微计算机中的D/A转换电路

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电子计算机包括模拟计算机和数字计算机两大类,现在大家所接触的微型计算机,绝大多数属于数字电子计算机,它采用二进制数进行运算。在工业生产过程中需要用计算机处理的物理量大多数是连续变化的,如:温度、流量、浓度、压力和角速度等。使用计算机实现生产过程的连续控制时,除了要使用有关传感器将物理量转换成相应模拟电压信号外,还必须把计算机不认识的模拟电压信号进一步转换成相应的数字信号,最后才能送入计算机进行处理。作为处理结果的数字信号,也需要转换成相应的模拟电压信号,做为最后输出。我们把前一种从模拟信号到数字信号的转换称为模数转换,即A/D转换;把后一种从数字信号到模拟信号的转换称为数模转换,即D/A转换。

D/A转换比较简单,又是A/D转换的基础,所以本文先介绍D/A转换。

D/A转换器有权电阻、T型电阻、倒T型电阻、权电流和权电容等许多种类,其中权电阻型转换最直观,图1是它的原理图。

图1
图1 🔍原图 (577×372)

在介绍电路原理之前,先谈谈什么是“权”。下面是一个四位二进制数与十进制数转换的例子:1011(二进制)=1×2\(^{4}\)-1+0×24-2+1×2\(^{4}\)-3+1×24-4=11(十进制)二进制数每一位“ 1”所代表的十进制数的大小,叫这一位的“权”。因此最高位(MSB)的“1”表示 2\(^{4}\)-1=8、最低位(LSB)的“1”表示24-4=等。根据这个规律,读者不难推出,一个n位的二进制数。从MSB开始的“权”依次为:2\(^{n-1}\)、2n-2、……2\(^{1}\)、20。

回头再看图1,这是一个四位权电阻型D/A转换器,它由权电阻网络、模拟开关S\(_{3}\)至S0及求和放大器∑组成。模拟开关S\(_{3}\)至S0的状态受输入二进制代码d\(_{3}\)至d0的控制。d\(_{i}\)为“1”时,开关将电阻接参考电压Vref;d\(_{i}\)为“0”时,开关电阻接地。权电阻网络包括4个电阻,电阻的阻值与对应位的权成反比:MSB的权(2\(^{3}\))最大,但该位阻值最小(20· R);而LSB的权(2\(^{0}\))最小;其阻值(23· R)却最大。因此相应各位电阻上流过的电流与权成正比;从MSB开始,I3、I\(_{2}\)、I1和I\(_{0}\)分别为Vref/2\(^{0}\)·R、V\(_{ret}\)/21·R、Vref/2\(^{2}\)·R·和V\(_{ref}\)/23·R。求和放大器总的输入电流I为I3至I\(_{0}\)之和,将上述每一位的电流数值一一代入,并考虑d3至d\(_{0}\)代码的控制作用,可以推出下式:

图2
图2 🔍原图 (884×717)

上式表明,转换后输出的模拟电压V\(_{0}\),正比于输入的二进制数代码,故而实现了从数字量到模拟量的转换。

上述权电阻型电路虽然看起来直观、简单,但使用集成工艺实现比较困难,这主要是因为权电阻网络里的电阻阻值相差太悬殊。如果有一个12位的权电阻D/A转换器,当最小的电阻为10K时,最大的电阻将达到2\(^{11}\)·R=20.48M,在这么宽的阻值范围内很难保证电阻的制作精度,所以很多集成电路采用图2倒T型D/A转换方案,在这种方案里,只有R和2R两种阻值的电阻,容易从工艺上保证其制作精度,这种电路的输出电压V\(_{0}\)表达式仍同上式,有兴趣的读者可以自行推导。我们可以设想一个3位的D/A转换器作为实际例子,根据上述V0表达式可得:

V\(_{0}\)=-Vref2\(^{3}\)(4d\(_{2}\)+2d1+d\(_{0}\))

图3
图3 🔍原图 (654×386)

设V\(_{ref}\)为-12V,这个三位D/A转换器的输入和输出关系可列成附表。由表可见:输入的二进制数d2d\(_{1}\)d0每次加1,输出电压就增加1.5V,而且它的满度输出电压是10.5V。

附表

d2 d1 d0 无偏移输出 偏移-6V输出

1 1 1 10.5V 4.5V

1 1 0 9V 3V

1 0 1 7.5V 1.5V

1 0 0 6V 0V

0 1 1 4.5V -1.5V

0 1 0 3V -3V

0 0 1 1.5V -4.5V

0 0 0 0V -6V

如果将表内中栏的一系列输出电压值减去6V,就得到附表最右栏的有正有负的电压值。从表中可见:d\(_{2}\)为1时,输出电压是正电压(包括零);d2为0时,输出负电压。这就是所谓“偏移二进制”编码,它是专门用来解决正负模拟电压的转换问题的。在偏移二进制中,最高位(本例的d\(_{2}\))是符号位,这个符号位与补码形式输入的符号位正好相反,在电路上用一反相器即可实现。实现电压偏移还需要另外附加电路,这里就不再介绍了。

D/A转换器性能的重要指标是它的分辨率,即最小输出电压(输入为0……01时)与最大输出电压(输入为11……1时)之比。对于n位D/A转换器来说,分辨率为1比(2\(^{n}\)-1),近似等于2-n,显然,位数多则分辨率好。其次,转换精度和转换速度也是重要的性能指标。

微型计算机经常使用的10位D/A集成电路是CMOS型的5G7520,它与运算放大器5G28配合使用,可构成中速(转换时间2μs)D/A转换器。D/A转换器与微型机相连时,由于计算机速度快,其输出的数据信号维持时间很短,往往需要使用锁存器把数据保存起来。为此,国外有些D/A集成电路在数字输入端设计有两级缓冲寄存器,如8位的DAC0832、12位的DAC1210等。(许奇雄)