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數(shù)模轉(zhuǎn)換器
來源：作者：日期：2017-12-20 15:04:36點(diǎn)擊：9611次
模數(shù)轉(zhuǎn)換器即A/D轉(zhuǎn)換器，或簡(jiǎn)稱ADC，通常是指一個(gè)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)的電子元件。通常的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是把經(jīng)過與標(biāo)準(zhǔn)量比較處理后的模擬量轉(zhuǎn)換成以二進(jìn)制數(shù)值表示的離散信號(hào)的轉(zhuǎn)換器。故任何一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器都需要一個(gè)參考模擬量作為轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)，比較常見的參考標(biāo)準(zhǔn)為最大的可轉(zhuǎn)換信號(hào)大小。而輸出的數(shù)字量則表示輸入信號(hào)相對(duì)于參考信號(hào)的大小。
| 中文名 | 簡(jiǎn)稱 | 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 | 輸出最小電壓 |
| 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 | DAC | 即A/D轉(zhuǎn)換器 | -12V |
目錄
1、數(shù)模轉(zhuǎn)換器的基本原理
2、數(shù)模轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成
3、數(shù)模轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)
4、數(shù)模轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)
5、數(shù)模轉(zhuǎn)換器的分類及特點(diǎn)
6、數(shù)模轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用
7、數(shù)模轉(zhuǎn)換器的基本要求
8、模數(shù)轉(zhuǎn)換器如何工作?
9、數(shù)模轉(zhuǎn)換器的選用
10、數(shù)模轉(zhuǎn)換器的常見方式
數(shù)模轉(zhuǎn)換器的基本原理：
將輸入的每一位二進(jìn)制代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將代表各位的模擬量相加，所得的總模擬量就與數(shù)字量成正比，這樣便實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。
為二進(jìn)制數(shù)按位權(quán)轉(zhuǎn)換成的十進(jìn)制數(shù)值。
數(shù)模轉(zhuǎn)換器的構(gòu)成：
DAC主要由數(shù)字寄存器、模擬電子開關(guān)、位權(quán)網(wǎng)絡(luò)、求和運(yùn)算放大器和基準(zhǔn)電壓源（或恒流源）組成。用存于數(shù)字寄存器的數(shù)字量的各位數(shù)碼，分別控制對(duì)應(yīng)位的模擬電子開關(guān)，使數(shù)碼為1 的位在位權(quán)網(wǎng)絡(luò)上產(chǎn)生與其位權(quán)成正比的電流值，再由運(yùn)算放大器對(duì)各電流值求和，并轉(zhuǎn)換成電壓值。
數(shù)模轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)：
3.1．分辨率
D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率用最小分辨電壓 VLSB和滿量程輸出電壓VFSV的比值來表示
3.2．轉(zhuǎn)換精度
在 D/A 轉(zhuǎn)換器中，一般用轉(zhuǎn)換誤差來描述轉(zhuǎn)換精度。由于 D/A 轉(zhuǎn)換器的各個(gè)環(huán)節(jié)在參數(shù)和性能上與理論值之間不可避免地存在著差異，因此，D/A 轉(zhuǎn)換器的實(shí)際輸出電壓與理想輸出電壓值之間并不完全一致。D/A 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換誤差是指在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，實(shí)際模擬輸出值和理想輸出值之間的最大偏差。轉(zhuǎn)換誤差一般用最低有效位的倍數(shù)決定。
