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[资料] D/A转换
2018-1-10 11:24:24  587
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数模转换器(D/A)就是一种把数字信号转换成为模拟电信号的器件。实际上,D/A 转换器输出的电量并不真正能连续可调,而是以所用 D/A 转换器的绝对分辨率为单位递减,所以这实际上是准模拟量输出。
   1.D/A 转换器的基本原理
   D/A转换器用来将数字量转换成模拟量。它的基本要求是输出电压Uo应该和输入数字量D成正比,即
  Uo = DVR
   式中 VR——— 参考电压。

   每一个数字量都是数字代码的按位组合,每一位数字代码都有一定的“权”,对应一定大小的模拟量。为了将数字量转换成模拟量,应该将其每一位都转换成相应的模拟量,然后求和即得到与数字量成正比的模拟量。一般的数模转换器都是按这一原理设计的。
   数模转换器的类型很多,目前在集成化的数模转换器中经常使用的一种是 T 型网络 D/A转换器,其基本电路如图5.41所示。

   这个电路由 T型电阻解码网络、模拟电子开关及求和放大器组成,其框图如图5.42所示。模拟电子开关受数字量的数字代码所控制,代码为0时开关接地,代码为1时开关接到参考电源VR。T 型电阻网络用来把每位代码转换成相应的模拟量。
  这里所用的 T 型电阻网络有个特点,电阻的种类只有两种,即R 或者2R。因此在具体实现,特别是在集成化实现时比较方便。为了理解它的转换原理,现在假设只有d0 =1,其余各位均为0。根据等效电源定理不难看出,每经过一个并联支路,等效电源电压减少一半,而等效电源内阻不变,总为R,如图5.43所示。这样传递到最左端,运算放大器输入端前的等效电源内阻仍为R,而等效电势经过n个支路的递减为VR/2n 。类似地,当di 支路接1,其余支路开关都接0时,传递到运算放大器输入端前的等效电源内阻也为R,而等效电势则为VR/2 n-i。
   根据叠加原理,总的等效电势可视为各个支路的等效电势之和:

   从而实现了数模转换的基本要求:输出模拟量与输入数字量成正比。
   以上分析是在理想情况下进行的。在实际电路中,由于参考电压UR 偏离标准值,运算放大器的温度误差、零点漂移,模拟开关的不理想所造成的传输误差,以及电阻阻值误差等,都可能引起转换误差,使得输出模拟量与输入数字量不完全成比例。为了改进数/模转换器的性能,可以采用图5.44所示的权电流 D/A 转换器。
   这个电路由电流源解码网络、模拟电子开关和运算放大器组成,即用电流源代替了各支路的电阻,各支路的电流源的电流是和代码的权值成正比的。各个支路的电流是直接连到运算放大器的输入端,不像在T型网络中要经过网络的传输,因而避免了各支路电流到达运算放大器输入端的传输误差,也有利于提高转换的精度。采用电流源以后,对于模拟开关的要求可以降低,因为支路电流可以不受开关内阻的影响。由图5.44不难得出:

   从而也实现了按比例的 D/A 转换,并改进了性能。

     以上介绍的 D/A 转换器都是并行工作的,即各位代码的输入是并行的,各位代码转换成模拟量也是同时开始的。因此 D/A 转换的速度一般都是比较快的。这类电路若和单片机及其他微处理器连接,速度配合比较简单,信息传送可以采取无条件传送方式,而可以不必采用查询或中断方式。
    接 D/A 转换器和间接 D/A 转换器。直接 D/A 转换器是指直接将输入的数字信号转换为输出的模拟信号;而间接 D/A 转换器则是先将输入的数字信号转换为某种中间量,然后再把这种中间量转换成为输出的模拟信号。例如,可以把输入的数字信号首先转换成为频率一定、宽度随数字信号变化的脉冲信号;然后再利用低通滤波器提取其平均值,从而得出相应的模拟信号。不过这类间接D/A转换方式在集成D/A转换器中很少使用,因此直接D/A转换器是本章介绍的重点。
   直接 D/A 转换器通常由组权电阻网络或梯形电阻网络与一组控制开关组成。其输入端为一组数据输入线与联络信号线(控制线),其输出端为模拟信号线。按输入端的结构分类大致又可以分为两种;一种是输入端带有数据锁存器,这种 D/A 转换器的数据线可以直接和计算机的数据总线相接;另一种D/A 转换器的数据输入端不带数据锁存器,这 时 就 需 要 另 外 配 接 数 据 寄 存 器。D/A 转换器的基本框图如图5.45所示。一般单片集成 D/A 转换器芯片的电路结构 至 少 包 含 图 中 虚 线 框 内 的 电 路部分。

   2.D/A 转换器的主要技术指标
   (1)分辨率。这 里 指 最 小 输 出 电 压(对应的输入数字量只有最低有效位为“1”)与最大输出电压(对应的数字输入信号所有有效位全为“1”)之比。例如,对于10位 D/A 转换器,其分辨率为

