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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