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D/A轉(zhuǎn)換器將輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量輸出,數(shù)字量是由若干數(shù)位構(gòu)成的,就是把每一位上的代碼按照權(quán)值轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的模擬量,再把各位所對應(yīng)的模擬量相加,所得到各位模擬量的和便是數(shù)字量所對應(yīng)的模擬量。
在集成化的D/A轉(zhuǎn)換器中,通常采用電阻網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬電流,然后再用運算放大器完成模擬電流到模擬電壓的轉(zhuǎn)換。目前D/A轉(zhuǎn)換集成電路芯片大都包含了這兩個部分,如果只包含電阻網(wǎng)絡(luò)的D/A芯片,則需要連接外接運算放大器才能轉(zhuǎn)換為模擬電壓。根據(jù)電阻網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)可以分為權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC 、T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC、倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC、權(quán)電流DAC等形式。
?。?)分辨率(Resolution)
D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率是指DAC電路所能分辨的最小輸出電壓與滿量程輸出電壓之比。最小輸出電壓是指輸入數(shù)字量只有最低有效位為1時的輸出電壓,最大輸出電壓是指輸入數(shù)字量各位全為1時的輸出電壓。DAC的分辨率可用下式表示:
分辨率=1/(2n-1)
式中,n表示數(shù)字量的二進制位數(shù)。
DAC產(chǎn)生誤差的主要原因有: 基準電壓VREF的波動,運放的零點漂移,電組網(wǎng)絡(luò)中電阻阻值偏差等原因。
?。?)轉(zhuǎn)換誤差
轉(zhuǎn)換誤差常用滿量程FSR(Full Scale Range)的百分數(shù)來表示。有時轉(zhuǎn)換誤差用最低有效位LSB(Least Significant Bit)的倍數(shù)來表示。
DAC的轉(zhuǎn)換誤差主要有失調(diào)誤差和滿值誤差。
DAC的分辨率和轉(zhuǎn)換誤差共同決定了DAC的精度。要使DAC的精度高,不僅要選擇位數(shù)高的DAC,還要選用穩(wěn)定度高的參考電壓源V REF和低漂移的運算放大器與其配合。
?。?)建立時間(Setting Time)
建立時間是指輸入數(shù)字量變化后,輸出模擬量穩(wěn)定到相應(yīng)數(shù)值范圍所經(jīng)歷的時間,是描述DAC轉(zhuǎn)換速度快慢的一個重要參數(shù)。
其他指標還有線性度(Linearity)、轉(zhuǎn)換精度、溫度系數(shù)/漂移等。
?。?)電壓輸出型
電壓輸出型D/A轉(zhuǎn)換器雖有直接從電阻陣列輸出電壓的,但一般采用內(nèi)置輸出放大器以低阻抗輸出。直接輸出電壓的器件僅用于高阻抗負載,由于無輸出放大器部分的延遲,故常作為高速D/A轉(zhuǎn)換器使用。
?。?)電流輸出型
電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器直接輸出電流,但應(yīng)用中通常外接電流一電壓轉(zhuǎn)換電路得到電壓輸出。電流一電壓可以直接在輸出引腳上連接一個負載電阻,實現(xiàn)電流一電壓轉(zhuǎn)換。但多采用的是外接運算放大器的形式。另外,大部分CMOS D/A轉(zhuǎn)換器當輸出電壓不為零時不能正確動作,所以必須外接運算放大器。由于在D/A轉(zhuǎn)換器的電流建立時間上加入了外接運算放入器的延遲,使D/A響應(yīng)變慢。此外,這種電路中運算放大器因輸出引腳的內(nèi)部電容而容易起振,有時必須作相位補償。
(3)乘算型
D/A轉(zhuǎn)換器中有使用恒定基準電壓的,也有在基準電壓輸入上加交流信號的,后者由于能得到數(shù)字輸入和基準電壓輸入相乘的結(jié)果而輸出,因而稱為乘算型D/A轉(zhuǎn)換器。乘算型D/A轉(zhuǎn)換器一般不僅可以進行乘法運算,而且可以作為使輸入信號數(shù)字化地衰減的衰減器及對輸入信號進行調(diào)制的調(diào)制器使用。
