模数转换器基本原理及常见结构课件.ppt

本次课内容,1、,数模和模数转换器基本概念；,2、DAC,的转换原理；,3、,DAC基本术语、主要性能参数；,4、数模转换器的基本应用第8章数模和模数转换器,本次课内容第8章数模和模数转换器,8.1概述,模拟信号(,Analog Signal,)：,时间和幅度均连续变化的信号数字信号(,Digital Signal,)：,时间和幅度离散且按一定方式编码后的脉冲信号模数转换器：,完成模拟到数字信号转换的器件简写为,ADC,或,A/D,数模转换器：,完成数字到模拟信号转换的器件简写为,DAC,或,D/A8.1概述模拟信号(Analog Signal)：时,模拟、数字控制系统对比,传感器,信号调理,A/D,D/A,执行设备,微处理器,功率放大,数字控制系统,工业现场,传感器,信号调理,信号处理,功率放大,执行设备,模拟控制系统,工业现场,模拟、数字控制系统对比传感器信号调理A/DD/A执行设备微处,模拟控制系统,数字控制系统,适应性,信号处理复杂,适应性强,可控性,不易改变控制参数,易改变控制参数和模型,控制精度,低,高,后处理,数据记录、处理很不方便,数据记录、处理方便,模拟控制系统数字控制系统适应性信号处理复杂适应性强可控性不,随着电子技术发展，ADC、DAC作为数字电路与模拟电路联系的桥梁，其应用非常广泛。

下图为数字控制系统的典型框图随着电子技术发展，ADC、DAC作为数字电路与模拟电路联,8.2 数模转换器DAC,十进制数,P,(转换系数),决定系数电路,数位开关,“,1,”或“,0,”,数字位,权重电路,相加电路,8.2 数模转换器DAC十进制数P(转换系数)决定系数,8.2.1 几种DAC的工作原理,一、Kelvin分压器,称为,电阻串联型DAC,，由,2,n,个等值电阻器组成ADI,：,AD5326,（4通道，12位电阻串型DAC）；,TI,：,DAC8534,（4通道，16位电阻串型DAC）8.2.1 几种DAC的工作原理一、Kelvin分压器,二、二进制加权型DAC,权阻电路,数位,开关,反相,加法器,基准,电压,二、二进制加权型DAC权阻电路数位反相基准,4位的权电流网络,DAC,电路,权电阻网络优点：结构简单；缺点：阻值相差较大，集成时难保证电阻精度4位的权电流网络DAC电路权电阻网络优点：结构简单；缺点,三、倒,梯形,R-2R,网络,DAC,权电阻网络优点：结构简单；缺点：阻值相差较大，集成时难保证电阻精度数位开关,D,i,=1,接,-,D,i,=0,接+,三、倒梯形R-2R网络DAC权电阻网络优点：结构简单；缺,其余全为,0,时,当,D,i,=“1”,当,D,n-2,=“1”,当,D,n-1,=“1”,对任意数字量，由叠加原理，得流入,-,端的总电流：,优点：,开关切换时无电位变化，可提高切换速率。

其余全为0时当Di=“1”当Dn-2=“1”当Dn-1=“1,满量程(,FS,)：,单,极性,DAC,输入全,“1”,时输出的模拟值满量程范围(,FSR,)：,DAC,输出模拟量最小值到最大值的范围单极性,FSR=FS,最高有效位(,MSB,)、最低有效位(,LSB,),具有最高（,最低,）权重数位或其为,“1”,而其余位全,“0”,时，对应输出的模拟值D,n-1,D,n-2,.,D,1,D,0,MSB,LS,B,8.2.2 DAC的主要参数,满量程(FS)：单极性DAC输入全“1”时输出的模拟值,1、静态参数（,误差参数,）,DAC,稳态工作时，输出实际值（,V,，,I,）偏离理想值大小程度误差表示方法：,DAC的主要参数,1LSB,单位表示（,如,1LSB,、,LSB/2,）,以,%FSR,表示（,即,FSR,的百分之一,）以,ppm,表示,即,FSR,的百万分之一为单位表示以输出的实际误差表示（,mV、V,等,）,1、静态参数（误差参数）DAC的主要参数 1LSB单位表,例题：,某,DAC,数字位,n=12,，,FSR=10V,试用四种误差表示其最低位产生的误差则最低位产生的误差如下：,1LSB,；,0.0244%FSR,；,244ppm,；,2.44mV,。

12个数字位能表示的十进制数：,最低位表示的模拟值为：,例题：某DAC数字位n=12，FSR=10V试用四种误差,2、转换误差,零点（失调）误差,输入数字量D为0，输出模拟量A不为零2、转换误差 零点（失调）误差,b）零点(失调)温度系数,漂移,4,3,2,1,D,in,OUT,O,图8.1.9 DAC的零点和增益温度漂移,单位温度变化时，DAC输出零点产生的漂移量b）零点(失调)温度系数 漂移4321DinOUTO图8.1,c）增益误差,实际输出特性曲线斜率与理想输出特性曲线斜率之比:A,实际,/A,理想,c）增益误差 实际输出特性曲线斜率与理想,d）增益温度系数,漂移,4,3,2,1,D,in,OUT,O,图8.1.9 DAC的零点和增益温度漂移,指单位温度变化时，DAC输出特性曲线斜率的漂移量用满量程的10,-6,/表示d）增益温度系数 漂移4321DinOUTO图8.1.9,e）积分非线性,实际输出与理想输出特性曲线之间的差值e）积分非线性 实际输出与理想输出特性曲线之间的差值f）微分线性误差,任意两个相邻输入数据所对应的输出差值与1LSB之差，称为该点的微分线性误差(DLE)。

