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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(Analog to Digital)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 7.4.2 D/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—2R T型电阻D/A转换器
目前常用的D/A转换器中有R—2R T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—2R T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7-37 T型电阻网络的基本结构图 图7-40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7-38 T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
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