另外,根據(jù)建立時間的長短,D/A轉(zhuǎn)換器可分為以下幾種類型: 低速D/A轉(zhuǎn)換器,建立時間≥100μs;中速D/A轉(zhuǎn)換器,建立時間為10~100μs;高速D/A轉(zhuǎn)換器,建立時間為1~10μs;較高速D/A轉(zhuǎn)換器,建立時間為100ns~1μs;超高速D/A轉(zhuǎn)換器,建立時間為<100ns。
根據(jù)電阻網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)可以分為權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器、T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器、倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器、權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器等形式。
數(shù)模轉(zhuǎn)換有兩種轉(zhuǎn)換方式:并行數(shù)模轉(zhuǎn)換和串行數(shù)模轉(zhuǎn)換。
1、并行數(shù)模轉(zhuǎn)換
圖1為典型的并行數(shù)模轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)。虛線框內(nèi)的數(shù)碼操作開關(guān)和電阻網(wǎng)絡(luò)是基本部件。圖中裝置通過一個模擬量參考電壓和一個電阻梯形網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生以參考量為基準的分數(shù)值的權(quán)電流或權(quán)電壓;而用由數(shù)碼輸入量控制的一組開關(guān)決定哪一些電流或電壓相加起來形成輸出量。所謂“權(quán)”,就是二進制數(shù)的每一位所代表的值。例如三位二進制數(shù)“111“,右邊第1位的“權(quán)”是 20/23=1/8;第2位是21/23=1/4;第3位是22/23=1/2。位數(shù)多的依次類推。圖2為這種三位數(shù)模轉(zhuǎn)換器的基本電路,參考電壓VREF在R1、R2、R3中產(chǎn)生二進制權(quán)電流,電流通過開關(guān)。當該位的值是“0”時,與地接通;當該位的值是“1”時,與輸出相加母線接通。幾路電流之和經(jīng)過反饋電阻Rf產(chǎn)生輸出電壓。電壓極性與參考量相反。輸入端的數(shù)字量每變化1,僅引起輸出相對量變化1/23=1/8,此值稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器的分辨率。位數(shù)越多分辨率就越高,轉(zhuǎn)換的精度也越高。工業(yè)自動控制系統(tǒng)采用的數(shù)模轉(zhuǎn)換器大多是10位、12位,轉(zhuǎn)換精度達0.5~0.1%。
2、串行數(shù)模轉(zhuǎn)換
串行數(shù)模轉(zhuǎn)換是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成脈沖序列的數(shù)目,一個脈沖相當于數(shù)字量的一個單位,然后將每個脈沖變?yōu)閱挝荒M量,并將所有的單位模擬量相加,就得到與數(shù)字量成正比的模擬量輸出,從而實現(xiàn)數(shù)字量與模擬量的轉(zhuǎn)換。
隨著數(shù)字技術(shù),特別是計算機技術(shù)的飛速發(fā)展與普及,在現(xiàn)代控制、通信及檢測等領(lǐng)域,為了提高系統(tǒng)的性能指標,對信號的處理廣泛采用了數(shù)字計算機技術(shù)。由于系統(tǒng)的實際對象往往都是一些模擬量(如溫度、壓力、位移、圖像等),要使計算機或數(shù)字儀表能識別、處理這些信號,必須首先將這些模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號;而經(jīng)計算機分析、處理后輸出的數(shù)字量也往往需要將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)模擬信號才能為執(zhí)行機構(gòu)所接受。這樣,就需要一種能在模擬信號與數(shù)字信號之間起橋梁作用的電路--模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。