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数模转换器

数模转换器,又称D/A转换器,简称DAC,它是把数字量转变成模拟的器件。D/A转换器基本上由4个部分组成,即权电阻网络、运算放大器、基准电源和模拟开关。模数转换器中一般都要用到数模转换器,模数转换器即A/D转换器,简称ADC,它是把连续的模拟信号转变为离散的数字信号的器件。

一种将二进制数字量形式的离散信号转换成以标准量(或参考量)为基准的模拟量的转换器,简称 DAC

或D/A 转换器。

最常见的数模转换器是将并行二进制的数字量转换为直流电压或直流电流,它常用作过程控制计算机系统的输出通道,与执行器相连,实现对生产过程的自动控制。数模转换器电路还用在利用反馈技术的模数转换器设计中。

DAC主要由数字寄存器、模拟电子开关、位权网络、求和运算放大器和基准电压源(或恒流源)组成。用存于数字寄存器的数字量的各位数码,分别控制对应位的模拟电子开关,使数码为1的位在位权网络上产生与其位权成正比的电流值,再由运算放大器对各电流值求和,并转换成电压值 [1]

根据位权网络的不同,可以构成不同类型的DAC,如权电阻网络DAC、R2R倒T形电阻网络DAC和单值电流型网络DAC等。权电阻网络DAC的转换精度取决于基准电压VREF,以及模拟电子开关、运算放大器和各权电阻值的精度。它的缺点是各权电阻的阻值都不相同,位数多时,其阻值相差甚远,这给保证精度带来很大困难,特别是对于集成电路的制作很不利,因此在集成的DAC中很少单独使用该电路 [1]

它由若干个相同的R、2R网络节组成,每节对应于一个输入位。节与节之间串接成倒T形网络。R2R倒T形电阻网络DAC是工作速度较快、应用较多的一种。和权电阻网络比较,由于它只有R、2R两种阻值,从而克服了权电阻阻值多,且阻值差别大的缺点 [1]

电流型DAC则是将恒流源切换到电阻网络中,恒流源内阻极大,相当于开路,所以连同电子开关在内,对它的转换精度影响都比较小,又因电子开关大多采用非饱和型的ECL开关电路,使这种DAC可以实现高速转换,转换精度较高 [1]

模拟信号在时域上是连续的,因此可以将它转换为时间上连续的一系列数字信号。这样就要求定义一个参数来表示新的数字信号采样自模拟信号速率。这个速率称为转换器的采样率(samplingrate)或采样频率(samplingfrequency) [2]

可以采集连续变化、带宽受限的信号(即每隔一时间测量并存储一个信号值),然后可以通过插值将转换后的离散信号还原为原始信号。这一过程的精确度受量化误差的限制。然而,仅当采样率比信号频率的两倍还高的情况下才可能达到对原始信号的忠实还原,这一规律在采样定理有所体现 [2]

由于实际使用的模拟数字转换器不能进行完全实时的转换,所以对输入信号进行一次转换的过程中必须通过一些外加方法使之保持恒定。常用的有采样-保持电路,在大多数的情况里,通过使用一个电容器可以存储输入的模拟电压,并通过开关或门电路来闭合、断开这个电容和输入信号的连接。许多模拟数字转换集成电路在内部就已经包含了这样的采样-保持子系统 [2]

1.高端仪表促进了更快的ADC速度和更多的通道数与密度,设计者必须评估转换器的输出格式,以及基本的转换性能 [2]

2.主要的输出选项是CMOS(互补金属氧化物半导体)、LVDS(低压差分信令),以及CML(电流模式逻辑) [2]

3.要考虑的问题包括:功耗、瞬变、数据与时钟的变形,以及对噪声的抑制能力 [2]

4.对于布局的考虑也是转换输出选择中的一个方面,尤其当采用LVDS技术时。 当设计者有多种ADC选择时,他们必须考虑采用哪种类型的数字数据输出:CMOS(互补金属氧化物半导体)、LVDS(低压差分信令),还是CML(电流模式逻辑)。ADC中所采用的每种数字输出类型都各有优缺点,设计者应结合自己的应用来考虑。这些因素取决于ADC的采样速率与分辨率、输出数据速率,以及系统设计的功率要求,等等 [2]

D/A转换器的主要特性指标包括以下几方面:

指最小输出电压(对应的输入数字量只有最低有效位为“1”)与最大输出电压(对应的输入数字量所有有效位全为“1”)之比。如N位D/A转换器,其分辨率为1/(2^N-1)。在实际使用中,表示分辨率大小的方法也用输入数字量的位数来表示。

