数模转换器的相关知识

自动化控制技术控2019-02-10 13:32:03

01

数模转换器的概述


在过程计算机控制系统中,模拟量输出通道是实现控制的关键,它的任务是把计算机输出的数字量信号转换成模拟量电压或电流信号,以控制调节阀或驱动相应的执行机构,达到计算机控制的目的。模拟量输出通道一般由接口电路、控制电路、数模转化器和电压/电流(V/I)变换器构成。其核心是数模转化器。


一种将二进制数字量形式的离散信号转换成以标准量(或参考量)为基准的模拟量的转换器,简称 DAC或D/A 转换器。最常见的数模转换器是将并行二进制的数字量转换为直流电压或直流电流,它常用作过程控制计算机系统的输出通道,与执行器相连,实现对生产过程的自动控制。数模转换器电路还用在利用反馈技术的模数转换器设计中。


02

数模转换器的构成


数模转换器主要由数字寄存器、模拟电子开关、位权网络、求和运算放大器和基准电压源(或恒流源)组成。用存于数字寄存器的数字量的各位数码,分别控制对应位的模拟电子开关,使数码为1的位在位权网络上产生与其位权成正比的电流值,再由运算放大器对各电流值求和,并转换成电压值 。

03

数模转换器的分类及特点


根据位权网络的不同,可以构成不同类型的数模转换器,如权电阻网络模数转换器、R–2R倒T形电阻网络数模转换器和单值电流型网络数模转换器等。


权电阻网络数模转换器的转换精度取决于基准电压VREF,以及模拟电子开关、运算放大器和各权电阻值的精度。它的缺点是各权电阻的阻值都不相同,位数多时,其阻值相差甚远,这给保证精度带来很大困难,特别是对于集成电路的制作很不利,因此在集成的数模转换器中很少单独使用该电路 。


R–2R倒T形电阻网络数模转换器由若干个相同的R、2R网络节组成,每节对应于一个输入位。节与节之间串接成倒T形网络。R–2R倒T形电阻网络数模转换器是工作速度较快、应用较多的一种。和权电阻网络比较,由于它只有R、2R两种阻值,从而克服了权电阻阻值多,且阻值差别大的缺点  。


电流型数模转换器则是将恒流源切换到电阻网络中,恒流源内阻极大,相当于开路,所以连同电子开关在内,对它的转换精度影响都比较小,又因电子开关大多采用非饱和型的ECL开关电路,使这种数模转换器可以实现高速转换,转换精度较高。

04

数模转换器的采样率


模拟信号在时域上是连续的,因此可以将它转换为时间上连续的一系列数字信号。这样就要求定义一个参数来表示新的数字信号采样自模拟信号速率。这个速率称为转换器的采样率(samplingrate)或采样频率(samplingfrequency)


可以采集连续变化、带宽受限的信号(即每隔一时间测量并存储一个信号值),然后可以通过插值将转换后的离散信号还原为原始信号。这一过程的精确度受量化误差的限制。然而,仅当采样率比信号频率的两倍还高的情况下才可能达到对原始信号的忠实还原,这一规律在采样定理有所体现。


由于实际使用的模拟数字转换器不能进行完全实时的转换,所以对输入信号进行一次转换的过程中必须通过一些外加方法使之保持恒定。常用的有采样-保持电路,在大多数的情况里,通过使用一个电容器可以存储输入的模拟电压,并通过开关或门电路来闭合、断开这个电容和输入信号的连接。许多模拟数字转换集成电路在内部就已经包含了这样的采样-保持子系统



05

数模转换器的转换原理


数字量是用代码按数位组合起来表示的,对于有权码,每位代码都有一定的位权。为了将数字量转换成模拟量,必须将每1位的代码按其位权的大小转换成相应的模拟量,然后将这些模拟量相加,即可得到与数字量成正比的总模拟量,从而实现了数字—模拟转换。这就是组成D/A转换器的基本指导思想。


D/A转换器由数码寄存器、模拟电子开关电路、解码网络、求和电路及基准电压几部分组成。数字量以串行或并行方式输入、存储于数码寄存器中,数字寄存器输出的各位数码,分别控制对应位的模拟电子开关,使数码为1的位在位权网络上产生与其权值成正比的电流值,再由求和电路将各种权值相加,即得到数字量对应的模拟量。


串行数模转换是将数字量转换成脉冲序列的数目,一个脉冲相当于数字量的一个单位,然后将每个脉冲变为单位模拟量,并将所有的单位模拟量相加,就得到与数字量成正比的模拟量输出,从而实现数字量与模拟量的转换。

06

数模转换器的性能指标


D/A转换器的主要特性指标包括以下几方面:


分辨率: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(对应的输入数字量所有有效位全为“1”)之比。如N位D/A转换器,其分辨率为1/(2^N-1)。在实际使用中,表示分辨率大小的方法也用输入数字量的位数来表示。


线性度:用非线性误差的大小表示D/A转换的线性度。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。


转换精度:D/A转换器的转换精度与D/A转换器的集成芯片的结构和接口电路配置有关。如果不考虑其他D/A转换误差时,D/A的转换精度就是分辨率的大小,因此要获得高精度的D/A转换结果,首先要保证选择有足够分辨率的D/A转换器。同时D/A转换精度还与外接电路的配置有关,当外部电路器件或电源误差较大时,会造成较大的D/A转换误差,当这些误差超过一定程度时,D/A转换就产生错误。在D/A转换过程中,影响转换精度的主要因素有失调误差、增益误差、非线性误差和微分非线性误差。


转换速度:转换速度一般由建立时间决定。从输入由全0突变为全1时开始,到输出电压稳定在FSR±½LSB范围(或以FSR±x%FSR指明范围)内为止,这段时间称为建立时间,它是DAC的最大响应时间,所以用它衡量转换速度的快慢

07

数模转换器的输出方式


在计算机控制过程中,外部执行机构有电流控制的,也有电压控制的,因此根据不同的情况采用不同的输出方式。数模转换的结果若是与输入二进制码成比例的电流,则称为电流数模转化器;若是与输入二进制码成比例的电压,则称为电压数模转换器。


常用的数模转换芯片大多属于电流DAC,然而在实际应用中,大多数情况需要电压输出,这就需要把电流输出转为电压输出,采取的措施是用电流DAC电路外加运算放大器。输出的电压可以是单极性电压,也可以是双极性电压。输出电压的正负值视所加参考电压极性而定,可以有0一+5v或0一-5v,也可以有0一+10v或0一-10v等输出范围。若需双极性电压输出,可在单极性电压输出后再加一级运算放大器,输出范围有-5v一+5v和-10v一+10v。


当电流输出时,经常采用0一10mA(DC)或4一20mA(DC)电流输出。

Copyright © 丰城计算器学习组@2017