模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的測控系統(tǒng)-

1、概述一般來說，自然界中存在的物理量大都是連續(xù)變化的物理量，如溫度、時間、角度、速度、流量、壓力等。由于數(shù)字電子技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是計算機在控制、檢測以及許多其他領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，用數(shù)字電路處理模擬信號的情況非常普遍。這就需要將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，這種轉(zhuǎn)換稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換，用 AD 表示（ Analog to Digital ）；而將數(shù)字信號變換為模擬信號叫做數(shù)模轉(zhuǎn)換，用 DA 表示（ Digital to Analog ）。帶有模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的測控系統(tǒng)大致可用圖 7.1 所示的框圖表示。功執(zhí)傳放率A/D數(shù)字D/A行感大放部轉(zhuǎn)換器電路轉(zhuǎn)換器器器大件器一般測控系統(tǒng)框圖圖中模擬信號由傳感器轉(zhuǎn)換為電

2、信號，經(jīng)放大送入 AD 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量， 由數(shù)字電路進行處理， 再由 DA 轉(zhuǎn)換器還原為模擬量，去驅(qū)動執(zhí)行部件。 圖中將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的裝置稱為 AD轉(zhuǎn)換器，簡寫為 ADC （Analog to DigitalConverter ）；把實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路稱為 DA 轉(zhuǎn)換器，簡寫為DAC （ Digital to Analog Converter）。為了保證數(shù)據(jù)處理結(jié)果的準(zhǔn)確性，AD 轉(zhuǎn)換器和 DA 轉(zhuǎn)換器必須有足夠的轉(zhuǎn)換精度。同時，為了適應(yīng)快速過程的控制和檢測的需要，AD 轉(zhuǎn)換器和 DA 轉(zhuǎn)換器還必須有足夠快的轉(zhuǎn)換速度。因此，轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度乃是衡量AD 轉(zhuǎn)換器和 DA 轉(zhuǎn)換器性能優(yōu)

3、劣的主要標(biāo)志。模塊一： DA 轉(zhuǎn)換器設(shè)計方案數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合起來表示的，對于有權(quán)碼，每位代碼都有一定的權(quán)。為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，必須將每1 位的代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將這些模擬量相加， 即可得到與數(shù)字量成正比的總模擬量，從而實現(xiàn)了數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換。這就是構(gòu)成 D/A 轉(zhuǎn)換器的基本思路。圖 1 是 D/A 轉(zhuǎn)換器的輸入、 輸出關(guān)系框圖， D 0 Dn-1 是輸入的 n 位二進制數(shù)， vo 是與輸入二進制數(shù)成比例的輸出電壓。圖 1流程圖如：方案1:倒 T 形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器在單片集成D/A轉(zhuǎn)換器中，使用最多的是倒T 形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器。倒 T 型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換

4、器是采用R 2R 兩種電阻構(gòu)成電阻網(wǎng)絡(luò)，其基本思想是根據(jù)逐級分流傳遞原理和線性疊加原理。基準(zhǔn)電流I=Uref/R經(jīng)過倒T 形電阻網(wǎng)絡(luò)逐級分流，每級電流是前一級的1/2。這樣，每級電流就可以分別代表二進制數(shù)各位的權(quán)值。最高位權(quán)值對應(yīng)支路電流I/2 只經(jīng)過一次分流，次高位權(quán)值對應(yīng)支路電流I/4 只經(jīng)過兩次分流，其他各位權(quán)值對應(yīng)支路電流分流關(guān)系以此類推?？傒敵鲭娏髦凳歉髦冯娏鞯木€性疊加。其輸入為 8 位二進制數(shù)D(di), 輸出為模擬電壓量。S0 S7 為模擬開關(guān)，R2R電阻解碼網(wǎng)絡(luò)呈倒T 形，運算放大器A 構(gòu)成求和電路。Si由輸入數(shù)碼D i 控制，當(dāng) D i=1 時， Si 接運放反相輸入端（

5、“虛地”）， Ii 流入求和電路；當(dāng) Di=0 時， Si 將電阻 2R 接地。無論模擬開關(guān)Si 處于何種位置，與Si 相連的 2R 電阻均等效接“地” （地或虛地） 。這樣流經(jīng) 2R 電阻的電流與開關(guān)位置無關(guān)，為確定值。分析 R2R 電阻解碼網(wǎng)絡(luò)不難發(fā)現(xiàn)，從每個接點向左看的二端網(wǎng)絡(luò)等效電阻均為R，流入每個2R 電阻的電流從高位到低位按2 的整倍數(shù)遞減。設(shè)由基準(zhǔn)電壓源提供的總電流為I（ I=VREF/R），則流過各開關(guān)支路（從右到左）的電流分別為I/2、I/4、I /8、I/16、 I/32 、I/64I/128 、I/256 。八位倒 T 形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A 轉(zhuǎn)換器的原理圖如圖2 所示圖 2

6、倒 T 形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A 轉(zhuǎn)換器要使 D/A 轉(zhuǎn)換器具有較高的精度，對電路中的參數(shù)有以下要求：（ 1）基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定性好； （ 2）倒 T 形電阻網(wǎng)絡(luò)中R 和 2R 電阻的比值精度要高；（ 3）每個模擬開關(guān)的開關(guān)電壓降要相等。為實現(xiàn)電流從高位到低位按2 的整倍數(shù)遞減，模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻也相應(yīng)地按2 的整倍數(shù)遞增。由于在倒T 形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A 轉(zhuǎn)換器中，各支路電流直接流入運算放大器的輸入端，它們之間不存在傳輸上的時間差。電路的這一特點不僅提高了轉(zhuǎn)換速度，而且也減少了動態(tài)過程中輸出端可能出現(xiàn)的尖脈沖。它是目前廣泛使用的D/A轉(zhuǎn)換器中速度較快的一種。常用的CMOS 開關(guān)倒 T 形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A 轉(zhuǎn)換器

7、的集成電路有AD7520 （ 10 位）、DAC1210 （12 位）和 AK7546 （16 位高精度）等。方案二權(quán)電流型 D/A 轉(zhuǎn)換器盡管倒 T 形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A 轉(zhuǎn)換器具有較高的轉(zhuǎn)換速度，但由于電路中存在模擬開關(guān)電壓降，當(dāng)流過各支路的電流稍有變化時，就會產(chǎn)生轉(zhuǎn)換誤差。為進一步提高D/A 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度，可采用權(quán)電流型D/A 轉(zhuǎn)換器。1原理電路如圖3 所示：這組恒流源從高位到低位電流的大小依次為I/2、I /4、I/8、I/16、I/32、I/64 、I/128 、I/256 。圖 3 權(quán)電流型 D/A 轉(zhuǎn)換器的原理電路當(dāng)輸入數(shù)字量的某一位代碼D i=1 時，開關(guān)Si 接運算放大器的反相輸入端，相應(yīng)的權(quán)電流流入求和電路；當(dāng)D i=0 時，開關(guān)Si 接地。采用了恒流源電路之后，各支路權(quán)電流的大小均不受開關(guān)導(dǎo)通