用非线性误差的大小表示D/A转换的线性度。并且把理想的输入输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数定义为非线性误差。

D/A转换器的转换精度与D/A转换器的集成芯片的结构和接口电路配置有关。如果不考虑其他D/A转换误差时,D/A的转换精度就是分辨率的大小,因此要获得高精度的D/A转换结果,首先要保证选择有足够分辨率的D/A转换器。同时D/A转换精度还与外接电路的配置有关,当外部电路器件或电源误差较大时,会造成较大的D/A转换误差,当这些误差超过一定程度时,D/A转换就产生错误。

在D/A转换过程中,影响转换精度的主要因素有失调误差、增益误差、非线性误差和微分非线性误差。

转换速度一般由建立时间决定。从输入由全0突变为全1时开始,到输出电压稳定在FSR±LSB范围(或以FSR±x%FSR指明范围)内为止,这段时间称为建立时间,它是DAC的最大响应时间,所以用它衡量转换速度的快慢 [1]

在满刻度输出的条件下,温度每升高1℃,输出变化的百分数定义为温度系数。

对于高质量的D/A转换器,要求开关电路及运算放大器所用的电源电压发生变化时,对输出电压影响极小。通常把满量程电压变化的百分数与电源电压变化的百分数之比称为电源抑制比。

一般情况下,影响D/A转换精度的主要环境和工作条件因素是温度和电源电压变化。由于工作温度会对运算放大器加权电阻网络等产生影响,所以只有在一定的工作范围内才能保证额定精度指标。

较好的D/A转换器的工作温度范围在-40℃~85℃之间,较差的D/A转换器的工作温度范围在0℃~70℃之间。多数器件其静、动态指标均

在25℃的工作温度下测得的,工作温度对各项精度指标的影响用温度系数来描述,如失调温度系数、增益温度系数、微分线性误差温度系数等。

失调误差(或称零点误差)定义为数字输入全为0码时,其模拟输出值与理想输出值之偏差值。对于单极性D/A转换,模拟输出的理想值为零伏点。对于双极性D/A转换,理想值为负域满量程。偏差值的大小一般用LSB的份数或用偏差值相对满量程的百分数来表示。

D/A转换器的输入与输出传递特性曲线的斜率称为D/A转换增益或标度系数,实际转换的增益与理想增益之间的偏差称为增益误差(或称标度误差)。增益误差在消除失调误差后用满码。

输入时其输出值与理想输出值(满量程)之间的偏差表示,一般也用LSB的份数或用偏差值相对满量程的百分数来表示。

D/A转换器的非线性误差定义为实际转换特性曲线与理想特性曲线之间的最大偏差,并以该偏差相对于满量程的百分数度量。在转换器电路设计中,一般要求非线性误差不大于±1/2LSB。

数模转换有两种转换方式:并行数模转换和串行数模转换。图1为典型的并行数模转换器的结构。虚线框内的数码操作开关和电阻网络是基本部件。图中装置通过一个模拟量参考电压和一个电阻梯形网络产生以参考量为基准的分数值的权电流或权电压;而用由数码输入量控制的一组开关决定哪一些电流或电压相加起来形成输出量。所谓“权”,就是二进制数的每一位所代表的值。例如三位二进制数“111“,右边第1位的“权”是 20/23=1/8;第2位是21/23=1/4;第3位是22/23=1/2。位数多的依次类推。图2为这种三位数模转换器的基本电路,参考电压VREF在R1、R2、R3中产生二进制权电流,电流通过开关。当该位的值是“0”时,与地接通;当该位的值是“1”时,与输出相加母线接通。几路电流之和经过反馈电阻Rf产生输出电压。电压极性与参考量相反。输入端的数字量每变化1,仅引起输出相对量变化1/23=1/8,此值称为数模转换器的分辨率。位数越多分辨率就越高,转换的精度也越高。工业自动控制系统采用的数模转换器大多是10位、12位,转换精度达0.5~0.1%。

串行数模转换是将数字量转换成脉冲序列的数目,一个脉冲相当于数字量的一个单位,然后将每个脉冲变为单位模拟量,并将所有的单位模拟量相加,就得到与数字量成正比的模拟量输出,从而实现数字量与模拟量的转换。

随着数字技术,特别是计算机技术的飞速发展与普及,在现代控制、通信及检测等领域,为了提高系统的性能指标,对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。由于系统的实际对象往往都是一些模拟量(如温度、压力、位移、图像等),要使计算机或数字仪表能识别、处理这些信号,必须首先将这些模拟信号转换成数字信号;而经计算机分析、处理后输出的数字量也往往需要将其转换为相应模拟信号才能为执行机构所接受。这样,就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路--模数和数模转换器。

