D/A轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)

a/d轉(zhuǎn)換器的功能是把模擬量變換成數(shù)字量。由于實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的工作原理和采用工藝技術(shù)不同，因此生產(chǎn)出種類繁多的a/d轉(zhuǎn)換芯片。a/d轉(zhuǎn)換器按分辨率分為4位。6位。8位。10位。14位。16位和bcd碼的31/2位。51/2位等。按照轉(zhuǎn)換速度可分為超高速(轉(zhuǎn)換時(shí)間≤330ns),次超高速(330~3.3μs),高速(轉(zhuǎn)換時(shí)間3.3~333μs),低速(轉(zhuǎn)換時(shí)間>330μs)等。a/d轉(zhuǎn)換器按照轉(zhuǎn)換原理可分為直接a/d轉(zhuǎn)換器和間接a/d轉(zhuǎn)換器。所謂直接a/d轉(zhuǎn)換器，是把模擬信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，如逐次逼近型，并聯(lián)比較型等。其中逐次逼近型a/d轉(zhuǎn)換器，易于用集成工藝實(shí)現(xiàn)，且能達(dá)到較高的分辨率和速度，故目前集成化a/d芯片采用逐次逼近型者多;間接a/d轉(zhuǎn)換器是先把模擬量轉(zhuǎn)換成中間量，然后再轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，如電壓/時(shí)間轉(zhuǎn)換型(積分型),電壓/頻率轉(zhuǎn)換型，電壓/脈寬轉(zhuǎn)換型等。其中積分型a/d轉(zhuǎn)換器電路簡單，抗干擾能力強(qiáng)，切能作到高分辨率，但轉(zhuǎn)換速度較慢。有些轉(zhuǎn)換器還將多路開關(guān)?；鶞?zhǔn)電壓源。時(shí)鐘電路。譯碼器和轉(zhuǎn)換電路集成在一個(gè)芯片內(nèi)，已超出了單純a/d轉(zhuǎn)換功能，使用十分方便。

AD轉(zhuǎn)換器介紹

1. AD轉(zhuǎn)換器的分類

下面簡要介紹常用的幾種類型的基本原理及特點(diǎn)：積分型、逐次逼近型、并行比較型/串并行型、Σ-Δ調(diào)制型、電容陣列逐次比較型及壓頻變換型。

1）積分型（如TLC7135）

積分型AD工作原理是將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間(脈沖寬度信號(hào))或頻率(脈沖頻率)，然后由定時(shí)器/計(jì)數(shù)器獲得數(shù)字值。其優(yōu)點(diǎn)是用簡單電路就能獲得高分辨率，但缺點(diǎn)是由于轉(zhuǎn)換精度依賴于積分時(shí)間，因此轉(zhuǎn)換速率極低。初期的單片AD轉(zhuǎn)換器大多采用積分型，現(xiàn)在逐次比較型已逐步成為主流。

2）逐次比較型（如TLC0831）

逐次比較型AD由一個(gè)比較器和DA轉(zhuǎn)換器通過逐次比較邏輯構(gòu)成，從MSB開始，順序地對每一位將輸入電壓與內(nèi)置DA轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行比較，經(jīng)n次比較而輸出數(shù)字值。其電路規(guī)模屬于中等。其優(yōu)點(diǎn)是速度較高、功耗低，在低分辯率（12位）時(shí)價(jià)格很高。

3）并行比較型/串并行比較型（如TLC5510）

并行比較型AD采用多個(gè)比較器，僅作一次比較而實(shí)行轉(zhuǎn)換，又稱FLash(快速)型。由于轉(zhuǎn)換速率極高，n位的轉(zhuǎn)換需要2n-1個(gè)比較器，因此電路規(guī)模也極大，價(jià)格也高，只適用于視頻AD轉(zhuǎn)換器等速度特別高的領(lǐng)域。

串并行比較型AD結(jié)構(gòu)上介于并行型和逐次比較型之間，最典型的是由2個(gè)n/2位的并行型AD轉(zhuǎn)換器配合DA轉(zhuǎn)換器組成，用兩次比較實(shí)行轉(zhuǎn)換，所以稱為Half flash(半快速)型。還有分成三步或多步實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換的叫做分級(jí)（Multistep/Subrangling）型AD，而從轉(zhuǎn)換時(shí)序角度又可稱為流水線（Pipelined）型AD，現(xiàn)代的分級(jí)型AD中還加入了對多次轉(zhuǎn)換結(jié)果作數(shù)字運(yùn)算而修正特性等功能。這類AD速度比逐次比較型高，電路規(guī)模比并行型小。

4）Σ-Δ(Sigma?/FONT>delta)調(diào)制型（如AD7705）

Σ-Δ型AD由積分器、比較器、1位DA轉(zhuǎn)換器和數(shù)字濾波器等組成。原理上近似于積分型，將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間(脈沖寬度)信號(hào)，用數(shù)字濾波器處理后得到數(shù)字值。電路的數(shù)字部分基本上容易單片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音頻和測量。

