模 - 數(shù)轉(zhuǎn)換器與數(shù) - 模轉(zhuǎn)換器

第十一章模/數(shù)轉(zhuǎn)換器與數(shù)/模轉(zhuǎn)換器

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)、離散系統(tǒng)，而我們生活的外部世界是一個(gè)模擬系統(tǒng)。為使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠了解外部世界，對外部事物進(jìn)行處理，就必須有一個(gè)將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的接口，這就是常說的A/D和D/A。

雖然模擬量是無限可分的、連續(xù)的，數(shù)字量是離散的，數(shù)字量永遠(yuǎn)也不能精確地描述模擬量，但由于我們對客觀世界的了解、描述并不總需要極高的精度，所以選擇適當(dāng)精度的數(shù)字量來描述模擬量是完全夠用的。本章將簡單介紹D/A轉(zhuǎn)換器和A/D轉(zhuǎn)換器的幾種主要形式。

第一節(jié)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（Digital/AnalogConverter）

D/A轉(zhuǎn)換器的作用是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬量。例如：對于0~5V的直流電壓，計(jì)算機(jī)用8位數(shù)字量來描述時(shí)：最小值（00000000）B=0對應(yīng)0V，

最大值（11111111）B=255對應(yīng)5V，

中間值（01111111）B=127對應(yīng)2.5V

等等。

D/A的任務(wù)是接收到一個(gè)數(shù)字量后，給出一個(gè)相應(yīng)的電壓。比如收到（00111111）B，應(yīng)給出幅度為1.25V

的電壓。

一、D/A轉(zhuǎn)換電路要實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換，有很多種電路形式，下面我們介紹幾種。

1、權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換器

自然二進(jìn)制數(shù)字每位的權(quán)重是不同的（2n），對整個(gè)數(shù)值大小的影響也是不同的。權(quán)電阻D/A將這種權(quán)重的不同，對應(yīng)成電阻阻值的不同，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)/模轉(zhuǎn)換。

電阻種類多，比例嚴(yán)格

2、R-2RT型D/A轉(zhuǎn)換器（電阻較多，延遲、尖峰）

前一種方法電阻種類太多，數(shù)值還要準(zhǔn)確，現(xiàn)在我們介紹的D/A只需要兩種阻值的電阻，制作起來會容易些。

3、R-2R倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A

這是一種常用的D/A電路，其特點(diǎn)是各支路電流直接流入運(yùn)放，無延遲，且無論數(shù)值如何變化，總電流不變。沒有尖峰電流。開關(guān)接左接右都是接地，支路電流不變。

二、D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)

轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度是D/A的兩個(gè)主要指標(biāo)。

1、D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度關(guān)于精度有兩個(gè)概念：

分辨率：指轉(zhuǎn)換器理論上可以達(dá)到的精度。通常用所用二進(jìn)制的位數(shù)表示，如：8位、10位、12位等。也可以用最小非零值與最大值之比表示：如10位D/A的分辨率為：1/（210-1）=0.001即約千分之一。

轉(zhuǎn)換誤差：D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際能夠達(dá)到的轉(zhuǎn)換精度。由于參考電壓VREF的波動、運(yùn)放的零點(diǎn)漂移、線路上的導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通壓降、電阻網(wǎng)絡(luò)的阻值誤差，實(shí)際的精度要低于分辨率。轉(zhuǎn)換誤差常以最低有效位對應(yīng)電壓值（LSB）作參考，表示為1/2LSB、1LSB，其中1LSB表示誤差大小與000.....0001對應(yīng)的輸出值相等。1/2LSB則為其值的一半。轉(zhuǎn)換誤差也可以用它相當(dāng)于滿度輸出值的百分比來表示。誤差值

轉(zhuǎn)換誤差=————————*100%滿度輸出值

誤差值=輸入滿刻度數(shù)字量時(shí)的輸出—理論滿度值

2、D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度

手冊中通常給出建立時(shí)間ts這一指標(biāo)，它表示在最惡劣情況下（輸入從全0變?yōu)槿?，或從全1變?yōu)槿?），輸出達(dá)到某一接近程度（如0.2%）所需要的時(shí)間。通常建立時(shí)間在100ns~幾十s之間，有的廠家給出的高速D/A指標(biāo)可達(dá)1ns一下，一般100ns就算轉(zhuǎn)換速度比較快了。

