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。
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N D ＝(11001)B 转换为十进制数。
N D ＝b 4×24＋b 3×23＋b 2×22＋b 1×21＋b 0×20
汽车结构图＝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。
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=R
V R
i 3=21i=R
V R 2 i 2=21i 3=21R
V R 2 i 1=21i 2=221R
V R 2 i 0=
21i 1=321R V R 2 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中D 0~D 3表示四位二进制输入信号，D 3为高位，D 0为低位。V R 是基准电压。S 0~S 3是四个电子模拟开关的示意图，模拟开关S 0~S 3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i K 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S 0~S 3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i K 为：
K 33221100R R R R 3210233210R 32104111  2222222  (2222)2i i D i D i D i D V V V V D D D D R R R R V D D D D R =+++=+++=⨯+⨯+⨯+⨯
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u o 为：
u 0=-i k R f  =-42R V R
R F （D 3×23+D 2×22+D 1×21+D 0×20） 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
u 0=-n R V 2R
F R （D n-12n-1+D n-22n-2+…+D 121+D 020）                          （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
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，V R =15V ，R F =R ，求输出电压u 0的值
解  由公式（7-9）可得
u 0=-
42R V R F R （D 323+D 222+D 121+D 020）      =-42
15（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。
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
ILE 。输入寄存器的允许信号，高电平有效。ILE 信号和CS 、1WR 共同控制选通输入寄存器。当CS 、1WR 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。
CS 。片选信号，输入信号，低电平有效。当CS =0且ILE  =1，1WR =0时，才能将输入数据存入寄存器。若CS =1，输入寄存器内的数据被锁存。
1WR 。输入寄存器写信号1，低电平有效。在CS 和ILE 均有效的条件下，1WR =0允许写入输入数字信号
2WR 。输入寄存器写信号2，低电平有效。2WR =0且FER X 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。
FER X  。数据传送信号，低电平有效。用它来控制2WR 。
I OUTl 。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。
I OUT2。电流输出2。它与I OUTl 的关系是：I OUTI +I OUT2=常数
R fb 。内部反馈电阻引脚，该电阻在芯片内，R fb 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。
V REF 。参考电压输入端，可接正电压，也可接负电压，范围为-10V~+10V 。
V cc 。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=1
21 n  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 、