入端。 当它为高电平时,地址信号进入地址锁存器中。 (3)CLOCK。 CLOCK是外部时钟输入端。 时钟频率典型值为640kHz,允许范围为10~1280kHz。 时钟频率降低时,A/D转换速度也降低。 (4)START。 START是A/D转换信号输入端。 有效信号为一正脉冲。 在脉冲上升沿,A/D转换器内部寄存器均被清零,在其下降沿开始A/D转换。 图7-46ADC0808/0809的引脚图 (5)EOC。 EOC是A/D转换结束信号。 在START信号上升沿之后1到8个时钟周期内,EOC变为低电平,标志着转换器正在进行转换。 当A/D转换结束后,EOC立即输出一正阶跃信号,可用来作为A/D转换结束的查询信号或中断请求信号。 (6)OE。 OE是输出允许信号。 当OE输入高电平信号时,三态输出锁存器将A/D转换结果输出。 (7)D0~D7。 D0~D是数字量输出端。 D0为最低有效位(LSB),D7为最高有效位(MSB)。 (8)REF(+)、REF(-)。 正负基准电压输入端。 基准电压的中心值为 (应接近于 ),其偏差值不应超过±0.1V。 正负基准电压的典型值分别为+5V和0V。 (9)ADDA、ADDB、ADDC。 模拟输入通道的地址选择线。 如表7-17所示。 表7-17模拟通道选择 ADDC ADDB ADDA 选中模拟通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 (10)VCC。 VCC是电源电压输入端。 (11)GND。 GND数字地。 3.ADC的主要参数 (1)分辨率。 所能分辨的输入模拟量的最小值。 常以输出二进制的位数表示,如8位、10位。 位数越多,量化误差越小,转换精度越高。 (2)转换速度。 指完成一次A/D转换所需的时间,即从接到转换信号到输出端得到稳定数字量输出所需要的时间。 (3)相对精度。 指实际转换值和理想特性之间的最大偏差。 其他参数在使用时可查阅有关手册。 想一想 在DAC转换器中有寄存器,前面已经学过了寄存器,请再复习一下寄存器的内容。 探究 1.能否找到图7-40集成DAC0832实物,看看它的管脚,了解管脚功能以及它还有什么作用? 2.汽车上的点火信号输出采用了数字信号,请你想一想如何采用试灯将这一信号反映出来?
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