模／数转换电路基础

　　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。

　　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。

　　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。

　　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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