   分辨率越高,转换时,对应数字输入信号最低位的模拟信号电压数值越小,也就越灵敏。有时,也用数字输入信号的有效位数来给出分辨率。
   例如,单片集成 D/A 转换器 AD7541的分辨率为12位,单片集成 D/A 转换器 DAC0832的分辨率为8位等。
  (2)线性度。通常用非线性误差的大小表示D/A转换器的线性度。并且,把理想的输入/输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数,定义为非线性误差。
   例如,单片集成 D/A转换器 AD7541的线性度(非线性误差)为 ≤±0.02% FSR(FSR为满刻度)。
  (3)转换精度。转换精度以最大的静态转换误差的形式给出。这个转换误差应该是包含非线性误差、比例系数误差以及漂移误差等综合误差。
   (4)建立时间。对于一个理想的D/A转换器,其数字输入信号从一个二进制数变到另一个二进制数时,当其输出模拟信号电压,应立即从原来的输出电压跳变到与新的数字信号相对应的新的输出电压。但是在实际的 D/A 转换器中,电路中的电容、电感和开关电路会引起电路时间延迟。所谓建立时间,系指数模转换器中的输入代码有满度值的变化时,其输出模拟信号电压(或模拟信号电流)达到满刻度值 ±1/2LSB(或与满刻度值差百分之多少)时所需要的时间。不同型号的 D/A 转换器,其建立时间不同,一般从几个纳秒到几个微秒。输出形式是电流的,其D/A转换器的建立时间是很短的,输出形式是电压的,D/A转换器的主要建立时间是其输出运算放器所需的相应时间。
   例如,单片集成 D/A 转换器 AD7541的建立时间为:当其输出达到与满刻度值差0.01%时,建立时间小于或等于1μs。而单片集成D/A转换器AD561J的建立时间为:当其输出达到满刻度值±1/2LSB时,建立时间为250ns。
   (5)温度系数。在满刻度输出的条件下,温度每升高1℃,输出变化的百分数定义为温度系数。
   例如,单片集成 AD561J的温度系数为小于或等于10ppmFSR/℃(ppm 为百万分之一)。
   (6)电源抑制化。对于高质量的D/A转换器,要求开关电路及运算放大器所用的电源电压发生变化时,对输出的电压影响极小。通常把满量程电压变化的百分数与电源电压变化的百分数之比称为电源抑制比。
   (7)输出电平。不同型号的数/模转换器件的输出电平相差较大,一般为5V~10V。有的高压输出型的输出电平,则高达24~30V。还有些电流输出型的D/A转换器,低的为几个mA到几十个 mA,高的可达3A。
   (8)输入代码。输入代码有二进制码、BCD码(二 十进制编码)、双极性时的符号 -- 数值码、补码、偏移二进制码等。
   (9)输入数字电平。它是指输入数字信号分别为“1”和“0”时,所对应的输入高、低电平的起码数值。例如,单片集成 D/A 转换器 AD7541的输入数字电平:UIH >2.4V,UIL <0.8V。
   (10)工作温度范围。因为工作温度会对运算放大器和加权电阻网络等产生影响,所以只有在一定的温度范围,才能保证额定精度指标。较好的转换器工作温度范围在 -40~85℃ 之间,较差的转换器工作温度范围在0~70℃ 之间。
   3.D/A 转换器的选择
   选择 D/A 转换芯片时,主要考虑芯片的性能、结构及应用特性。其在性能上,必须满足D/A 转换的技术要求;在结构和应用上,应满足接口方便、外围电路简单、价格低廉等要求。
   D/A 转换器的选择要点:
  (1)D/A 转换芯片主要性能指标的选择。芯片的器件手册会给出 D/A 转换器的主要性能指标,在D/A接口的实际应用中,用户在选择时主要考虑的是用位数(8位、12位)表示的转换精度和转换时间。
   (2)D/A 芯片的主要结构特性与应用特性选择。D/A 转换器的特性虽然主要表现为芯片内部结构的配置状况。但这些配置状况对 D/A 转换接口电路设计带来很大影响,主要有:
   1)数组输入特性。数字输入特性包括接收数的码制、数据格式以及逻辑电平等。
  2)数字输出特性。目前多数 D/A 转换器件属电流输出器件。手册上通常给出在规定的输入参考电压及参考电阻之下的满码(全1)输出电流Io。另外,还给出最大输出短路电流以及输出电压允许范围。
  3)锁存特性及转换控制。D/A转换器对数字量输入是否具有锁存功能将直接影响与计算机 CPU 的接口设计。如果 D/A 转换器没有输入锁存器,通过 CPU 数据总线传送数字量时,必须外加锁存器,否则只能通过具有输出锁存功能的I/O 口给 D/A 送入数字量。
  4)参考源。D/A 转换中,参考电压源是唯一影响输出结果的模拟参量,是 D/A 转换接口中的重要电路,对接口电路的工作特性、电路的结构有很大影响。使用片内自带低漂移精密参考电压源的 D/A 转换器,不仅能保证有好的转换精度,而且可以简化接口电路。
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