偏移誤差是指 D/A 轉(zhuǎn)換器輸出模擬量的實(shí)際起始數(shù)值與理想起始數(shù)值之差，一般由運(yùn)算放大器的零點(diǎn)漂移引起，在設(shè)計(jì)D/A轉(zhuǎn)換電路時(shí)，為了減少偏移誤差，應(yīng)選用低漂移的運(yùn)算放大器。
3.3．轉(zhuǎn)換速度
D/A 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度通常用建立時(shí)間 tset來描述。建立時(shí)間 tset 指從輸入數(shù)據(jù)改變到輸出進(jìn)入規(guī)定的誤差范圍（一般為±1/2LSB）所需的最大時(shí)間。因?yàn)檩斎霐?shù)字量變化越大，建立時(shí)間越長(zhǎng)，所以，數(shù)據(jù)手冊(cè)中一般給出從全 0 到全1 時(shí)的建立時(shí)間。普通 D/A 轉(zhuǎn)換器的建立時(shí)間為幾到幾百微秒，如 AD7520 的 建立時(shí)間為 1μs；高速 D/A 轉(zhuǎn)換器的建立時(shí)間小于幾微秒，如 AD9708 的建立時(shí)間為 35ns。
數(shù)模轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)：
4.1.分辯率(Resolution) 指數(shù)字量變化一個(gè)最小量時(shí)模擬信號(hào)的變化量，定義為滿刻度與2n的比值。分辯率又稱精度，通常以數(shù)字信號(hào)的位數(shù)來表示。
4.2. 轉(zhuǎn)換速率(Conversion Rate)是指完成一次從模擬轉(zhuǎn)換到數(shù)字的AD轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間的倒數(shù)。積分型AD的轉(zhuǎn)換時(shí)間是毫秒級(jí)屬低速AD，逐次比 較型AD是微秒級(jí)屬中速AD，全并行/串并行型AD可達(dá)到納秒級(jí)。采樣時(shí)間則是另外一個(gè)概念，是指兩次轉(zhuǎn)換的間隔。為了保證轉(zhuǎn)換的正確完成，采樣速率 (Sample Rate)必須小于或等于轉(zhuǎn)換速率。因此有人習(xí)慣上將轉(zhuǎn)換速率在數(shù)值上等同于采樣速率也是可以接受的。常用單位是ksps和Msps，表 示每秒采樣千/百萬次（kilo / Million Samples per Second）。
4.3.量化誤差 (Quantizing Error) 由于AD的有限分辯率而引起的誤差，即有限分辯率AD的階梯狀轉(zhuǎn)移特性曲線與無限分辯率AD（理想AD）的轉(zhuǎn)移特 性曲線（直線）之間的最大偏差。通常是1 個(gè)或半個(gè)最小數(shù)字量的模擬變化量，表示為1LSB、1/2LSB。
4.4.偏移誤差(Offset Error) 輸入信號(hào)為零時(shí)輸出信號(hào)不為零的值，可外接電位器調(diào)至最小。
4.5.滿刻度誤差(Full Scale Error) 滿度輸出時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)與理想輸入信號(hào)值之差。
4.6.線性度(Linearity) 實(shí)際轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線的最大偏移，不包括以上三種誤差。
其他指標(biāo)還有：絕對(duì)精度(Absolute Accuracy) ，相對(duì)精度(Relative Accuracy)，微分非線性，單調(diào)性和無錯(cuò)碼，總諧波失真（Total Harmonic Distotortion縮寫THD）和積分非線性。
數(shù)模轉(zhuǎn)換器的分類及特點(diǎn)：
根據(jù)位權(quán)網(wǎng)絡(luò)的不同，可以構(gòu)成不同類型的DAC，如權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC、R-2R倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC和單值電流型網(wǎng)絡(luò)DAC等。
