數(shù)模轉(zhuǎn)換板概述

如果CCD的質(zhì)量能夠滿足一定色彩位數(shù)的要求，為了獲得相應(yīng)的輸出效果，就要求有相應(yīng)位數(shù)的數(shù)模轉(zhuǎn)換實現(xiàn)數(shù)據(jù)采樣，才能獲得滿意的效果，如果CCD可以實現(xiàn)36位精度，卻使用了三個8位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，結(jié)果輸出出來就只剩下24位的數(shù)據(jù)精度了，這對于CCD是一種浪費(fèi)，而如果使用三個16位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，是實現(xiàn)了48位的數(shù)據(jù)輸出，但效果與36位比較并無改善，對數(shù)模轉(zhuǎn)換器就是一種浪費(fèi)了。

1. 數(shù)模轉(zhuǎn)換器是將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的系統(tǒng)，一般用低通濾波即可以實現(xiàn)。數(shù)字信號先進(jìn)行解碼，即把數(shù)字碼轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的電平，形成階梯狀信號，然后進(jìn)行低通濾波。

根據(jù)信號與系統(tǒng)的理論，數(shù)字階梯狀信號可以看作理想沖激采樣信號和矩形脈沖信號的卷積，那么由卷積定理，數(shù)字信號的頻譜就是沖激采樣信號的頻譜與矩形脈沖頻譜(即Sa函數(shù))的乘積。這樣，用Sa函數(shù)的倒數(shù)作為頻譜特性補(bǔ)償，由數(shù)字信號便可恢復(fù)為采樣信號。由采樣定理，采樣信號的頻譜經(jīng)理想低通濾波便得到原來模擬信號的頻譜。

一般實現(xiàn)時，不是直接依據(jù)這些原理，因為尖銳的采樣信號很難獲得，因此，這兩次濾波(Sa函數(shù)和理想低通)可以合并(級聯(lián))，并且由于這各系統(tǒng)的濾波特性是物理不可實現(xiàn)的，所以在真實的系統(tǒng)中只能近似完成。

2. 模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的系統(tǒng)，是一個濾波、采樣保持和編碼的過程。

模擬信號經(jīng)帶限濾波，采樣保持電路，變?yōu)殡A梯形狀信號，然后通過編碼器，

使得階梯狀信號中的各個電平變?yōu)槎M(jìn)制碼。

3. 比較器是將兩個相差不是很小的電壓進(jìn)行比較的系統(tǒng)。最簡單的比較器就是運(yùn)算放大器。

我們知道，運(yùn)算放大器在連有深度負(fù)反饋的條件下，會在線性區(qū)工作，有著增益很大的放大特性，在計算時往往認(rèn)為它放大的倍數(shù)是無窮大。而在沒有反饋的條件下，運(yùn)算放大器在線性區(qū)的輸入動態(tài)范圍很小，即兩個輸入電壓有一定差距就會使運(yùn)算放大器達(dá)到飽和。如果同相端電壓較大，則輸出最大電壓，一般是+12V;如果反相端電壓較大，則輸出最小電壓，一般是-12V。這樣，就實現(xiàn)了電壓比較功能。

真正的電壓比較器還會增加一些外圍輔助電路，加強(qiáng)性能。

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。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(zhǔn)的分?jǐn)?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(jìn)制數(shù)的每一位所代表的值。例如三位二進(jìn)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(jìn)制權(quán)電流,電流通過開關(guān)。當(dāng)該位的值是"0"時,與地接通;當(dāng)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(dá)0.5~0.1%。

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(dāng)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(jī)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)，對信號的處理廣泛采用了數(shù)字計算機(jī)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(jī)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(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。

將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的電路，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)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的電路稱為數(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)換器已成為計算機(jī)系統(tǒng)中不可缺少的接口電路。

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;如果要實現(xiàn)快速變化信號的實時控制與檢測，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)。本章將介紹幾種常用A/D與D/A轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)、工作原理及其應(yīng)用。

最常見的數(shù)模轉(zhuǎn)換器是將并行二進(jìn)制的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為直流電壓或直流電流，它常用作過程控制計算機(jī)系統(tǒng)的輸出通道，與執(zhí)行器相連，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的自動控制。數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路還用在利用反饋技術(shù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計中。