D/A与A/D转换器工作原理解析

　　转换器介绍

　　转换器（converter）是指将一种信号转换成另一种信号的装置。信号是信息存在的形式或载体。在自动化仪表设备和自动控制系统中，常将一种信号转换成另一种与标准量或参考量比较后的信号，以便将两类仪表联接起来，因此，转换器常常是两个仪表（或装置）间的中间环节。下面就来看看D/A与A/D转换器工作原理解析。

　　D/A转换器的基本指导思想

　　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权。为了将数字量转换成模拟量，必须将每一位的代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得与数字量成正比的模拟量，从而实现了数字—模拟转换。

　　n位D/A转换器方框图

　　D/A转换器组成

　　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。

　　数字量以串行或并行方式输入并存储于数码寄存器中，寄存器输出的每位数码驱动对应数位上的电子开关将在电阻解码网络中获得的相应数字权值送入求和电路。求和电路将各权值相加便得到与数字量对应的模拟量。

　　D/A转换器分类

　　D/A转换的工作原理

　　D/A转换就是要将数字量D转换成与之成正比的模拟量V，即：V= R×D ，其中R为比例系数。若D为二进制数，则按权展开后 ： 

　　数模转换（D/A）电路形式是多种多样的，多数采用T型电阻解码网络。现以三位二进制数的数模转换电路说明其工作原理，如图10-3所示。在T型解码网络中，有一个标准电源VREF 。二进制数的每一位di（i=0，1，2）对应一个电阻2R，并由该二进制值di控制一个双向电子开关Ki，当di=0时Ki接地，当di=1时Ki接通右边运算放大器求和点。下面分析输出电压V。

　　当D= d2d1d0=111时，所有开关Ki均接放大器求和点∑，由于∑是虚地点，从A点看，D点与∑点均为地，所以：

　　由上式可见，输出电压与二进制数D成线性比例关系。调整运算放大器的反馈电阻R0和参考电压－VREF ，就可得到和n位二进制数成线性比例的输出电压V。

　　将（R-2R）T型电阻网络、二进制数码控制电子开关以其控制电路集成在一个芯片内，便形成了各种型号的D/A芯片。D/A转换芯片的输出方式有两种：电流输出与电压输出。实际使用时，常采用电流输出的D/A芯片外加运算放大器实现电压输出。从连接方式上看，D/A芯片可分为两类，一类是D/A芯片内设置有数据寄存器，具有数据写入选通信号和片选信号输入线，它们可以与80C51单片机直接接口，作为单片机的I/O扩展口。另一类D/A芯片内没有锁存器，输出信号随输入数据变化而变化，因此不能直接与CPU数据总线接口，必须通过并行口和系统连接。

　　A/D转换器介绍

　　将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器（简称a/d转换器或adc，analog to digital converter），A/D转换的作用是将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，因此，A/D转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，这些过程有的是合并进行的，例如，取样和保持，量化和编码往往都是在转换过程中同时实现的。

　　A/D转换器工作原理

　　A/D转换就是要将模拟量V（如V=5V）转换成数字量D（如D=255）。模/数（A/D）转换的型式较多，如计数比较型、逐次逼近型、双积分型等等。在集成电路器件中普遍采用逐次逼近型，现简要介绍逐次逼近型A/D的基本工作原理。

　　图为逐次逼近型的结构图。这种A/D转换器是以D/A转换器为基础，加上比较器、逐次逼近寄存器、置数选择逻辑电路及时钟等组成。其转换原理如下。

　　在启动信号控制下，首先置数选择逻辑电路，给逐次逼近寄存器最高位置“1”，经D/A转换成模拟量后与输入模拟量进行比较，电压比较器给出比较结果。如果输入量大于或等于经D/A变换后输出的量，则比较器为1，否则为0，置数选择逻辑电路根据比较器输出的结果，修改逐次逼近寄存器中的内容，使其经D/A变换后的模拟量逐次逼近输入模拟量。这样经过若干次修改后的数字量，便是A/D转换结果的量。

　　现逼近型A/D大多采用二分搜索法，即首先取允许电压最大范围的1/2值与输入电压值进行比较，也就是首先最高为“1”，其余位为“0”。如果搜索值在此范围内，则再取范围的1/2值，即次高位置“1”。如果搜索值不在此范围内，则应以搜索值的最大允许输入电压值的另外1/2范围，即最高位为“0”，依次进行下去，每次比较将搜索范围缩小1/2，具有n位的A/D变换，经n次比较，即可得到结果。逐次逼近法变换速度较快，所以集成化的A/D芯片多采用上述方法。

　　由图可知，A/D转换需外部启动控制信号才能进行，分为脉冲启动和电平启动两种，使用脉冲启动的芯片有ADC0804、ADC0809、ADC1210等。使用电平启动的芯片有ADC570、ADC571、ADC572等。这一启动信号由CPU提供，当A/D转换器被启动后，通过二分搜索法经n次比较后，逐次逼近寄存器的内容才是转换好的数字量。因此，必须在A/D转换结束后才能从逐次逼近寄存器中取出数字量。为此D/A芯片专门设置了转换结束信号引脚，向CPU发转换结束信号，通知CPU读取转换后的数字量，CPU可以通过中断或查询方式检测A/D转换结束信号，并从A/D芯片的数据寄存器（即图10-9中逐次逼近寄存器）中取出数字量。