模/数转换电路基础

时间:2008-12-01

  传感器输出的信号一般为模拟信号,在以微型计算机为组成的数据采集及控制系统中,必须将传感器输出的模拟信号转换成数字信号,为此要使用模/数转换器(简称A/D转换器或ADO)。相反,经计算机处理后的信号常需反馈给模拟执行机构,如执行电动机等,因此,还需要用数/模转换器(简称D/A转换器或DAC)将数字量转换成相应的模拟信号。因此,A/D和D/A转换电路是微型计算机与输入、输出装置之间的接口,是数字化测控系统中的重要组成部分。

  (1)A/D转换器 A/D转换器种类繁多,一般可分为直接与间接型两类。直接型又称比较型,它将模拟输入电压与基准电压比较后直接得到数字输出。逐次逼近式A/D转换器和并行式A/D转换器属此类型。间接型又称为积分型,它先将模拟电压转换成时间间隔或频率信号,然后再把时间间隔或频率转换成数字量输出。双积分式A/D转换器属于这种类型。通常直接型的速度比间接型要快1000倍左右。

  ①双积分式A/D转换器。双积分式A/D转换器又称为双斜率A/D转换器,其原理如图1所示。它主要由积分器、过零电压比较器、控制逻辑电路、时钟和计数器等部分组成。其工作过程分为采样和比较两个阶段。

双积分式A/D转换器原理

  图1 双积分式A/D转换器原理

  转换前,逻辑控制电路使计数器全部清零、积分电容C放电至零。采样脉冲到来时,转换开始,模拟开关使输入信号U;Ui到反相积分器输入端,以Ui(RC)速率在固定时间T1内向电容器 旅充电,使积分器输出端电压Uc从0开始增加(极性与Ui相反),同时启动计数器对时钟脉冲从零开始计数。当达到预定时间T1时,计数器的计数值表示为N1,采样阶段结束。此时,计数器发出溢出脉冲使计数器复零,根据Ui的极性,电子开关将与叽极性积分器输人端,积分器对UR或一UR以固定速率反向积分,其输出端电压从Uc(T1)向零电平方向斜变,与此同时计数器重新开始计数,进入比较阶段。当Uc下降到零时,过零比较器输出端发出关门信号,关闭计数门,停止计数,此时计数器值为Nz,对应时间间隔为T2。至此,转换过程结束。设时钟脉冲周期为Tc,通过计算可得

  式中 Uiav——Ui在T1时间内的平均值。

  ②逐次逼近式A/D转换器。图2所示为逐次逼近式A/D转换器原理,它由比较器、D/A转换器、时钟电路、逐次逼近寄存器、逻辑控制电路、输出缓冲器等组成。是采用逐次比较法(也叫二等分搜索法)实现其原理的。

  以某6位逐次逼近式A/D转换器为例,当启动转换脉冲到来时,其脉冲前沿将寄存器清零,后沿启动转换。在逻辑控制电路控制下,时钟电路使逐次逼近寄存器位MSB置1,其他各位置0,即为100000,这个数字代码经D/A转换器转换成对应的模拟电压Us,并将其送到比较器的一个输人端,与另一输人端的模拟输人电压⒒比较。若Us>Ui,则表明这一数字码太大,逻辑控制电路将逐次逼近寄存器的MSB置0;若Us<Ui,则表明这一数字码不够大,则保留MSB=1。而后将逐次逼近寄存器次高位置1,其他各低位仍为0,再将此寄存器内容送出,经比较后确定次高位的1是要保留还是要清除。这样逐位进行比较,直至D/A转换器输出电压Us与Ui;相等或Ui—Us小于量化误差值为止。比较结束时,寄存器中所保留的代码就是Ui相应的数字代码,从而完成了A/D转换。

 逐次逼近式A/D转换器原理

  图2 逐次逼近式A/D转换器原理

  由上可知,这种转换器只要用n次的运算处理就能完成转换。而两位逐次逼近式A/D转换器有较高的转换速度,而且其较高,电路结构较简单,因而应用广泛,尤其在一些实时控制系统中应用多。

  ③并行比较式A/D转换器。该转换器工作原理比较直观,将基准电压LrR分成相等的2n份,每份为DR/2n,等于1LSB的电压值,并把UR/2n,2UR/2n,……。,(2n-1)UR/2n分别加到2n-1个比较器的输人端用作各比较器的参考电压,而输入的模拟信号Ui以并联方式同时加到所有比较器的另一输入端,与相应的参考电压进行比较,获得与二进制相对应的2n-1个状态送人编码器进行编码,完成从模拟信号到数字信号的转换。如图3所示为两位并行比较式A/D转换器。

两位并行比较式A/D转换器

  图3 两位并行比较式A/D转换器

  并行比较法的优点是速度,转换时间可达20ns,但缺点是难于达到高的分辨率(位数),且组成电路复杂,价格昂贵。

  (2)D/A转换器 D/A转换器与A/D转换器相反,它是将数字量转换成模拟量的电路。在上述电压反馈比较式A/D转换电路中,都含有一个T)D\A转换器,以便产生一个作为反馈电压的模拟量。除此之外,在计算机控制系统中,如果控制对象是模拟量,也需要把计算机输出的数字量经过D/A转换变成模拟量。

  为了将数字量转换成模拟量,必须将二进制码的各位按其权的数值转换成模拟量,然后再将与各位对应的模拟量相加。能够完成这一任务的D/A转换器,实质上是一种译码电路,其转换方式有并行和串行之分。并行D/A转换器是将数字量的各位同时进行转换的,转换时间只取决于电压、电流的建立时间及求和时间(一般为μS级),所以转换速度比较快。

  单片D/A转换器的基本组成包括基准电压源、电阻解码网络、电子开关阵列和相加运算放大器四部分。为了降低成本,某些D/A转换器只包含电阻解码网络和电子开关阵列。

  基准电压源通常是具有温度补偿的稳压二极管。电子开关阵列与D/A转换器的二进制位相对应,每闭合一个电子开关,就增加一个二进制权电流(或电压)增量,并加到输出求和总线上。
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