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数模转换的概念:数模转换器,又称D/A转换器,简称DAC,它是把数字量转变成模拟的器件。D/A转换器基本上由4个部分组成,即权电阻网络、运算放大器、基准电源和模拟开关。
随着数字技术,特别是信息技术的飞速发展与普及,在现代控制、通信及检测等领域,为了提高系统的性能指标,对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。由于系统的实际对象往往都是一些模拟量(如温度、压力、位移、图像等),要使计算机或数字仪表能识别、处理这些信号,必须首先将这些模拟信号转换成数字信号;而经计算机分析、处理后输出的数字量也往往需要将其转换为相应模拟信号才能为执行机构所接受。这样,就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路--模数和数模转换器。
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);将数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器(简称D/A转换器或DAC,Digital to Analog Converter);A/D转换器和D/A转换器已成为信息系统中不可缺少的接口电路。
数模转换的概念:数模转换器,又称D/A转换器,简称DAC,它是把数字量转变成模拟的器件。D/A转换器基本上由4个部分组成,即权电阻网络、运算放大器、基准电源和模拟开关。模数转换器中一般都要用到数模转换器,模数转换器即A/D转换器,简称ADC,它是把连续的模拟信号转变为离散的数字信号的器件。
基本概念
随着数字技术,特别是信息技术的飞速发展与普及,在现代控制、通信及检测等领域,为了提高系统的性能指标,对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。由于系统的实际对象往往都是一些模拟量(如温度、压力、位移、图像等),要使计算机或数字仪表能识别、处理这些信号,必须首先将这些模拟信号转换成数字信号;而经计算机分析、处理后输出的数字量也往往需要将其转换为相应模拟信号才能为执行机构所接受。这样,就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路--模数和数模转换器。
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);将数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器(简称D/A转换器或DAC,Digital to Analog Converter);A/D转换器和D/A转换器已成为信息系统中不可缺少的接口电路。
为确保系统处理结果的精确度,A/D转换器和D/A转换器必须具有足够的转换精度;如果要实现快速变化信号的实时控制与检测,A/D与D/A转换器还要求具有较高的转换速度。转换精度与转换速度是衡量A/D与D/A转换器的重要技术指标。随着集成技术的发展,现已研制和生产出许多单片的和混合集成型的A/D和D/A转换器,它们具有愈来愈先进的技术指标。
模块设计
本实例的A/D模块采用流水线结构的12位模-数转换器(ADC),内部由流水线ADO、基准电压源、控制逻辑、FIFO、缓冲器、采样保持器和多路器切换开关等组成。其功能有:
·片选信号CS,低电平有效,设置片选信号,以便与各种处理器连接。
·转换时钟或启动转换信号,单次转换时为启动转换,连续转换时是时钟输入信号。
·数据有效可以读取信号,可作为转换结束或数据准备好信号输出。
·模拟单端输入时,分别接外部信号,差分输入时,前后两个端子分别组成一对差分输入端。
·读信号RD、写WR或读写组合信号,实现数据的输入输出控制。
·模拟电源、数字电源和缓冲器电源的输入端,一股前者采用5V电源,后两者采用3.3V电源。
值得注意的是,A/D模块内部的FIFO安排成环形,采用读取点、写入点和触发点控制读写操作,如图1所示。
系统采用中断方式来设计A/D模块,其工作原理是由ARM的CLK时钟连接A/D芯片的转换时钟控制采样保持和A/D变换。这样让设定通道的信号同时采样保持,然后分别转换为数字信号并自动顺序写入FIFO,同时FIFO的写入点向前移动,指示下一个写入点;当FIFO内的数据达到预定的触发深度时,发出数据就绪信号申请中断,ARM响应中断读取转换数据,同时清除信号,读取点和触发点向前移动。芯片的工作方式由两个寄存器控制,通过编写ARM程序写寄存器,可以选择使用通道、工作模式、∏FO触发深度、极性与触发方式等。
转换过程
A/D转换可分为4个阶段:即采样、保持、量化和编码。
