模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的測控系統(tǒng)

1、 概述 一般來說，自然界中存在的物理量大都是連續(xù)變化的物理量，如溫度、時間、角度、速度、流量、壓力等。由于數(shù)字電子技術的迅速發(fā)展，尤其是計算機在控制、檢測以及許多其他領域中的廣泛應用，用數(shù)字電路處理模擬信號的情況非常普遍。這就需要將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，這種轉(zhuǎn)換稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換，用ad表示（analog to digital）；而將數(shù)字信號變換為模擬信號叫做數(shù)模轉(zhuǎn)換，用da表示（digital to analog）。帶有模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的測控系統(tǒng)大致可用圖7.1所示的框圖表示。 一般測控系統(tǒng)框圖圖中模擬信號由傳感器轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)放大送入ad轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，由數(shù)字電路進行處理，再由da轉(zhuǎn)換器還

2、原為模擬量，去驅(qū)動執(zhí)行部件。圖中將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的裝置稱為ad轉(zhuǎn)換器，簡寫為adc（analog to digital converter）；把實現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換的電路稱為da轉(zhuǎn)換器，簡寫為dac（digital to analog converter）。為了保證數(shù)據(jù)處理結果的準確性，ad轉(zhuǎn)換器和da轉(zhuǎn)換器必須有足夠的轉(zhuǎn)換精度。同時，為了適應快速過程的控制和檢測的需要，ad轉(zhuǎn)換器和da轉(zhuǎn)換器還必須有足夠快的轉(zhuǎn)換速度。因此，轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度乃是衡量ad轉(zhuǎn)換器和da轉(zhuǎn)換器性能優(yōu)劣的主要標志。模塊一：da轉(zhuǎn)換器設計方案 數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合起來表示的，對于有權碼，每位代碼都有一定的權。為了將數(shù)字

3、量轉(zhuǎn)換成模擬量，必須將每1位的代碼按其權的大小轉(zhuǎn)換成相應的模擬量，然后將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字量成正比的總模擬量，從而實現(xiàn)了數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換。這就是構成d/a轉(zhuǎn)換器的基本思路。 圖1是d/a轉(zhuǎn)換器的輸入、輸出關系框圖，d0dn-1是輸入的n位二進制數(shù)，vo是與輸入二進制數(shù)成比例的輸出電壓。 圖1 流程圖如： 方案1: 倒t形電阻網(wǎng)絡d/a轉(zhuǎn)換器 在單片集成d/a轉(zhuǎn)換器中，使用最多的是倒t形電阻網(wǎng)絡d/a轉(zhuǎn)換器。 倒t型電阻網(wǎng)絡d/a轉(zhuǎn)換器是采用r2r兩種電阻構成電阻網(wǎng)絡，其基本思想是根據(jù)逐級分流傳遞原理和線性疊加原理?；鶞孰娏鱥=uref/r經(jīng)過倒t形電阻網(wǎng)絡逐級分流，每級電流是前一級的1

4、/2。這樣，每級電流就可以分別代表二進制數(shù)各位的權值。最高位權值對應支路電流i/2只經(jīng)過一次分流，次高位權值對應支路電流i/4只經(jīng)過兩次分流 ，其他各位權值對應支路電流分流 關系以此類推?？傒敵鲭娏髦凳歉髦冯娏鞯木€性疊加。其輸入為8位二進制數(shù)d(di),輸出為模擬電壓量。 s0s7為模擬開關，r2r電阻解碼網(wǎng)絡呈倒t形，運算放大器a構成求和電路。si由輸入數(shù)碼di控制，當di=1時，si接運放反相輸入端（“虛地”），ii流入求和電路； 當di=0時，si將電阻2r接地。 無論模擬開關si處于何種位置，與si相連的2r電阻均等效接“地”（地或虛地）。這樣流經(jīng)2r電阻的電流與開關位置無關，為確定

5、值。 分析r2r電阻解碼網(wǎng)絡不難發(fā)現(xiàn)，從每個接點向左看的二端網(wǎng)絡等效電阻均為r，流入每個2r電阻的電流從高位到低位按2的整倍數(shù)遞減。設由基準電壓源提供的總電流為i（i=vref/r），則流過各開關支路（從右到左）的電流分別為i/2、i/4、i/8、i/16、i/32、i/64 i/128、i/256。 八位倒t形電阻網(wǎng)絡d/a轉(zhuǎn)換器的原理圖如圖2所示 圖2 倒t形電阻網(wǎng)絡d/a轉(zhuǎn)換器 要使d/a轉(zhuǎn)換器具有較高的精度，對電路中的參數(shù)有以下要求： （1）基準電壓穩(wěn)定性好；（2）倒t形電阻網(wǎng)絡中r和2r電阻的比值精度要高； （3）每個模擬開關的開關電壓降要相等。為實現(xiàn)電流從高位到低位按2的整倍數(shù)遞減

6、，模擬開關的導通電阻也相應地按2的整倍數(shù)遞增。 由于在倒t形電阻網(wǎng)絡d/a轉(zhuǎn)換器中，各支路電流直接流入運算放大器的輸入端，它們之間不存在傳輸上的時間差。電路的這一特點不僅提高了轉(zhuǎn)換速度，而且也減少了動態(tài)過程中輸出端可能出現(xiàn)的尖脈沖。它是目前廣泛使用的d/a轉(zhuǎn)換器中速度較快的一種。常用的cmos開關倒t形電阻網(wǎng)絡d/a轉(zhuǎn)換器的集成電路有ad7520（10位）、dac1210（12位）和ak7546（16位高精度）等。方案二 權電流型d/a轉(zhuǎn)換器 盡管倒t形電阻網(wǎng)絡d/a轉(zhuǎn)換器具有較高的轉(zhuǎn)換速度，但由于電路中存在模擬開關電壓降，當流過各支路的電流稍有變化時，就會產(chǎn)生轉(zhuǎn)換誤差。為進一步提高d/a轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度，可采用權電流型d/a轉(zhuǎn)換器。 1原理電路如圖3所示： 這組恒流源從高位到低位電流的大小依次為i/2、i/4、i/8、i/16、i/32、i/64、i/128、i/256。 圖3 權電流型d/a轉(zhuǎn)換器的原理電路當輸入數(shù)字量的某一位代碼di=1時，開關si接運算放大器的反相輸入端，相應的權電流流入求和電路；當di=0時，開關si接地。 采用了恒流源電路之后，各支路權電流的大小均不受開關導通電阻和壓降的影