模数和数模转换电路的测控系统

概述 一般来说，自然界中存在的物理量大都是连续变化的物理量，如温度、时间、角度、速度、流量、压力等。由于数字电子技术的迅速发展，尤其是计算机在控制、检测以及许多其他领域中的广泛应用，用数字电路处理模拟信号的情况非常普遍。这就需要将模拟量转换为数字量，这种转换称为模数转换，用AD表示（Analog to Digital）；而将数字信号变换为模拟信号叫做数模转换，用DA表示（Digital to Analog）。带有模数和数模转换电路的测控系统大致可用图7.1所示的框图表示。 一般测控系统框图图中模拟信号由传感器转换为电信号，经放大送入AD转换器转换为数字量，由数字电路进行处理，再由DA转换器还原为模拟量，去驱动执行部件。图中将模拟量转换为数字量的装置称为AD转换器，简写为ADC（Analog to Digital Converter）；把实现数模转换的电路称为DA转换器，简写为DAC（Digital to Analog Converter）。为了保证数据处理结果的准确性，AD转换器和DA转换器必须有足够的转换精度。同时，为了适应快速过程的控制和检测的需要，AD转换器和DA转换器还必须有足够快的转换速度。因此，转换精度和转换速度乃是衡量AD转换器和DA转换器性能优劣的主要标志。模块一：DA转换器设计方案 数字量是用代码按数位组合起来表示的，对于有权码，每位代码都有一定的权。为了将数字量转换成模拟量，必须将每1位的代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现了数字模拟转换。这就是构成D/A转换器的基本思路。 图1是D/A转换器的输入、输出关系框图，D0Dn-1是输入的n位二进制数，vo是与输入二进制数成比例的输出电压。 图1 流程图如： 方案1: 倒T形电阻网络D/A转换器 在单片集成D/A转换器中，使用最多的是倒T形电阻网络D/A转换器。 倒T型电阻网络D/A转换器是采用R2R两种电阻构成电阻网络，其基本思想是根据逐级分流传递原理和线性叠加原理。基准电流I=Uref/R经过倒T形电阻网络逐级分流，每级电流是前一级的1/2。这样，每级电流就可以分别代表二进制数各位的权值。最高位权值对应支路电流I/2只经过一次分流，次高位权值对应支路电流I/4只经过两次分流 ，其他各位权值对应支路电流分流 关系以此类推。总输出电流值是各支路电流的线性叠加。其输入为8位二进制数D(di),输出为模拟电压量。 S0S7为模拟开关，R2R电阻解码网络呈倒T形，运算放大器A构成求和电路。Si由输入数码Di控制，当Di=1时，Si接运放反相输入端（“虚地”），Ii流入求和电路； 当Di=0时，Si将电阻2R接地。 无论模拟开关Si处于何种位置，与Si相连的2R电阻均等效接“地”（地或虚地）。这样流经2R电阻的电流与开关位置无关，为确定值。 分析R2R电阻解码网络不难发现，从每个接点向左看的二端网络等效电阻均为R，流入每个2R电阻的电流从高位到低位按2的整倍数递减。设由基准电压源提供的总电流为I（I=VREF/R），则流过各开关支路（从右到左）的电流分别为I/2、I/4、I/8、I/16、I/32、I/64 I/128、I/256。 八位倒T形电阻网络D/A转换器的原理图如图2所示 图2 倒T形电阻网络D/A转换器 要使D/A转换器具有较高的精度，对电路中的参数有以下要求： （1）基准电压稳定性好；（2）倒T形电阻网络中R和2R电阻的比值精度要高； （3）每个模拟开关的开关电压降要相等。为实现电流从高位到低位按2的整倍数递减，模拟开关的导通电阻也相应地按2的整倍数递增。 由于在倒T形电阻网络D/A转换器中，各支路电流直接流入运算放大器的输入端，它们之间不存在传输上的时间差。电路的这一特点不仅提高了转换速度，而且也减少了动态过程中输出端可能出现的尖脉冲。它是目前广泛使用的D/A转换器中速度较快的一种。常用的CMOS开关倒T形电阻网络D/A转换器的集成电路有AD7520（10位）、DAC1210（12位）和AK7546（16位高精度）等。方案二 权电流型D/A转换器 尽管倒T形电阻网络D/A转换器具有较高的转换速度，但由于电路中存在模拟开关电压降，当流过各支路的电流稍有变化时，就会产生转换误差。为进一步提高D/A转换器的转换精度，可采用权电流型D/A转换器。 1原理电路如图3所示： 这组恒流源从高位到低位电流的大小依次为I/2、I/4、I/8、I/16、I/32、I/64、I/128、I/256。 图3 权电流型D/A转换器的原理电路当输入数字量的某一位代码Di=1时，开关Si接运算放大器的反相输入端，相应的权电流流入求和电路；当Di=0时，开关Si接地。 采用了恒流源电路之后，各支路权电流的大小均不受开关导通电阻和压降的影响，这就降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。 方案三：采用集成芯片DAC0832 实现 使用集成芯片实现D/A转换流程图如四所示：如图所示：为集成芯片DAC0832的引脚图： 该图为D/A转换器的逻辑框图：