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数模转换器
来源:深圳市赛亿科技开发有限公司作者:日期:2017-12-20 15:04:36点击:244次
模数转换器即A/D转换器,或简称ADC,通常是指一个将模拟信号转变为数字信号的电子元件。通常的模数转换器是把经过与标准量比较处理后的模拟量转换成以二进制数值表示的离散信号的转换器。故任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准,比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小。而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。
 
中文名 简称 模数转换器 输出最小电压
数模转换器 DAC A/D转换器 -12V
 
 
目录
 
1、数模转换器的基本原理
2、数模转换器的构成
3、数模转换器的主要参数
4、数模转换器的主要技术指标
5、数模转换器的分类及特点
6、数模转换器的应用
7、数模转换器的基本要求
8、模数转换器如何工作?
9、数模转换器的选用
10、数模转换器的常见方式

 
数模转换器的基本原理:
将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量,然后将代表各位的模拟量相加,所得的总模拟量就与数字量成正比,这样便实现了从数字量到模拟量的转换。
 
为二进制数按位权转换成的十进制数值。
数模转换器的构成:
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。
数模转换器的主要参数:
3.1.分辨率
D/A转换器的分辨率用最小分辨电压 VLSB和满量程输出电压VFSV的比值来表示
3.2.转换精度
在 D/A 转换器中,一般用转换误差来描述转换精度。由于 D/A 转换器的各个环节在参数和性能上与理论值之间不可避免地存在着差异,因此,D/A 转换器的实际输出电压与理想输出电压值之间并不完全一致。D/A 转换器的转换误差是指在稳态工作时,实际模拟输出值和理想输出值之间的最大偏差。转换误差一般用最低有效位的倍数决定。
偏移误差是指 D/A 转换器输出模拟量的实际起始数值与理想起始数值之差,一般由运算放大器的零点漂移引起,在设计D/A转换电路时,为了减少偏移误差,应选用低漂移的运算放大器。
3.3.转换速度
D/A 转换器的转换速度通常用建立时间 tset来描述。建立时间 tset 指从输入数据改变到输出进入规定的误差范围(一般为±1/2LSB)所需的最大时间。因为输入数字量变化越大,建立时间越长,所以,数据手册中一般给出从全 0 到全1 时的建立时间。普通 D/A 转换器的建立时间为几到几百微秒,如 AD7520 的 建立时间为 1μs;高速 D/A 转换器的建立时间小于几微秒,如 AD9708 的建立时间为 35ns。
 
数模转换器的主要技术指标:
4.1.分辩率(Resolution) 指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量,定义为满刻度与2n的比值。分辩率又称精度,通常以数字信号的位数来表示。
4.2. 转换速率(Conversion Rate)是指完成一次从模拟转换到数字的AD转换所需的时间的倒数。积分型AD的转换时间是毫秒级属低速AD,逐次比 较型AD是微秒级属中速AD,全并行/串并行型AD可达到纳秒级。采样时间则是另外一个概念,是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完成,采样速率 (Sample Rate)必须小于或等于转换速率。因此有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的。常用单位是ksps和Msps,表 示每秒采样千/百万次(kilo / Million Samples per Second)。
4.3.量化误差 (Quantizing Error) 由于AD的有限分辩率而引起的误差,即有限分辩率AD的阶梯状转移特性曲线与无限分辩率AD(理想AD)的转移特 性曲线(直线)之间的最大偏差。通常是1 个或半个最小数字量的模拟变化量,表示为1LSB、1/2LSB。
4.4.偏移误差(Offset Error) 输入信号为零时输出信号不为零的值,可外接电位器调至最小。
4.5.满刻度误差(Full Scale Error) 满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。
4.6.线性度(Linearity) 实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移,不包括以上三种误差。
其他指标还有:绝对精度(Absolute Accuracy) ,相对精度(Relative Accuracy),微分非线性,单调性和无错码,总谐波失真(Total Harmonic Distotortion缩写THD)和积分非线性。
 
数模转换器的分类及特点:
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、R-2R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。
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。R-2R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。
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。
数模转换器的应用:
D/A 转换器在电子系统中应用极为广泛,除了在微机系统中将数字量转化为模拟量典型应用之外,还常用于波形生成、各种数字式的可编程应用。
6.1.波形发生器
6.2.数控直流稳压电源
6.3.数字式可编程增益控制电路
 
数模转换器的基本要求:
数模转换有两种转换方式:并行数模转换和串行数模转换。
并行数模转换器,数码操作开关和电阻网络是基本部件。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 2 /2 =1/8;第2位是2 /2 =1/4;第3位是2 /2 =1/2。位数多的依次类推。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1/2 =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。
 
 
模数转换器如何工作?
模数转换一般要经过采样、保持和量化、编码这几个步骤。下面我们以∑-△A/D转换器为例来简单介绍一下其工作原理。∑-△A/D转换器的工作原理,就是将初次转换后的数字信号再做信号除噪处理。
总体来说,∑-△A/D转换器有两大部分,模拟部分和数字部分,模拟部分是一个∑-△调制器,主要使采用过采样技术采样后信号经过调制器,使量化噪声分布更广,并且输出一位一位的数据位流,数字部分是一个数字滤波器,它对模拟部分输出的数字量进行除噪处理,滤除大部分的量化噪声,并对调制器的输出降频至奈奎斯特频率和进行进一步的量化,最终得到输出结果。
 
数模转换器的选用:
9.1. 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。
9.2. 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。 
9.3. 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。
 
数模转换器的常见方式
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。