5）電容陣列逐次比較型

電容陣列逐次比較型AD在內(nèi)置DA轉(zhuǎn)換器中采用電容矩陣方式，也可稱為電荷再分配型。一般的電阻陣列DA轉(zhuǎn)換器中多數(shù)電阻的值必須一致，在單芯片上生成高精度的電阻并不容易。如果用電容陣列取代電阻陣列，可以用低廉成本制成高精度單片AD轉(zhuǎn)換器。最近的逐次比較型AD轉(zhuǎn)換器大多為電容陣列式的。

6）壓頻變換型（如AD650）

壓頻變換型（Voltage-Frequency Converter）是通過間接轉(zhuǎn)換方式實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的。其原理是首先將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率，然后用計(jì)數(shù)器將頻率轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。從理論上講這種AD的分辨率幾乎可以無限增加，只要采樣的時(shí)間能夠滿足輸出頻率分辨率要求的累積脈沖個(gè)數(shù)的寬度。其優(yōu)點(diǎn)是分辯率高、功耗低、價(jià)格低，但是需要外部計(jì)數(shù)電路共同完成AD轉(zhuǎn)換。

2. AD轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)

1）分辯率(Resolution) 指數(shù)字量變化一個(gè)最小量時(shí)模擬信號(hào)的變化量，定義為滿刻度與2n的比值。分辯率又稱精度，通常以數(shù)字信號(hào)的位數(shù)來表示。

2）轉(zhuǎn)換速率(Conversion Rate)是指完成一次從模擬轉(zhuǎn)換到數(shù)字的AD轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間的倒數(shù)。積分型AD的轉(zhuǎn)換時(shí)間是毫秒級(jí)屬低速AD，逐次比較型AD是微秒級(jí)屬中速AD，全并行/串并行型AD可達(dá)到納秒級(jí)。采樣時(shí)間則是另外一個(gè)概念，是指兩次轉(zhuǎn)換的間隔。為了保證轉(zhuǎn)換的正確完成，采樣速率(Sample Rate)必須小于或等于轉(zhuǎn)換速率。因此有人習(xí)慣上將轉(zhuǎn)換速率在數(shù)值上等同于采樣速率也是可以接受的。常用單位是ksps和Msps，表示每秒采樣千/百萬次（kilo / Million Samples per Second）。

3）量化誤差(Quantizing Error) 由于AD的有限分辯率而引起的誤差，即有限分辯率AD的階梯狀轉(zhuǎn)移特性曲線與無限分辯率AD（理想AD）的轉(zhuǎn)移特性曲線（直線）之間的最大偏差。通常是1 個(gè)或半個(gè)最小數(shù)字量的模擬變化量，表示為1LSB、1/2LSB。

4）偏移誤差(Offset Error) 輸入信號(hào)為零時(shí)輸出信號(hào)不為零的值，可外接電位器調(diào)至最小。

5）滿刻度誤差(Full Scale Error) 滿度輸出時(shí)對應(yīng)的輸入信號(hào)與理想輸入信號(hào)值之差。

6）線性度(Linearity) 實(shí)際轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線的最大偏移，不包括以上三種誤差。

其他指標(biāo)還有：絕對精度(Absolute Accuracy) ，相對精度(Relative Accuracy)，微分非線性，單調(diào)性和無錯(cuò)碼，總諧波失真（Total Harmonic Distotortion縮寫THD）和積分非線性。

3. DA轉(zhuǎn)換器

DA轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部電路構(gòu)成無太大差異，一般按輸出是電流還是電壓、能否作乘法運(yùn)算等進(jìn)行分類。大多數(shù)DA轉(zhuǎn)換器由電阻陣列和n個(gè)電流開關(guān)(或電壓開關(guān))構(gòu)成。按數(shù)字輸入值切換開關(guān)，產(chǎn)生比例于輸入的電流(或電壓)。此外，也有為了改善精度而把恒流源放入器件內(nèi)部的。一般說來，由于電流開關(guān)的切換誤差小，大多采用電流開關(guān)型電路，電流開關(guān)型電路如果直接輸出生成的電流，則為電流輸出型DA轉(zhuǎn)換器。此外，電壓開關(guān)型電路為直接輸出電壓型DA轉(zhuǎn)換器。

1）電壓輸出型（如TLC5620）

電壓輸出型DA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(fù)載，由于無輸出放大器部分的延遲，故常作為高速DA轉(zhuǎn)換器使用。

2）電流輸出型(如THS5661A)

