AD與DA轉(zhuǎn)換簡介及其應(yīng)用

A/D與D/A轉(zhuǎn)換簡介及其應(yīng)用班級：姓名：學(xué)號：一、背景隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,特別是數(shù)字系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于各種學(xué)科領(lǐng)域及日常生活,微型計(jì)算機(jī)就是一個(gè)典型的數(shù)學(xué)系統(tǒng)。但是數(shù)字系統(tǒng)只能對輸入的數(shù)字信號進(jìn)行處理,其輸出信號也是數(shù)字信號。而在工業(yè)檢測控制和生活中的許多物理量都是連續(xù)變化的模擬量,如溫度、壓力、流量、速度等,這些模擬量可以通過傳感器或換能器變成與之對應(yīng)的電壓、電流或頻率等電模擬量。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)對這些電模擬量進(jìn)行檢測、運(yùn)算和控制,就需要一個(gè)模擬量與數(shù)字量之間的相互轉(zhuǎn)換的過程。即常常需要將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,簡稱為AD轉(zhuǎn)換,完成這種轉(zhuǎn)換的電路稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AnalogtoDigitalConverter),簡稱ADC;或?qū)?shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量,簡稱DA轉(zhuǎn)換,完成這種轉(zhuǎn)換的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DigitaltoAnalogConverter),簡稱DAC。二、ADC和DAC基本原理及特點(diǎn)

1、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的基本原理

模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,一般分為四個(gè)步驟進(jìn)行,即取樣、保持、量化和編碼。前兩個(gè)步驟在取樣-保持電路中完成,后兩步驟則在ADC中完成。

常用的ADC有積分型、逐次逼近型、并行比較型/串并行型、Σ-Δ調(diào)制型、電容陣列逐次比較型及壓頻變換型。其基本原理及特點(diǎn):

1）積分型(如TLC7135)。積分型ADC工作原理是將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間或頻率,然后由定時(shí)器/計(jì)數(shù)器獲得數(shù)字值。其優(yōu)點(diǎn)是用簡單電路就能獲得高分辨率,但缺點(diǎn)是由于轉(zhuǎn)換精度依賴于積分時(shí)間,因此轉(zhuǎn)換速率極低。初期的單片ADC大多采用積分型,現(xiàn)在逐次比較型已逐步成為主流。雙積分是一種常用的AD轉(zhuǎn)換技術(shù),具有精度高,抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但高精度的雙積分AD芯片,價(jià)格較貴,增加了單片機(jī)系統(tǒng)的成本。

2）逐次逼近型(如TLC0831)。逐次逼近型AD由一個(gè)比較器和DA轉(zhuǎn)換器通過逐次比較邏輯構(gòu)成,從MSB開始,順序地對每一位將輸入電壓與內(nèi)置DA轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行比較,經(jīng)n次比較而輸出數(shù)字值。其電路規(guī)模屬于中等。其優(yōu)點(diǎn)是速度較高、功耗低,在低分辨率(<12位)時(shí)價(jià)格便宜,但高精度(>12位)時(shí)價(jià)格很高。

3）并行比較型/串并行比較型(如TLC5510)。

并行比較型AD采用多個(gè)比較器,僅作一次比較而實(shí)行轉(zhuǎn)換,又稱FLash型。由于轉(zhuǎn)換速率極高,n位的轉(zhuǎn)換需要2n-1個(gè)比較器,因此電路規(guī)模也極大,價(jià)格也高,只適用于視頻AD轉(zhuǎn)換器等速度特別高的領(lǐng)域。串并行比較型AD結(jié)構(gòu)上介于并行型和逐次比較型之間,最典型的是由2個(gè)n/2位的并行型AD轉(zhuǎn)換器配合DA轉(zhuǎn)換器組成,用兩次比較實(shí)行轉(zhuǎn)換,所以稱為Halfflash型。

4）Σ-Δ調(diào)制型(如AD7701)。

Σ-Δ型ADC以很低的采樣分辨率(1位)和很高的采樣速率將模擬信號數(shù)字化,通過使用過采樣、噪聲整形和數(shù)字濾波等方法增加有效分辨率,然后對ADC輸出進(jìn)行采樣抽取處理以降低有效采樣速率。Σ-Δ型ADC的電路結(jié)構(gòu)是由非常簡單的模擬電路和十分復(fù)雜的數(shù)字信號處理電路構(gòu)成。

5）電容陣列逐次比較型。

電容陣列逐次比較型AD在內(nèi)置DA轉(zhuǎn)換器中采用電容矩陣方式,也可稱為電荷再分配型。一般的電阻陣列DA轉(zhuǎn)換器中多數(shù)電阻的值必須一致,在單芯片上生成高精度的電阻并不容易。如果用電容陣列取代電阻陣列,可以用低廉成本制成高精度單片AD轉(zhuǎn)換器。最近的逐次比較型AD轉(zhuǎn)換器大多為電容陣列式的。

