模/數轉換器和數/模轉換器展區

數碼實驗室 > 模/數轉換器和數/模轉換器展區

數/模轉換器

模/數轉換器

1數位電壓計

數/模轉換器

現代生活中,電子設備在通訊、運輸及娛樂等不同方面都得到廣泛的應用。由於現實中大部份的訊號都是模擬的,所以模 / 數轉換器 (ADC) 和數 / 模轉換器 (DAC) 這兩種轉換接口對數碼電子設備非常重要,是數碼電子設備處理模擬訊號的必要元件。例如,在圖1的音頻訊號處理中,模 / 數轉換器把由音頻輸入設備 (如麥克風) 收集到的模擬訊號,轉換為可以被電腦處理的數碼訊號;透過電腦可加入一些聲音效果,例如回音或調校音樂的拍子、音調等。而數/模轉換器則把處理過後的數碼訊號轉回模擬訊號,供給音頻輸出設備 (如揚聲器)。

圖1: 音頻訊號處理

數 / 模轉換器的結構是由一個加法放大器和一組連接到輸入的電阻 R、2R、4R、8R構成,見圖2,各電阻分別以比例的形式表示不同輸入位元的數權值。

圖 2: 以加法放大器構成的簡單數/模轉換器

最低電阻值的電阻R對應於最高數權的二進制輸入Bit 3 (最高有效位元) [23 = 8],而2R,4R和8R分別對應於Bit 2 (22 = 4)、Bit 1 (21 = 2) 和Bit 0 (最低有效位元) [20 = 1]。數碼輸入 (Bit 0 to Bit 3) 與模擬輸出 VOUT 的數學關係如下:

當中 Vref 是整個電路的參考電壓。假定 Vref 為5 V,表一列出了各數碼輸入編碼的對應模擬輸出電壓。

表1: 參考電壓為5 V時,與數碼輸入編碼相對應的模擬輸出電壓


模/數轉換器

在電子學中,模 / 數轉換器 (ADC) 用於將模擬訊號 (電流、電壓等) 轉換為數碼 (常用二進制) 編碼。在現實世界中,大部份人類能感覺及認知的訊號皆為模擬訊號,模/數轉換器是把模擬訊號轉換為可被電腦處理的數碼訊號的必要元件,見圖3。轉換後的數碼訊號可用作多種處理。

圖3: 音頻訊號處理

模/數轉換有多種方法,其中以利用逐次逼近原理轉換的模/數轉換器較為簡單和廉價。圖4是一個4位元模 / 數轉換器的轉換曲線。逐次逼近模 / 數轉換器的原理是在其內部由小至大產生一連串的數碼編碼,每個編碼對應特定的模擬電平,將要轉換的模擬訊號與這些模擬電平逐一比較,當模擬電平剛好大於模擬訊號時,就停止產生下一個模擬電平,此時,與當前模擬電平對應的數碼編碼就是模擬訊號的數碼表示方式。

圖4: 4位元模 / 數轉換器的理想轉換曲線

模 / 數轉換器以及數/模轉換器的性能主要由解析度及速度決定。

轉換器的解析度常以位元 (Bit) 表示。模 / 數轉換器的解析度是指它能把模擬輸入的範圍分解成多少個等份或階數 (電平),一個n位元的模 / 數轉換器有1 / 2n的解析度。例如,一個16位元模 / 數轉換器的解析度為1 / 65536 (216 = 65536)。如果測量的電壓範圍為10 V,則此電壓範圍可解析至10 V / 65536 = 0.153 mV的精度。

模 / 數轉換器的速度就是指它的採樣頻率,它是指在單位時間內對模擬訊號進行提取樣本的次數。它的單位也是赫茲 (Hz)。在音頻訊號處理中,44 kHz、22 kHz、或11 kHz的採樣頻率常被使用。例如使用44 kHz的採樣頻率時,即每秒鐘對聲音進行44000次採樣及模 / 數轉換。錄音時的採樣頻率越高,失真度就越低,重播時的音質也就越好。

模 / 數轉換器在現代生活中無處不在,尤其當模擬訊號需要以數碼形式傳送、處理和儲存時。通常模 / 數轉換器都會與不同的傳感器結合一起,把日常生活中的許多物理量如溫度、壓力、濕度、速度、振動、聲音、圖畫等轉換成為數碼訊號,使它們可透過微電腦作進一步處理。


1數位電壓計

電壓計是一種測量電路中兩點之間電壓的儀器。

這個展品是模 / 數轉換器的應用例子,它可測量模擬輸入的電壓值。圖4是它的方塊圖。它由一個模 / 數轉換器、一個時鐘產生器、一個4位元二進制計數器、一個BCD至七段顯示解碼器及一個七段發光二極管顯示器組成。

圖4: 1數位電壓計的方塊圖

電壓計的操作流程如下:

  1. 首先,數 / 模轉換器的參考電壓被設為零,它比模擬輸入低,因此比較器輸出一個訊號使時鐘產生器開始運作。
  2. 二進制計數器接收到時鐘訊號,並按 (0000)2 至 (1111)2 之順序增加其輸出的二進制碼。
  3. 模 / 數轉換器把這個4位元二進制碼轉換成一個新的參考電壓。
  4. 新的參考電壓和模擬輸入再作比較。如果它仍然比模擬輸入小,則會重複以上的過程。如果它比模擬輸入大,則比較器的輸出會改變並使時鐘產生器停止運作,計數器也停止運作,這時候模擬輸入轉換成二進制碼的過程完成。
  5. 這個二進制碼就是使數/模轉換器輸出一個不大於模擬輸入的最接近電壓。
  6. 另外,這個二進制碼也會被輸入到BCD至七段解碼器,來驅動七段發光二極管顯示器以顯示1位的十進制數值。

數碼實驗室 > 模/數轉換器和數/模轉換器展區