模數轉換(A/D)與數模轉換(D/A)

2021-01-08 電子發燒友

單片機是一個典型的數字系統，數字系統只能呢個對輸入的數位訊號進行處理，其輸出信號也是數字的。但工業或者生活中的很多量都是模擬量，這些模擬量可以通過傳感器變成與之對應的電壓、電流等模擬量。為了實現數字系統對這些電模擬量的測量，運算和控制，就需要一個模擬量和數字量之間的相互轉化的過程。

一個包含A/D和D/A轉換器的典型的計算機自動控制系統

一個包含A/D和D/A轉換器的計算機閉環自動控制系統下圖所示。

典型的計算機自動控制系統

在上圖中，A/D轉換器和D/A轉換器是模擬量輸入和模擬量輸出通路中的核心部件。在實際控制系統中，各種非電物理量需要由各種傳感器把它們轉換成模擬電流或電壓信號後，才能加到A/D轉換器轉換成數字量。

一般來說，傳感器的輸出信號只有微伏或毫伏級，需要採用高輸入阻抗的運算放大器將這些微弱的信號放大到一定的幅度，有時候還要進行信號濾波，去掉各種幹擾和噪聲，保留所需要的有用信號。送入A/D轉換器的信號大小與A/D轉換器的輸入範圍不一致時，還需進行信號預處理。

在計算機控制系統中，若測量的模擬信號有幾路或幾十路，考慮到控制系統的成本，可採用多路開關對被測信號進行切換，使各種信號共用一個A/D轉換器。多路切換的方法有兩種：一種是外加多路模擬開關，如多路輸入一路輸出的多路開關有：AD7501，AD7503，CD4097，CD4052等。另一種是選用內部帶多路轉換開關的A/D轉換器，如ADC0809等。

若模擬信號變化較快，為了保證模數轉換的正確性，還需要使用採樣保持器。在輸出通道，對那些需要用模擬信號驅動的執行機構，由計算機將經過運算決策後確定的控制量（數字量）送D/A轉換器，轉換成模擬量以驅動執行機構動作，完成控制過程。

A/D和D/A的基本概念

A/D是模擬量到數字量的轉換，依靠的是模數轉換器（AnalogtoDigitalConverter），簡稱ADC。D/A是數字量到模擬量的轉換，依靠的是數模轉換器（DigitaltoAnalogConverter），簡稱DAC。它們的道理是完全一樣的，只是轉換方向不同，因此我們講解過程主要以A/D為例來講解。

什麼是模擬量？就是指變量在一定範圍內連續變化的量，總之，任何兩個數字之間都有無限個中間值，所以稱之為連續變化的量，也就是模擬量。ADC就是起到把連續的信號用離散的數字表達出來的作用。

模數轉換（A/D）技術指標 1）解析度（Resolution）

指數字量變化一個最小量時模擬信號的變化量，定義為滿刻度與2^n的比值。解析度又稱精度，通常以數位訊號的位數來表示。

2）轉換速率（ConversionRate）

是指完成一次從模擬轉換到數字的AD轉換所需的時間的倒數。積分型AD的轉換時間是毫秒級屬低速AD，逐次比較型AD是微秒級屬中速AD，全並行/串並行型AD可達到納秒級。採樣時間則是另外一個概念，是指兩次轉換的間隔。為了保證轉換的正確完成，採樣速率（SampleRate）必須小於或等於轉換速率。因此有人習慣上將轉換速率在數值上等同於採樣速率也是可以接受的。常用單位是ksps和Msps，表示每秒採樣千/百萬次（kilo/MillionSamplesperSecond）。

3）量化誤差（QuantizingError）

由於AD的有限解析度而引起的誤差，即有限解析度AD的階梯狀轉移特性曲線與無限解析度AD（理想AD）的轉移特性曲線（直線）之間的最大偏差。通常是1個或半個最小數字量的模擬變化量，表示為1LSB、1/2LSB。

4）偏移誤差（OffsetError）

輸入信號為零時輸出信號不為零的值，可外接電位器調至最小。

5）滿刻度誤差（FullScaleError）

滿度輸出時對應的輸入信號與理想輸入信號值之差。

6）線性度（Linearity）

實際轉換器的轉移函數與理想直線的最大偏移，不包括以上三種誤差。其他指標還有：絕對精度（AbsoluteAccuracy），相對精度（RelativeAccuracy），微分非線性，單調性和無錯碼，總諧波失真（TotalHarmonicDistotortion縮寫THD）和積分非線性。

數模轉換（D/A）性能指標

D/A轉換器的主要特性指標包括以下幾方面：

解析度

指最小輸出電壓（對應的輸入數字量只有最低有效位為「1」）與最大輸出電壓（對應的輸入數字量所有有效位全為「1」）之比。如N位D/A轉換器，其解析度為1/（2^N-1）。在實際使用中，表示解析度大小的方法也用輸入數字量的位數來表示。

線性度

用非線性誤差的大小表示D/A轉換的線性度。並且把理想的輸入輸出特性的偏差與滿刻度輸出之比的百分數定義為非線性誤差。

轉換精度

D/A轉換器的轉換精度與D/A轉換器的集成晶片的結構和接口電路配置有關。如果不考慮其他D/A轉換誤差時，D/A的轉換精度就是解析度的大小，因此要獲得高精度的D/A轉換結果，首先要保證選擇有足夠解析度的D/A轉換器。同時D/A轉換精度還與外接電路的配置有關，當外部電路器件或電源誤差較大時，會造成較大的D/A轉換誤差，當這些誤差超過一定程度時，D/A轉換就產生錯誤。

在D/A轉換過程中，影響轉換精度的主要因素有失調誤差、增益誤差、非線性誤差和微分非線性誤差。

轉換速度

轉換速度一般由建立時間決定。從輸入由全0突變為全1時開始，到輸出電壓穩定在FSR±½LSB範圍（或以FSR±x%FSR指明範圍）內為止，這段時間稱為建立時間，它是DAC的最大響應時間，所以用它衡量轉換速度的快慢。

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