權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC 的轉(zhuǎn)換精度取決于基準(zhǔn)電壓VREF，以及模擬電子開關(guān)、運(yùn)算放大器和各權(quán)電阻值的精度。它的缺點(diǎn)是各權(quán)電阻的阻值都不相同，位數(shù)多時(shí)，其阻值相差甚遠(yuǎn)，這給保證精度帶來很大困難，特別是對(duì)于集成電路的制作很不利，因此在集成的 DAC 中很少單獨(dú)使用該電路。
它由若干個(gè)相同的R、2R網(wǎng)絡(luò)節(jié)組成， 每節(jié)對(duì)應(yīng)于一個(gè)輸入位。節(jié)與節(jié)之間串接成倒T形網(wǎng)絡(luò)。R-2R倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC是工作速度較快、 應(yīng)用較多的一種。和權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)比較，由于它只有R、2R兩種阻值，從而克服了權(quán)電阻阻值多，且阻值差別大的缺點(diǎn)。
電流型DAC則是將恒流源切換到電阻網(wǎng)絡(luò)中，恒流源內(nèi)阻極大，相當(dāng)于開路，所以連同電子開關(guān)在內(nèi)，對(duì)它的轉(zhuǎn)換精度影響都比較小，又因電子開關(guān)大多采用非飽和型的ECL開關(guān)電路，使這種DAC可以實(shí)現(xiàn)高速轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換精度較高。
數(shù)模轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用：
D/A 轉(zhuǎn)換器在電子系統(tǒng)中應(yīng)用極為廣泛，除了在微機(jī)系統(tǒng)中將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量典型應(yīng)用之外，還常用于波形生成、各種數(shù)字式的可編程應(yīng)用。
6.1．波形發(fā)生器
6.2．?dāng)?shù)控直流穩(wěn)壓電源
6.3．?dāng)?shù)字式可編程增益控制電路
數(shù)模轉(zhuǎn)換器的基本要求：
數(shù)模轉(zhuǎn)換有兩種轉(zhuǎn)換方式：并行數(shù)模轉(zhuǎn)換和串行數(shù)模轉(zhuǎn)換。
并行數(shù)模轉(zhuǎn)換器，數(shù)碼操作開關(guān)和電阻網(wǎng)絡(luò)是基本部件。裝置通過一個(gè)模擬量參考電壓和一個(gè)電阻梯形網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生以參考量為基準(zhǔn)的分?jǐn)?shù)值的權(quán)電流或權(quán)電壓；而用由數(shù)碼輸入量控制的一組開關(guān)決定哪一些電流或電壓相加起來形成輸出量。所謂“權(quán)”，就是二進(jìn)制數(shù)的每一位所代表的值。例如三位二進(jìn)制數(shù)“111“，右邊第1位的“權(quán)”是 2 /2 =1/8；第2位是2 /2 =1/4；第3位是2 /2 =1/2。位數(shù)多的依次類推。這種三位數(shù)模轉(zhuǎn)換器的基本電路，參考電壓VREF 在R1 、R2 、R3 中產(chǎn)生二進(jìn)制權(quán)電流,電流通過開關(guān)。當(dāng)該位的值是“0”時(shí)，與地接通；當(dāng)該位的值是“1”時(shí)，與輸出相加母線接通。幾路電流之和經(jīng)過反饋電阻Rf 產(chǎn)生輸出電壓。電壓極性與參考量相反。輸入端的數(shù)字量每變化1，僅引起輸出相對(duì)量變化1/2 =1/8，此值稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器的分辨率。位數(shù)越多分辨率就越高，轉(zhuǎn)換的精度也越高。工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)采用的數(shù)模轉(zhuǎn)換器大多是10位、12位，轉(zhuǎn)換精度達(dá)0.5～0.1％。
串行數(shù)模轉(zhuǎn)換是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成脈沖序列的數(shù)目，一個(gè)脈沖相當(dāng)于數(shù)字量的一個(gè)單位，然后將每個(gè)脈沖變?yōu)閱挝荒M量，并將所有的單位模擬量相加，就得到與數(shù)字量成正比的模擬量輸出，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字量與模擬量的轉(zhuǎn)換。
模數(shù)轉(zhuǎn)換器如何工作?