6）壓頻變換型(如AD650)。壓頻變換型是通過間接轉(zhuǎn)換方式實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的。其原理是首先將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成頻率,然后用計(jì)數(shù)器將頻率轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。從理論上講這種AD的分辨率幾乎可以無限增加,只要采樣的時(shí)間能夠滿足輸出頻率分辨率要求的累積脈沖個(gè)數(shù)的寬度。其優(yōu)點(diǎn)是分辨率高、功耗低、價(jià)格低,但是需要外部計(jì)數(shù)電路共同完成AD轉(zhuǎn)換。2、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的基本原理DAC的內(nèi)部電路構(gòu)成無太大差異,一般按輸出是電流還是電壓、能否作乘法運(yùn)算等進(jìn)行分類。大多數(shù)DAC由電阻陣列和n個(gè)電流開關(guān)(或電壓開關(guān))構(gòu)成。按數(shù)字輸入值切換開關(guān),產(chǎn)生比例于輸入的電流(或電壓)。此外,也有為了改善精度而把恒流源放入器件內(nèi)部的。DAC分為電壓型和電流型兩大類,電壓型DAC有權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、T型電阻網(wǎng)絡(luò)和樹形開關(guān)網(wǎng)絡(luò)等;電流型DAC有權(quán)電流型電阻網(wǎng)絡(luò)和倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)等。電壓輸出型(如TLC5620)。電壓輸出型DAC雖有直接從電阻陣列輸出電壓的,但一般采用內(nèi)置輸出放大器以低阻抗輸出。直接輸出電壓的器件僅用于高阻抗負(fù)載,由于無輸出放大器部分的延遲,故常作為高速DAC使用。電流輸出型(如THS5661A)。電流輸出型DAC很少直接利用電流輸出,大多外接電流-電壓轉(zhuǎn)換電路得到電壓輸出,后者有兩種方法:一是只在輸出引腳上接負(fù)載電阻而進(jìn)行電流-電壓轉(zhuǎn)換,二是外接運(yùn)算放大器。乘算型(如AD7533)。DAC中有使用恒定基準(zhǔn)電壓的,也有在基準(zhǔn)電壓輸入上加交流信號的,后者由于能得到數(shù)字輸入和基準(zhǔn)電壓輸入相乘的結(jié)果而輸出,因而稱為乘算型DAC。乘算型DAC一般不僅可以進(jìn)行乘法運(yùn)算,而且可以作為使輸入信號數(shù)字化地衰減的衰減器及對輸入信號進(jìn)行調(diào)制的調(diào)制器使用。一位DAC。一位DAC與前述轉(zhuǎn)換方式全然不同,它將數(shù)字值轉(zhuǎn)換為脈沖寬度調(diào)制或頻率調(diào)制的輸出,然后用數(shù)字濾波器作平均化而得到一般的電壓輸出,用于音頻等場合。三、AD與DA轉(zhuǎn)換的應(yīng)用1、AD轉(zhuǎn)換應(yīng)用（例：ADC0809AD）（1）ADC0809AD是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接接口。（2）ADC0809應(yīng)用說明ADC0809內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與AT89S51單片機(jī)直接相連。初始化時(shí)，使ST和OE信號全為低電平。送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到A，B，C端口上。在ST端給出一個(gè)至少有100ns寬的正脈沖信號。是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù)EOC信號來判斷。當(dāng)EOC變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，這時(shí)給OE為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機(jī)了。（3）ADC0809AD的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（圖1）及其引腳（圖2）圖1圖2（4）應(yīng)用舉例如（圖3）所示，從ADC0809的通道IN3輸入0－5V之間的模擬量，通過ADC0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字量在數(shù)碼管上以十進(jìn)制形成顯示出來。ADC0809的VREF接＋5V電壓。圖32、DA轉(zhuǎn)換應(yīng)用（例：DAC0832）（1）DAC0832是8位分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片，其明顯特點(diǎn)是與微機(jī)連接簡單、轉(zhuǎn)換控制方便、價(jià)格低廉等，在微機(jī)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。D/A轉(zhuǎn)換器的輸出一般都要接運(yùn)算放大器，微小信號經(jīng)放大后才能驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的部件。（2）DAC0832主要技術(shù)指標(biāo)如下：分辨率為8位；輸出電流穩(wěn)定時(shí)間，即轉(zhuǎn)換速度約為1μs；非線性誤差為0.20%FSR；溫度系數(shù)為2×10-6/℃；工作方式為雙緩沖、單緩沖和直通方式；邏輯輸入與TTL電平兼容；功耗為20mW；單電源供電，電源范圍為+5V～+15V。（3）DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（圖4）及其引腳（圖5）圖4DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖5DAC0832引腳（4）應(yīng)用舉例1）DAC用作單極性電壓輸出（圖6）圖6DAC用作單極性電壓輸出2）DAC用作雙極性電壓輸出輸入數(shù)字量輸入數(shù)字量Bb7b6b5b4b3b2b1b0Vout（理想值）+VREF時(shí)-VREF時(shí)11111111|VREF|-LSB-|VREF|+LSB┆┆┆11000000|VREF|/2-|VREF|/2┆┆┆1000000000┆┆┆01111111-LSBLSB┆┆┆00111111-|VREF|/2-LSB|VREF|/2+LSB┆┆┆00000000-|VREF||VREF|表1雙極性輸出電壓與輸入數(shù)字量的關(guān)系圖7DAC用作雙極性電壓輸出3）DAC用作控制放大器圖8DAC用作控制放大器四、總結(jié)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器技術(shù)是模擬信號和數(shù)字信號之間的重要橋梁