51-AD/DA、运放

AD/DA介绍也叫ADC/DAC大多数ADC采集的模拟信号是电压信号再转换成对应的数字信号很多传感器都是电阻变化但ADC不会直接识别声音、光、温湿度和电阻电流等的变化而是识别对应的电压变化。而DAC也是将输入的数字信号转换成对应的电压信号输出对于ADC来说传感器产生的模拟电压很小毫伏直接进入ADC分辨率太低需要将电压放大对于DAC呢由于DAC输出阻抗高输出的模拟电压驱动能力很弱带不动负载需要增强电压驱动能力。综上需要用到运算放大器。运算放大器几种用法电压比较器同相输入端IN,反相输入端IN-,比较器通过比较两输入端大小来输出高电平/低电平。IN IN-时输出端连接VCC,输出高电平IN IN-时输出端连接GND输出低电平。电压比较器只做大小对比反向放大器输入信号Vin和输出端都和反相输入端连接同相输入端接地等于0。首先如果反相端小于同相端那么Vout应该和VCC连接Vout增大由于out和反相端连接反相端也会被带着增大如果大到反相端大于同相端了out又和GND连接out减小反相端又跟着减小类似一个负反馈关系如此循环往复最后同相端和反相端电压相等输出端才不变了。在反向放大器中也是如此所以两个输入端电压均为0。而在运放中两个输入端的阻抗极大几乎无电流进入运放内所以在输入信号到R1再到R2最后到输出端这一路上电流都是相等的由此建立等式(Vin-0)/R1(0-Vout)/R2,最后得到Vout-(R2/R1)Vin。电压放大倍数A-R2/R1其中流入运放两输入端的电流≈0叫虚断在运放中是永远成立的同相端电压等于反相端电压叫虚短只在有负反馈时成立负反馈即输出端和反相输入端连接把部分输出信号送回输入端以抵消、减弱输入变化稳定电路和同相端连接叫正反馈加强变化同向放大器一样存在一个负反馈那么虚短成立此时输入信号和同相端连接根据虚短Vin就等于上方节点处的电压由于虚断从out到R2再到R1最后接地的这一路上电流相等电流I等于(Vout-0)/(R1R2),那么节点处电压VinVout-IR2,代入得VoutVin(R2/R1R2),放大倍数A1R2/R1电压跟随器一种同向放大器。不存在R2或者这条线不接地相当于R1无穷大代入公式即VoutVin,不放大电压但输出电压驱动能力很强阻抗很低电流大相当于使电压驱动能力增强DA原理T型电阻网络DAC此处运放存在负反馈则根据虚短两输入端电压相同有一方接地电压都为0节点处电压0那么开关不管接0还是1电压都是0不会影响上方网络的分流分压。从右往左看两个2R电阻并联阻值为R再和一个R串联阻值2R这三个电阻最终形成的2R的电阻又和一个2R并联如此循环最后总电阻为R。电流依旧从右往左两个I0相等而I12I0,两个I1相等I22I14I0如此循环最后I7128I0,I2I7256I0I0I/256,而IVref参考电压/R(总电阻)代入得I0Vref/(256R),反相输入端那条电路具体有多少I0要看开关接法最后Vout0-总I0Rfb,具体见图上公式PWM型一个电阻加一个电容就是低通滤波器图中有两个就是二阶低通滤波器性能更好如果电阻电容交换位置就是高通滤波器。PWM波形分为直流分量和交流分量直流分量就是电压平均值等于供电x占空比交流分量是正负交替不断变化的是用电压减去平均电压比如供电5v,占空比0.5直流分量就是2.5v交流分量就是5v-2.5v2.5v,0v-2.5v-2.5v交流分量围绕着直流分量不断变化。而低通滤波器则是使用电容通交流阻直流的特性使交流分量通过电容直接接地相当于过滤出去了剩下直流分量作为输出电压但此时电压驱动能力依旧很弱所以再接一个跟随器。DA的本质就是用输入数字对应的二进制里面的0和1去控制电路开关经过有不同阻值的支路最后得到电压对于PWM型的是数字控制占空比从而改变平均电压AD原理逐次逼近型对于温度、光等的模拟电压是未知的这时候可以应用电压比较器使用DAC输出电压去和模拟电压比较通过输出的电平判断大了还是小了然后改变逐次逼近这个未知的模拟电压最后得到一个相近的值就转换成数字信号此时DAC也需要一个Vref,通过得到的逼近值和参考电压比较公式见图最后得到数字