模數(shù)轉(zhuǎn)換一般要經(jīng)過采樣、保持和量化、編碼這幾個(gè)步驟。下面我們以∑-△A/D轉(zhuǎn)換器為例來簡(jiǎn)單介紹一下其工作原理。∑-△A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理，就是將初次轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)再做信號(hào)除噪處理。
總體來說，∑-△A/D轉(zhuǎn)換器有兩大部分，模擬部分和數(shù)字部分，模擬部分是一個(gè)∑-△調(diào)制器，主要使采用過采樣技術(shù)采樣后信號(hào)經(jīng)過調(diào)制器，使量化噪聲分布更廣，并且輸出一位一位的數(shù)據(jù)位流，數(shù)字部分是一個(gè)數(shù)字濾波器，它對(duì)模擬部分輸出的數(shù)字量進(jìn)行除噪處理，濾除大部分的量化噪聲，并對(duì)調(diào)制器的輸出降頻至奈奎斯特頻率和進(jìn)行進(jìn)一步的量化，最終得到輸出結(jié)果。
數(shù)模轉(zhuǎn)換器的選用：
9.1. 數(shù)模轉(zhuǎn)換器是將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的系統(tǒng)，一般用低通濾波即可以實(shí)現(xiàn)。數(shù)字信號(hào)先進(jìn)行解碼，即把數(shù)字碼轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的電平，形成階梯狀信號(hào)，然后進(jìn)行低通濾波。
根據(jù)信號(hào)與系統(tǒng)的理論，數(shù)字階梯狀信號(hào)可以看作理想沖激采樣信號(hào)和矩形脈沖信號(hào)的卷積，那么由卷積定理，數(shù)字信號(hào)的頻譜就是沖激采樣信號(hào)的頻譜與矩形脈沖頻譜（即Sa函數(shù)）的乘積。這樣，用Sa函數(shù)的倒數(shù)作為頻譜特性補(bǔ)償，由數(shù)字信號(hào)便可恢復(fù)為采樣信號(hào)。由采樣定理，采樣信號(hào)的頻譜經(jīng)理想低通濾波便得到原來模擬信號(hào)的頻譜。
一般實(shí)現(xiàn)時(shí)，不是直接依據(jù)這些原理，因?yàn)榧怃J的采樣信號(hào)很難獲得，因此，這兩次濾波（Sa函數(shù)和理想低通）可以合并（級(jí)聯(lián)），并且由于這各系統(tǒng)的濾波特性是物理不可實(shí)現(xiàn)的，所以在真實(shí)的系統(tǒng)中只能近似完成。
9.2. 模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的系統(tǒng)，是一個(gè)濾波、采樣保持和編碼的過程。
模擬信號(hào)經(jīng)帶限濾波，采樣保持電路，變?yōu)殡A梯形狀信號(hào)，然后通過編碼器，使得階梯狀信號(hào)中的各個(gè)電平變?yōu)槎M(jìn)制碼。
9.3. 比較器是將兩個(gè)相差不是很小的電壓進(jìn)行比較的系統(tǒng)。最簡(jiǎn)單的比較器就是運(yùn)算放大器。
我們知道，運(yùn)算放大器在連有深度負(fù)反饋的條件下，會(huì)在線性區(qū)工作，有著增益很大的放大特性，在計(jì)算時(shí)往往認(rèn)為它放大的倍數(shù)是無窮大。而在沒有反饋的條件下，運(yùn)算放大器在線性區(qū)的輸入動(dòng)態(tài)范圍很小，即兩個(gè)輸入電壓有一定差距就會(huì)使運(yùn)算放大器達(dá)到飽和。如果同相端電壓較大，則輸出最大電壓，一般是+12V；如果反相端電壓較大，則輸出最小電壓，一般是-12V。這樣，就實(shí)現(xiàn)了電壓比較功能。 真正的電壓比較器還會(huì)增加一些外圍輔助電路，加強(qiáng)性能。
數(shù)模轉(zhuǎn)換器的常見方式
最常見的數(shù)模轉(zhuǎn)換器是將并行二進(jìn)制的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為直流電壓或直流電流，它常用作過程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輸出通道，與執(zhí)行器相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制。數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路還用在利用反饋技術(shù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中。
