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如何正确使用数模转换器?

数模转换器(DAC)将数字信号转换为模拟信号,通过接收数字输入并产生相应的模拟输出电压或电流。
如何正确使用数模转换器?-图1

数模转换器(D/A 转换器,简称 DAC)是把数字量转变成模拟量的器件,以下是关于数模转换器的使用方法:

基本工作原理及结构

组成部分:主要由数字寄存器、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。

转换原理:将输入的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,对于一个 n 位的二进制数字量,其最小输出电压(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”)之比为 1/(2n-1),这决定了 D/A 转换器的分辨率。

常见类型及特点

权电阻网络 DAC: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,这种 DAC 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,但各权电阻的阻值都不相同,位数多时,其阻值相差甚远,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 DAC 中很少单独使用该电路。

R-2R 倒 T 形电阻网络 DAC:它克服了权电阻网络 DAC 中权电阻阻值多且差别大的缺点,只有 R、2R 两种阻值,工作速度较快、应用较多。

单值电流型网络 DAC: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 DAC 可以实现高速转换,转换精度较高。

实际应用中的使用方法

连接电路:根据具体的应用场景和需求,选择合适的 D/A 转换器芯片,并按照芯片的数据手册进行正确的电路连接,通常需要连接电源、地、参考电压、数字输入接口等引脚,将电源引脚连接到稳定的电源供应,地引脚连接到系统的接地端,参考电压引脚连接到精确的参考电压源,数字输入接口则与数字信号源相连。

配置参数:有些 D/A 转换器芯片可能需要通过外部电路或编程来配置一些参数,如输出范围、增益、偏移等,这些参数的配置可以通过硬件电路中的电位器、跳线等方式进行,也可以通过软件编程来实现,具体方法取决于芯片的特性和应用要求。

如何正确使用数模转换器?-图2

输入数字信号:将需要转换的数字信号输入到 D/A 转换器的相应输入端口,数字信号可以是来自计算机、微控制器、数字信号处理器等数字设备的数字数据,也可以是通过其他数字电路产生的信号,在输入数字信号之前,需要确保信号的格式和电平与 D/A 转换器的输入要求相匹配。

生成模拟信号:D/A 转换器在接收到数字信号后,会根据内部的转换算法和电路结构,将数字信号转换为相应的模拟信号,转换后的模拟信号可以通过输出端口输出,通常是电压或电流信号。

滤波处理:由于 D/A 转换器输出的模拟信号可能包含高频噪声和干扰成分,因此通常需要在输出端连接一个低通滤波器,以滤除这些不需要的信号成分,使输出的模拟信号更加平滑和稳定。

性能指标及选型考虑因素

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/(2N-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: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,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。

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。

温度系数:在满刻度输出的条件下,温度每升高 1℃,输出变化的百分数定义为温度系数。

如何正确使用数模转换器?-图3

电源抑制比:对于高质量的 D/A 转换器,要求开关电路及运算放大器所用的电源电压发生变化时,对输出电压影响极小,通常把满量程电压变化的百分数与电源电压变化的百分数之比称为电源抑制比。

工作温度范围:一般情况下,影响 D/A 转换精度的主要环境和工作条件因素是温度和电源电压变化,由于工作温度会对运算放大器加权电阻网络等产生影响,所以只有在一定的工作范围内才能保证额定精度指标,较好的 D/A 转换器的工作温度范围在 40℃~85℃之间,较差的 D/A 转换器的工作温度范围在 0℃~70℃之间,多数器件其静、动态指标均在 25℃的工作温度下测量。

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