将模拟信号转换成数字信号的电路,称为模数转换器(简称A/D转换器或ADC,Analog to Digital Converter);将数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器(简称D/A转换器或DAC,Digital to Analog Converter);A/D转换器和D/A转换器已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。

为确保系统处理结果的精确度,A/D转换器和D/A转换器必须具有足够的转换精度;如果要实现快速变化信号的实时控制与检测,A/D与D/A转换器还要求具有较高的转换速度。转换精度与转换速度是衡量A/D与D/A转换器的重要技术指标。 随着集成技术的发展,现已研制和生产出许多单片的和混合集成型的A/D和D/A转换器,它们具有愈来愈先进的技术指标。本章将介绍几种常用A/D与D/A转换器的电路结构、工作原理及其应用。

数字量是用代码按数位组合起来表示的,对于有权码,每位代码都有一定的位权。为了将数字量转换成模拟量,必须将每1位的代码按其位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总模拟量,从而实现了数字模拟转换。这就是组成D/A转换器的基本指导思想。

图11.1.1表示了4位二进制数字量与经过D/A转换后输出的电压模拟量之间的对应关系。 由图11.1.1还可看出,两个相邻数码转换出的电压值是不连续的,两者的电压差由最低码位代表的位权值决定。它是信息所能分辨的最小量,也就是我们所说的用1LSB(Least Significant Bit)表示。对应于最大输入数字量的最大电压输出值(绝对值),用FSR(Full Scale Range)表示。

D/A转换器由数码寄存器、模拟电子开关电路、解码网络、求和电路及基准电压几部分组成。数字量以串行或并行方式输入、存储于数码寄存器中,数字寄存器输出的各位数码,分别控制对应位的模拟电子开关,使数码为1的位在位权网络上产生与其权值成正比的电流值,再由求和电路将各种权值相加,即得到数字量对应的模拟量。

按解码网络结构不同

T型电阻网络D/A转换器

倒T型电阻网络D/A转换器权电流D/A转换器

权电阻网络D/A转换器

按模拟电子开关电路的不同

CMOS开关型D/A转换器(速度要求不高)

双极型开关D/A转换器 电流开关型(速度要求较高)

ECL电流开关型(转换速度更高)

如果CCD的质量能够满足一定色彩位数的要求,为了获得相应的输出效果,就要求有相应位数的数模转换实现数据采样,才能获得满意的效果,如果CCD可以实现36位精度,却使用了三个8位的数模转换器,结果输出出来就只剩下24位的数据精度了,这对于CCD是一种浪费,而如果使用三个16位的数模转换器,是实现了48位的数据输出,但效果与36位比较并无改善,对数模转换器就是一种浪费了。

1. 数模转换器是将数字信号转换为模拟信号的系统,一般用低通滤波即可以实现。数字信号先进行解码,即把数字码转换成与之对应的电平,形成阶梯状信号,然后进行低通滤波。

根据信号与系统的理论,数字阶梯状信号可以看作理想冲激采样信号和矩形脉冲信号的卷积,那么由卷积定理,数字信号的频谱就是冲激采样信号的频谱与矩形脉冲频谱(即Sa函数)的乘积。这样,用Sa函数的倒数作为频谱特性补偿,由数字信号便可恢复为采样信号。由采样定理,采样信号的频谱经理想低通滤波便得到原来模拟信号的频谱。

一般实现时,不是直接依据这些原理,因为尖锐的采样信号很难获得,因此,这两次滤波(Sa函数和理想低通)可以合并(级联),并且由于这各系统的滤波特性是物理不可实现的,所以在真实的系统中只能近似完成。

2. 模数转换器是将模拟信号转换成数字信号的系统,是一个滤波、采样保持和编码的过程。

模拟信号经带限滤波,采样保持电路,变为阶梯形状信号,然后通过编码器,

使得阶梯状信号中的各个电平变为二进制码。

3. 比较器是将两个相差不是很小的电压进行比较的系统。最简单的比较器就是运算放大器。

我们知道,运算放大器在连有深度负反馈的条件下,会在线性区工作,有着增益很大的放大特性,在计算时往往认为它放大的倍数是无穷大。而在没有反馈的条件下,运算放大器在线性区的输入动态范围很小,即两个输入电压有一定差距就会使运算放大器达到饱和。如果同相端电压较大,则输出最大电压,一般是+12V;如果反相端电压较大,则输出最小电压,一般是-12V。这样,就实现了电压比较功能。

真正的电压比较器还会增加一些外围辅助电路,加强性能。


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