電流輸出型DA轉(zhuǎn)換器很少直接利用電流輸出，大多外接電流—電壓轉(zhuǎn)換電路得到電壓輸出，后者有兩種方法：一是只在輸出引腳上接負(fù)載電阻而進(jìn)行電流—電壓轉(zhuǎn)換，二是外接運(yùn)算放大器。用負(fù)載電阻進(jìn)行電流—電壓轉(zhuǎn)換的方法，雖可在電流輸出引腳上出現(xiàn)電壓，但必須在規(guī)定的輸出電壓范圍內(nèi)使用，而且由于輸出阻抗高，所以一般外接運(yùn)算放大器使用。此外，大部分CMOSDA轉(zhuǎn)換器當(dāng)輸出電壓不為零時(shí)不能正確動(dòng)作，所以必須外接運(yùn)算放大器。當(dāng)外接運(yùn)算放大器進(jìn)行電流電壓轉(zhuǎn)換時(shí)，則電路構(gòu)成基本上與內(nèi)置放大器的電壓輸出型相同，這時(shí)由于在DA轉(zhuǎn)換器的電流建立時(shí)間上加入了達(dá)算放入器的延遲，使響應(yīng)變慢。此外，這種電路中運(yùn)算放大器因輸出引腳的內(nèi)部電容而容易起振，有時(shí)必須作相位補(bǔ)償。

3）乘算型（如AD7533）

DA轉(zhuǎn)換器中有使用恒定基準(zhǔn)電壓的，也有在基準(zhǔn)電壓輸入上加交流信號(hào)的，后者由于能得到數(shù)字輸入和基準(zhǔn)電壓輸入相乘的結(jié)果而輸出，因而稱為乘算型DA轉(zhuǎn)換器。乘算型DA轉(zhuǎn)換器一般不僅可以進(jìn)行乘法運(yùn)算，而且可以作為使輸入信號(hào)數(shù)字化地衰減的衰減器及對輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)制的調(diào)制器使用。

4）一位DA轉(zhuǎn)換器

一位DA轉(zhuǎn)換器與前述轉(zhuǎn)換方式全然不同，它將數(shù)字值轉(zhuǎn)換為脈沖寬度調(diào)制或頻率調(diào)制的輸出，然后用數(shù)字濾波器作平均化而得到一般的電壓輸出(又稱位流方式)，用于音頻等場合。

4. DA轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)：

1）分辯率(Resolution) 指最小模擬輸出量（對應(yīng)數(shù)字量僅最低位為‘1’）與最大量（對應(yīng)數(shù)字量所有有效位為‘1’）之比。

2）建立時(shí)間(Setting Time) 是將一個(gè)數(shù)字量轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定模擬信號(hào)所需的時(shí)間，也可以認(rèn)為是轉(zhuǎn)換時(shí)間。DA中常用建立時(shí)間來描述其速度，而不是AD中常用的轉(zhuǎn)換速率。一般地，電流輸出DA建立時(shí)間較短，電壓輸出DA則較長。

其他指標(biāo)還有線性度(Linearity)，轉(zhuǎn)換精度，溫度系數(shù)/漂移。

（1）內(nèi)部電路板和其他零件的更換及相關(guān)操作必須由專業(yè)工程師或技術(shù)人員進(jìn)行。

（2）打開殼蓋前須保證設(shè)備斷電至少10min。殼蓋的打開須由專業(yè)工程師或技術(shù)人員進(jìn)行。

（3）防爆型的轉(zhuǎn)換器必須轉(zhuǎn)移到一個(gè)安全的區(qū)域進(jìn)行維修保養(yǎng)、拆卸、再組裝。

（4）轉(zhuǎn)換器電路板組件中包含敏感部件，可能會(huì)被靜電損壞。小心操作以免直接接觸電子

部件或電路板上的電路圖案，必要時(shí)需采取相應(yīng)的防靜電措施。

什么是a/d.d/a轉(zhuǎn)換:

隨著數(shù)字技術(shù)，特別是信息技術(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(biāo)，對信號(hào)的處理廣泛采用了數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)。由于系統(tǒng)的實(shí)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(jì)算機(jī)或數(shù)字儀表能識(shí)別。處理這些信號(hào)，必須首先將這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào);而經(jīng)計(jì)算機(jī)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(hào)才能為執(zhí)行機(jī)構(gòu)所接受。這樣，就需要一種能在模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間起橋梁作用的電路-模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。

將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的電路，稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器(簡稱a/d轉(zhuǎn)換器或adc,analog to digital converter);將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器(簡稱d/a轉(zhuǎn)換器或dac,digital to analog converter);a/d轉(zhuǎn)換器和d/a轉(zhuǎn)換器已成為信息系統(tǒng)中不可缺的組成部分，為確保系統(tǒng)處理結(jié)果的精確度，a/d轉(zhuǎn)換器和d/a轉(zhuǎn)換器必須具有足夠的轉(zhuǎn)換精度;如果要實(shí)現(xiàn)快速變化信號(hào)的實(shí)時(shí)控制與檢測，a/d與d/a轉(zhuǎn)換器還要求具有較高的轉(zhuǎn)換速度。轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度是衡量a/d與d/a轉(zhuǎn)換器的重要技術(shù)指標(biāo)。隨著集成技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已研制和生產(chǎn)出許多單片的和混合集成型的a/d和d/a轉(zhuǎn)換器，它們具有愈來愈先進(jìn)的技術(shù)指標(biāo)。