采样就是将一个时间上连续变化的信号转换成时间上离散的信号,根据奈奎斯特采样定理fsZZfh,如果采样信号频率大于或等于2倍的最高频率成分,则可以从采样后的信号无失真地重建恢复原始信号。考虑到模数转换器件的非线性失真、量化噪声及接收机噪声等因素的影响,采样频率一般取2.5~3倍的最高频率成分。但转换速度较慢。有些转换器还将多路开关。基准电压源。时钟电路。译码器和转换电路集成在一个芯片内,已超出了单纯a/d转换功能,使用十分方便。
要把一个采样信号准确地数字化,就需要将采样所得的瞬时模拟信号保持一段时间,这就是保持过程。保持是将时间离散、数值连续的信号变成时间连续、数值离散信号,虽然逻辑上保持器是一个独立的单元,但是,实际上保持器总是与采样器做在一起,两者合称采样保持器。图给出了A/D采样电路的采样时序图,采样输出的信号在保持期间即可进行量化和编码。
量化是将时间连续、数值离散的信号转换成时间离散、幅度离散的信号;编码是将量化后的信号编码成二进制代码输出。到此,也就完成了A/D转换,这些过程通常是合并进行的。例如,采样和保持就经常利用一个电路连续完成,量化和编码也是在保持过程中实现的。
D/A和A/D具体工作原理
DAC即Digital to Analog Converter,数字到模拟量转换器,把枯燥无味的数字转换成现实中的、模拟的增量。DAC是个黑盒,输进去一串101010111000……,DAC内部按照预定的位数,6位、8位、24位量化结果,输出端给出持续变化的电压或电流,参考另外一路电压或电流,则那组持续变化的电压/电流就有了意义。驱动LED则会闪烁,驱动电机则会停停走走,驱动喇叭会发出声音,于是DAC就有了意义。
ADC原理完全相反,自然界中的模拟量如声音、水温、颜色、速度、力量、化学成分……在输入的热电偶、传感器、话筒、温控电阻上产生一路变化的电压,ADC按照预定位数、频率,把这些变化的模拟量量化成一串10100111000……,然后如何处理就不关它事了。ADC存在于今日众多日常设备中,数码相机、手机、电脑、录音笔、汽车上的数百个传感器、安检门、雷达等等……。
DAC原理解释——
DAC不是一个伴随着高科技的电子技术才问世的东西,早在19世纪即有机械式DAC,把一串二进制纸带打孔信号量化成几个灯泡的顺序开启,这个我们不做研究。
二进制数字转换成模拟量,首先举例,比如我们知道二进制b‘1000换十进制是d’8,b‘0101是d’5。(b表示binary斌纳瑞二进制,d表示decimal黛西猫十进制,是不是萌萌哒?)那我们需要把这两个二进制数字输入DAC后,得到开启的8个灯泡和5个灯泡(模拟量量化),需要做什么工作呢?首先我们从19世纪的开尔文男爵那里得到了开尔文分压器电路,目前世界上大多数DAC仍然使用相近的原理:
说明:
·Terminal A接参考电压,Terminal B接地线。
·LSB是最低有效位,即0101的最低位那个1,就进LSB,造成LSB位的开关导通。
·MSB是最高有效位,如果我们输入100000这个七位数,最高位的那个1就进入MSB,造成开关导通。
·电阻R的每个电阻阻值都完全相同。
让我们分析一下这个东西:
1·当没有开关导通,即输入00000……时,电流从A到B,过串联的7个电阻入地,如果每个电阻的阻值都是10欧,而参考电压是10伏特,则输出TAP是浮动。
2·输入0000001,LSB开关导通,相当于串联70欧电阻,并联0欧电阻,根据电压分压公式得出输出是0伏。
3·输入0000010,LSB闭合,第二个开关导通,等效于串联60欧姆电阻,并联10欧姆电阻,由分压公式得出1.42V,这个电压代表2。
4·输入0000100,低位第3个电阻接通,等效于串联50欧姆,并联20欧姆,分压公式得出2.857,这个电压代表4。
输入10000000,开启最高位,等效于短路,参考电压10伏直接输出,这个电压代表128。
综上,只要把二进制数字分组(DAC每次转换是并行处理,即一组数字共同发过去开启开关)源源不断的输入DAC,TAP输出端即可每次量化出不同的电压,D to A就此完成。另外如果TAP端接电压,Terminal B做输出端,则每次输出的都是电压不变,电流变化的电流输出信号。
这个图片十分简陋,仅仅是简单的说明了记权电阻网络,即“音量开关”型DAC的简易工作原理。在实际生活中,我们接触和使用最多的,是R-2R电阻网络式DAC:
图中左侧三角是运算放大器,输入的差分端同两组不同的电阻网络连接,输入数字后,根据电阻分压原理,改变运算放大器的“负端”电位,实现输出Uo的变化。基本原理跟上边那个图没有明显区别。
ADC则完全相反过来。
就这样,没有用欧姆定律吓人,没有艰深莫测的名词,这是我能做到的最简易的方式向题主解释DAC的原理。
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2009-05-10 标签:A/D 797 0
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