13 AD/DA转换

学习笔记
作者: MingXiao

13.1 数据采集和过程控制

AD/DA: Analog Digital Converter

模拟量输入通路

  • 传感器：换能
  • 放大器：高输入阻抗
  • 滤波器
  • 多路模拟开关：切换输入信号通路
  • 采样保持器：信号比较平缓的可以直接加到ADC；变化快的需要使用保持器

13.2 采样、量化和编码

采样：不赘述

量化：采集下来的电压瞬时值用数字表示，只能达到一定的精度，用分辨率表示

量化单位q就是电压的分辨率，而分辨率n用编码的比特数n表示

即一个电压5V使用8bit编码，那么\(q = 5/2^8 = 19\)mV，分辨率为8

由于q在数值上等于仅LSB的值，即000...001 = q，故q也称1LSB

编码：用二进制代码的形式表示数字量，有很多方式，常用自然二进制码

自然二进制码：输入量是满量程（FSR，full-scale range）的百分数，用二进制表示这个小数

故从MSB开始，分别是\(2^{-1}, 2^{-2},...,2^{-n}\)，无法表示小数点

13.3 D/A转换器

将输入的数字量转换为与其成比例的模拟信号的器件，大多数变成模拟电流，当然用运放就能转换成电压

权电阻网络D/A转换器

使用加权的电阻并联，每一个开关表示这个位置编码的0/1（当然实际上是半导体元件，不需要真的开关）

最终用输出电流\(I_o\)作为模拟电流，接上运放后\(V_o = -\frac{R_f}{R}V_{in}\)，其中\(V_{R}\)是最大值，\(R_f\)等于所有权电阻并联的阻值

这个网络输出的模拟信号会存在很多台阶，当D/A的位数变多，台阶的高度差变小，输出与真实信号更接近

主要性能指标

  • 分辨率：输入数据发生1LSB变化时输出模拟量的变化，显然\(\Delta = \frac{FSR}{2^{n}}\)，所以用n表示分辨率也行
  • 精度：\(Accuracy = \frac{Error}{FSR}\)，一般不能大于0.5LSB
  • 建立时间：从数字量输入到建立稳定输入的时间差

例：假定一个0.5V-2.5V的三角波被FSR=5V的8bitDA输出，写一个输出代码

解：首先需要看输出范围，0.5/0.019=26=1Ah，2.5 /0.019=128=80h，那么代码如下

Begin:	mov al, 1Ah		;下限值

Up:		out 80h, al		;假设输出口为80h
		inc al
		cmp al, 80h		;al<80h?
		jnz Up			;没到上限就接着上
		dec al			;超了就-1，开始下降

Down:	out 80h, al
		dec al
		cmp al, 1Ah
		jnz Down
		Jmp Begin

13.4 A/D转换器

原理有很多，这里只需要考虑逐次逼近式A/D转换器，因为它速度快，分辨率高，成本低

逐次逼近的原理就是从MSB到LSB的二分法，低于输入就要，超了就不要

逐次逼近A/D转换器

  • 由逐次逼近寄存器SAR，D/A转换器，比较器，缓冲器等组成
  • SAR含有位移寄存器，数据寄存器和去/留码的逻辑电路

需要在CLK下使用

其中\(V_i\)是模拟信号输入，D/A每次将编码后的数字信号转换为模拟电压，在放大器上比较

放大器输出1，那么这个码就留下，即这位的数字码编码为1

每一位码的去留，需要8个时钟周期

ADC的指标同DAC，不赘述



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