第二節(jié)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）

A/D的作用是將模擬信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)值，在這個(gè)過程中，肯定會有損失、有失真，因?yàn)樵谶@一過程中，要經(jīng)歷對時(shí)間的離散化——采樣、對幅度的離散化——量化。為了保證采樣時(shí)輸入電壓的穩(wěn)定，有時(shí)要用采樣保持器（簡稱采保）。最后對量化的結(jié)果（最小單位的倍數(shù)）進(jìn)行編碼——輸出數(shù)據(jù)。

一、A/D轉(zhuǎn)換器電路

A/D轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換方式上，可分為兩大類：

間接法——先將模擬輸入信號轉(zhuǎn)換成時(shí)間T或頻率F，然后再將中間量T或F轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。

特點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度慢，精度可以做得較高，抗干擾能力強(qiáng)。例如數(shù)字萬用表中的A/D芯片就是雙積分型的。

直接法——用輸入電壓與芯片內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)電壓比較，找到與之最接近的標(biāo)準(zhǔn)電壓，將標(biāo)準(zhǔn)電壓對應(yīng)的數(shù)字量賦予該輸入信號。（顯然該標(biāo)準(zhǔn)電壓是受一個(gè)數(shù)字量控制的，由片內(nèi)D/A產(chǎn)生，書中稱2n個(gè)量化級電壓。）

特點(diǎn)：轉(zhuǎn)換速度快，精度、抗干擾能力不如間接法。

1、V-T變換型A/D轉(zhuǎn)換器（屬于間接法）有一個(gè)內(nèi)部斜波電壓發(fā)生器有兩個(gè)比較器，比較器參考電壓分別為0V和輸入信號電壓Vi，由此形成一段與輸入幅度成正比的時(shí)間間隔。有一個(gè)計(jì)數(shù)器，對上述時(shí)間間隔計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)值即為所求。

2、雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器（屬于積分型）

雙積分的意思是指進(jìn)行了兩次積分。第一次是對輸入Vi進(jìn)行正向積分，對電容充電。第二次積分是對標(biāo)準(zhǔn)電壓VREF反向積分，使電容放電，放光為止。對反向放電時(shí)間計(jì)數(shù)，它與輸入幅度成正比。

雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器是常用的A/D形式。特點(diǎn)是：轉(zhuǎn)換結(jié)果與RC值、計(jì)數(shù)時(shí)鐘的精度基本無關(guān)，只要在一次轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定就行了，降低對電路的要求。由于是對輸入信號積分，求其平均值，所以對尖峰干擾和對稱交流干擾有很強(qiáng)的抑制作用。

3、V-F變換型A/D轉(zhuǎn)換器（自學(xué)）

先將輸入信號轉(zhuǎn)換為頻率F，然后再轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。

4、計(jì)數(shù)斜坡式A/D轉(zhuǎn)換器與V-T變換型A/D有些類似，但這種方法屬于直接法，是將輸入電壓與2n個(gè)量化級電壓比較，直接得到數(shù)值。

5、逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器

這種A/D的工作方式有點(diǎn)象用天平稱重。從最大的砝碼開始試起，少再加砝碼，多換小些的籌碼。逐次逼近型與前面的計(jì)數(shù)斜坡型相比，它沒有采用大排隊(duì)式的遞增比較，而是采用了從大到小的檢索的方式，因此速度要快得多。逐次逼近型A/D設(shè)定了一組時(shí)序節(jié)拍，通過每一拍的比較輸出電平，分別置位或清零各個(gè)數(shù)據(jù)位。第一拍：D/A輸入為1000，滿度的一半。比較輸出接D#的JK第二拍：使D#由JK端狀態(tài)置零或置1。使C#異步置1，D/A輸入為X100。第三拍：使C#根據(jù)其JK狀態(tài)置0置1。使B#異步置1，D/A輸入為XX10。第四拍：輸出為XXX1第五拍：下降沿置A#上升沿置為4個(gè)D觸發(fā)6、并聯(lián)型A/D

轉(zhuǎn)換器

優(yōu)點(diǎn)是速度很快，缺點(diǎn)是硬件復(fù)雜，精度不高。

任一輸入電壓加入所有比較器，都會有一個(gè)比較結(jié)果，

將該結(jié)果鎖存于D觸發(fā)器中。最后用數(shù)字電路將不同的輸出組合編碼。

二、A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度

A/D轉(zhuǎn)換器的精度和速度的定義與D/A的相應(yīng)指標(biāo)類似。轉(zhuǎn)換精度也分為分辨率和轉(zhuǎn)換誤差，一個(gè)是理論上的，一個(gè)是實(shí)際達(dá)到的。分辨率一般用位數(shù)表示，誤差一般用最低有效位LSB