D/A與A/D轉換器工作原理解析

2021-01-08 電子發燒友
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D/A與A/D轉換器工作原理解析

發表於 2017-11-24 11:16:57

　　轉換器介紹

　　轉換器（converter）是指將一種信號轉換成另一種信號的裝置。信號是信息存在的形式或載體。在自動化儀表設備和自動控制系統中，常將一種信號轉換成另一種與標準量或參考量比較後的信號，以便將兩類儀表聯接起來，因此，轉換器常常是兩個儀表（或裝置）間的中間環節。下面就來看看D/A與A/D轉換器工作原理解析。

　　D/A轉換器的基本指導思想

　　數字量是用代碼按數位組合起來表示的，對於有權碼，每位代碼都有一定的權。為了將數字量轉換成模擬量，必須將每一位的代碼按其權的大小轉換成相應的模擬量，然後將這些模擬量相加，即可得與數字量成正比的模擬量，從而實現了數字—模擬轉換。

　　n位D/A轉換器方框圖

　　D/A轉換器組成

　　數碼寄存器、模擬電子開關電路、解碼網絡、求和電路及基準電壓幾部分。

　　數字量以串行或並行方式輸入並存儲於數碼寄存器中，寄存器輸出的每位數碼驅動對應數位上的電子開關將在電阻解碼網絡中獲得的相應數字權值送入求和電路。求和電路將各權值相加便得到與數字量對應的模擬量。

　　D/A轉換器分類


　　D/A轉換的工作原理

　　D/A轉換就是要將數字量D轉換成與之成正比的模擬量V，即：V= R×D ，其中R為比例係數。若D為二進位數，則按權展開後 ： 

　　數模轉換（D/A）電路形式是多種多樣的，多數採用T型電阻解碼網絡。現以三位二進位數的數模轉換電路說明其工作原理，如圖10-3所示。在T型解碼網絡中，有一個標準電源VREF 。二進位數的每一位di（i=0，1，2）對應一個電阻2R，並由該二進位值di控制一個雙向電子開關Ki，當di=0時Ki接地，當di=1時Ki接通右邊運算放大器求和點。下面分析輸出電壓V。

　　當D= d2d1d0=111時，所有開關Ki均接放大器求和點∑，由於∑是虛地點，從A點看，D點與∑點均為地，所以：


　　由上式可見，輸出電壓與二進位數D成線性比例關係。調整運算放大器的反饋電阻R0和參考電壓－VREF ，就可得到和n位二進位數成線性比例的輸出電壓V。

　　將（R-2R）T型電阻網絡、二進位數碼控制電子開關以其控制電路集成在一個晶片內，便形成了各種型號的D/A晶片。D/A轉換晶片的輸出方式有兩種：電流輸出與電壓輸出。實際使用時，常採用電流輸出的D/A晶片外加運算放大器實現電壓輸出。從連接方式上看，D/A晶片可分為兩類，一類是D/A晶片內設置有數據寄存器，具有數據寫入選通信號和片選信號輸入線，它們可以與80C51單片機直接接口，作為單片機的I/O擴展口。另一類D/A晶片內沒有鎖存器，輸出信號隨輸入數據變化而變化，因此不能直接與CPU數據總線接口，必須通過並行口和系統連接。

　　A/D轉換器介紹

　　將模擬信號轉換成數位訊號的電路，稱為模數轉換器（簡稱a/d轉換器或adc，analog to digital converter），A/D轉換的作用是將時間連續、幅值也連續的模擬量轉換為時間離散、幅值也離散的數位訊號，因此，A/D轉換一般要經過取樣、保持、量化及編碼4個過程。在實際電路中，這些過程有的是合併進行的，例如，取樣和保持，量化和編碼往往都是在轉換過程中同時實現的。

　　A/D轉換器工作原理

　　A/D轉換就是要將模擬量V（如V=5V）轉換成數字量D（如D=255）。模/數（A/D）轉換的型式較多，如計數比較型、逐次逼近型、雙積分型等等。在集成電路器件中普遍採用逐次逼近型，現簡要介紹逐次逼近型A/D的基本工作原理。

　　圖為逐次逼近型的結構圖。這種A/D轉換器是以D/A轉換器為基礎，加上比較器、逐次逼近寄存器、置數選擇邏輯電路及時鐘等組成。其轉換原理如下。

　　在啟動信號控制下，首先置數選擇邏輯電路，給逐次逼近寄存器最高位置「1」，經D/A轉換成模擬量後與輸入模擬量進行比較，電壓比較器給出比較結果。如果輸入量大於或等於經D/A變換後輸出的量，則比較器為1，否則為0，置數選擇邏輯電路根據比較器輸出的結果，修改逐次逼近寄存器中的內容，使其經D/A變換後的模擬量逐次逼近輸入模擬量。這樣經過若干次修改後的數字量，便是A/D轉換結果的量。

　　現逼近型A/D大多採用二分搜索法，即首先取允許電壓最大範圍的1/2值與輸入電壓值進行比較，也就是首先最高為「1」，其餘位為「0」。如果搜索值在此範圍內，則再取範圍的1/2值，即次高位置「1」。如果搜索值不在此範圍內，則應以搜索值的最大允許輸入電壓值的另外1/2範圍，即最高位為「0」，依次進行下去，每次比較將搜索範圍縮小1/2，具有n位的A/D變換，經n次比較，即可得到結果。逐次逼近法變換速度較快，所以集成化的A/D晶片多採用上述方法。

　　由圖可知，A/D轉換需外部啟動控制信號才能進行，分為脈衝啟動和電平啟動兩種，使用脈衝啟動的晶片有ADC0804、ADC0809、ADC1210等。使用電平啟動的晶片有ADC570、ADC571、ADC572等。這一啟動信號由CPU提供，當A/D轉換器被啟動後，通過二分搜索法經n次比較後，逐次逼近寄存器的內容才是轉換好的數字量。因此，必須在A/D轉換結束後才能從逐次逼近寄存器中取出數字量。為此D/A晶片專門設置了轉換結束信號引腳，向CPU發轉換結束信號，通知CPU讀取轉換後的數字量，CPU可以通過中斷或查詢方式檢測A/D轉換結束信號，並從A/D晶片的數據寄存器（即圖10-9中逐次逼近寄存器）中取出數字量。

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