一种高性价比A/D、D/A转换电路的实现

摘　要：介绍了一种用于小型飞行器数据采集和信号处理系统的多通道A/D、D/A转换电路；并采用性价比较高的ADC、DAC芯片，给出了电路设计和详细工作过程。 针对小型飞行器电磁环复杂的情况，采用了新的设计方案，提高了电路的转换精度和系统的可靠性；在电路板设计中采用了适当的措施，增强了电路的抗干扰能力。 实验证明，该电路能够满足飞行器系统要求。

关键词：ADC；DAC；数据采集；信号处理系统

引言

在小型飞行器信号处理系统中，传感器将采集的飞行器姿态角等模拟电压值等送到飞行控制与管理系统，飞行控制与管理系统对飞行信息进行处理，并将控制信息传给执行机构。 在此过程中，需要A/D、D/A转换电路。 该电路将飞行信息转换成数字信号，送给飞行控制与管理系统进行处理，并将结果转换成控制信号(模拟电压值)，送给执行机构，从而实现飞行数据采集和执行。

本文阐述了该转换电路的设计原理，在分析功能原理的基础上，给出了详细的设计及电路板抗干扰的若干方法。

电路设计

系统工作过程
系统启动后，各路传感器采集模拟信号，经过信号调理电路，对弱的模拟信号进行放大，PC机通过控制多路选择电路选通某通道进行A/D转换，并将转换结果送到PC机，随后进行其他通道的A/D转换； PC 机发出指令，通过A/D、D/A转换控制电路，控制多路选择电路，选通某路进行D/A转换，信号放大电路将转换结果放大，送给执行机构执行。 其框图如图1。

图1 　系统工作框图

该A/D、D/A转换电路的主要组成部分是ADC、DAC 芯片以及其他逻辑控制部件。A/D、D/A转换部分选用了AD1674AD、DAC813等芯片，其控制电路选用了可编程控制器件isp1032E，所有芯片为工业级，PLCC 封装，减少了电路中的器件数，并提高了可靠性。

由于飞行控制系统需要40路A/D转换通道，而现有的多通道ADC价格比较高；小型飞行器中，对转换时间要求不是非常高，可以采取分时采集的方法，选用单通道ADC，通过模拟开关实现转换电路之
间的切换，这样可以较大地降低成本。

A/D、D/A 转换电路
AD1674AD是12位逐次逼近型高速A/D转换器，内部具有宽频带采样/保持器、10V基准电压、时钟电路、SAR寄存器、比较器和三态缓冲器。采样频率为100kHz，最大转换时间为10μs，且有全控模式和单一工作模式，转换精度达0.05 %。其控制信号功能见表1。

表1 AD1674AD控制信号及功能

注： *表示任意状态

　　工作过程为：当控制部分发出启动转换命令时，让采样/保持器工作在保持模式，并使SAR寄存器清零。一旦开始转换，就不能停止或重新启动，此时输出缓冲器输出无效。逐次逼近寄存器按时钟顺序从高位到低位进行比较，产生比较结果。转换结束后，给控制部分返回转换结束标志，控制部分禁止时钟输出，并使采样/保持器工作在采样模式。与此同时，延迟STS 信号下跳的时间稳定转换数据，满足12位精度要求。

PC总线是使用较多的一种微机总线，本文在PC总线上通过8255接口芯片与AD1674AD构成数据采集系统。PC总线共有62条引出线，有I/O寻址与存储器寻址读写线和8 位数据线与相应地址线。8255的A 口、B口工作在输入方式，C口工作在输出方式，AD1674AD以12位转换方式独立工作。 当PC0为低电平时启动A/D转换，为高电平时允许读入数据，读数据时由A口输入的是A/D转换的低8位数据，B口输入的是A/D转换的高4位数据和状态标志STS信号。接口电路见图2。

图2 　AD1674AD通过8255与PC总线接口

在电路中加入多路模拟开关，可以构成多路A/D转换器。 在本文中，选用了高速模拟开关CD4051。

为了获得高精度的D/A转换器，单纯依靠高分辨率器件是不够的，还必须有高稳定的基准电压V REF和低漂移的运算放大器。选用的D/A转换器是DAC813。DAC813 内部有+9.95V～+10.05V精密参考电压(典型值为+ 10.00V)、双缓冲器和接口控制逻辑，最大线性误差±1/2LSB，最大功耗300mW，输出电压建立时间不超过6μs，数字输入有8位和4位锁存之分，既可以直接与16bitCPU连接，也可以与8bitCPU连接。 其逻辑控制关系见表2。
表2 DAC813逻辑控制关系

注： *表示任意状态

图3 为8 位微处理器与DAC813的典型接口，由于DAC813 内部有8 位和4 位数据锁存器，可以将D0和D8、D1和D9、D2和D10，D3和D11分别相连，并通过改变A0、A1的不同逻辑，输入12位数据。

由于传感器采集的信号比较小，为了保证输入信号的驱动能力并保护AD 转换芯片，应通过运算放大器进行放大，这样可以减小量化误差。 本文中采用精密双极性运算放大器OPA177 ，具有低的失调电压(4μV) 和偏置电流(0.5nA)，温漂最大不超过0.1μV/℃，其共模抑制比CMRR=140dB。

在电路设计中，ADC、DAC芯片直接对外提供数据接口，转换控制功能则由可编程逻辑器件isp1032E完成，并提供对外接口。可编程逻辑器件的使用，有利于系统扩展与维护。

由于飞行器电磁环境比较复杂，且本电路为数模混合电路，所以如何减少模拟电路和数字电路之间的相互干扰成为提高电路转换精度和系统可用性、可靠性的重要问题。


图3 8位微处理器与DAC813接口

电路设计中的抗干扰措施

在PCB板的布局中主要采用以下措施：
将模拟信号的输入尽量靠近运算放大器，减少在板上的传输。 模拟信号走线与数字信号地走线尽可能远。 在需要交叉处，均以直角交叉。 模拟信号线走线粗、短、平滑、转角圆滑并减少转折点，减少了转折点噪声。 数字信号线应尽量简捷，过孔数目尽量减少。 模拟地与数字地之间的隔离，在一个干净的数字地处将模拟地与数字地连接。 由于电源和地的干扰是造成系统误差的最主要原因。在设计中，主要采取屏蔽、加大地面积等措施，减少电源与地的干扰。

结 论

通过多种小型飞行器的数百小时飞行，无论是姿态平稳度、控制精度，还是可靠度，都取得了较好的效果。 实践证明，该系统能够比较好地解决小型飞行器机载计算机飞行控制系统体积小、重量轻、成本低、环境复杂和可靠性高之间的矛盾，可以作为一种通用的数据采集系统，应用于其他系统中。