數(shù)模轉(zhuǎn)化器方式及原理

并行數(shù)模轉(zhuǎn)換數(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(kāi)關(guān)和電阻網(wǎng)絡(luò)是基本部件。圖中裝置通過(guò)一個(gè)模擬量參考電壓和一個(gè)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(kāi)關(guān)決定哪一些電流或電壓相加起來(lái)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(guò)開(kāi)關(guān)。當(dāng)該位的值是“0”時(shí),與地接通;當(dāng)該位的值是“1”時(shí),與輸出相加母線接通。幾路電流之和經(jīng)過(guò)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(duì)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(dòng)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(gè)脈沖相當(dāng)于數(shù)字量的一個(gè)單位，然后將每個(gè)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(shí)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(jì)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(cè)等領(lǐng)域，為了提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)，對(duì)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(duì)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(jiǎn)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(jiǎn)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(jì)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(shí)現(xiàn)快速變化信號(hào)的實(shí)時(shí)控制與檢測(cè)，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(lái)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。

數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合起來(lái)表示的，對(duì)于有權(quán)碼，每位代碼都有一定的位權(quán)。為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，必須將每1位的代碼按其位權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字量成正比的總模擬量，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)字—模擬轉(zhuǎn)換。這就是組成D/A轉(zhuǎn)換器的基本指導(dǎo)思想。圖11.1.1表示了4位二進(jìn)制數(shù)字量與經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換后輸出的電壓模擬量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 由圖11.1.1還可看出，兩個(gè)相鄰數(shù)碼轉(zhuǎn)換出的電壓值是不連續(xù)的，兩者的電壓差由最低碼位代表的位權(quán)值決定。它是信息所能分辨的最小量，也就是我們所說(shuō)的用1LSB(Least Significant Bit)表示。對(duì)應(yīng)于最大輸入數(shù)字量的最大電壓輸出值(絕對(duì)值)，用FSR(Full Scale Range)表示。D/A轉(zhuǎn)換器由數(shù)碼寄存器、模擬電子開(kāi)關(guān)電路、解碼網(wǎng)絡(luò)、求和電路及基準(zhǔn)電壓幾部分組成。數(shù)字量以串行或并行方式輸入、存儲(chǔ)于數(shù)碼寄存器中，數(shù)字寄存器輸出的各位數(shù)碼，分別控制對(duì)應(yīng)位的模擬電子開(kāi)關(guān)，使數(shù)碼為1的位在位權(quán)網(wǎng)絡(luò)上產(chǎn)生與其權(quán)值成正比的電流值，再由求和電路將各種權(quán)值相加，即得到數(shù)字量對(duì)應(yīng)的模擬量。