积分非线性反映的是实际输出特性的,整体线性度,，即与理想输出特性的偏离程度;,微分线性误差反映了线性误差在整个输出特性中的,分布,f）微分线性误差 任意两个相邻输入数据所对应的输出差值与,O,D,in,A,OUT,2LSB,4LSB,a,b,c,图8.1.11 DAC的微分线性误差,下图中，a、b两点的微分线性误差为:,ODinAOUT2LSB4LSBabc图8.1.11,g)微分线性误差温度系数,单位温度变化所引起的DAC微分线性误差的变化量称为微分线性误差温度系数该参数可用于估算在工作温度范围内，DAC能否保持单调性h)单调性,DAC的单调性是指当输入数据单调增加时，输出电压或电流增加或不变g)微分线性误差温度系数 单位温度变化所引起的DAC微,若输入数据单调增加,1LSB,时，输出电压或电流反而,减小,，则该DAC的特性具有,非单调性,DAC的非单调性是由于各位误差的累积超过了,1LSB,造成的之间或,如果各点的线性误差均介于,微分线,性误差介于 之间，则DAC的输出,具有单调性若输入数据单调增加1LSB时，输出电压或电流反而减小，则,例:,b、c两点的微分线性误差为,：,不具有单调性。

O,D,in,A,OUT,2LSB,4LSB,b,c,图8.1.11 DAC的微分线性误差,a,例:b、c两点的微分线性误差为：不具有单调性OD,3、,DAC,的其它主要参数,分辨率,DAC,的,FSR,被,2,n,分割所对应的模拟值注意,：在,自动控制系统,中使用的DAC必须具有单调性，否则可能使系统在DAC的非单调区间内来回摆动，形成,振荡,，不能稳定工作3、DAC的其它主要参数 注意：在自动控制系统中使用的DA,解,：分辨率为8位，也可表示为,例8.1.2,一个满量程电压为10V的8位DAC，其分辨率是多少？,稳定时间,t,s,输入数据变化时，输出模拟量变化到,新值,规定误差（,LSB/2,）范围的时间LSB/2,解：分辨率为8位，也可表示为例8.1.2 一个满量程电,（3）动态误差（,突跳,）,DAC,输出端两个稳态值过渡期间出现的较大幅度窄脉冲，称为突跳（,错误输出,）D,in,V,out,突跳,原因：,内部模拟开关切换时间不同步消除突跳：,在,DAC,输出与负载间插入,S/H,（,将降低系统速度,）DAC,S/H,out,R,L,（3）动态误差（突跳）DinVout突跳原因：内部模拟开,四、典型DAC芯片介绍,8位并行,CMOS DAC,。

功耗低（约20,mW,）、非线性误差小（1/8,LSB,）；数据锁存器当,CS=WR=0,时，输入数据,写入锁存器,；电源,V,DD,=+5V+15V,模拟输出,V,o,=010V,四、典型DAC芯片介绍8位并行CMOS DAC功耗低（约,8.4.1,DAC,的应用知识,一、DAC芯片的选择,原则：,综合考虑性能、成本、供货周期三个因素1、给定分辨率确定,DAC,位数,设,DAC,的满量程范围为,FSR,，位数为,n,，则其分辨率为,FSR/2,n,标称位数,8、10、12、16,等,8.4.1 DAC的应用知识一、DAC芯片的选择原则,例：,某,DAC,的,FSR=10V,，要求分辨率不低于,10mV,，试确定其位数理论分辨率实际分辨率,）,解：,可选,10,位,2、,DAC,接口特性的选择,输入接口：,数字量与逻辑电平匹配情况、编码制式、输入方式（,串/并,）等输出接口：,输出,是电压（,电流,）；单（,双,）,极性；,参考电压,V,R,取自内（,外,）部等例：某DAC的FSR=10V，要求分辨率不低于10mV，试,3、,DAC,转换速度的选择,根据具体应用系统要求确定合适的转换速度选择（满足指标要求即可）,。

二、,DAC,的调整,单极性,DAC,双极性,DAC,输出电压,0,FS,V,R,(1-2,-n,),FSR/2,FSR/2,调整方法,先调零点再调增益,输入全,0,时，调整,V,o,=0,输入全,0,时，调整,V,o,=,FSR/2,；,输入全,1,时，调整,V,o,=FS,输入全,1,时，调整,V,o,=,FSR/2,3、DAC转换速度的选择二、DAC的调整单极性DAC双极性D,注意：,具体芯片调整电路参考相关资料！,图(a)：输入,全0,并调W,1,，使,V,o,=5.0000V,；再输入,全1,，调W,2,，使,V,o,=4.9976V,图(b)：电路调整方法基本相同注意：具体芯片调整电路参考相关资料！图(a)：输入全0并调,三、,DAC,的功能扩展,1、单极性,DAC,扩展为双极性电压输出,输入,全,0,V,o,=0,输入,全,1,V,o,=V,R,(1-2,-n,),D,n-1,=1,，其余,全,0,V,o,=V,R,/2,单极性工作,若使中间电压为零，即得双极性输出电压三、DAC的功能扩展1、单极性DAC扩展为双极性电压输出输入,双极性输出,I,I=V,R,/2R,抵消中间值电流,单极性,t,V,o,0,-V,R,/2,双极性,V,o,t,0,V,R,/2,D,n-1,=1,转换前后对比,双极性输出II=VR/2R单极性tVo0-VR/2双极,AD7524,在输入偏移二进制码时的双极性工作原理图如下。

AD7524在输入偏移二进制码时的双极性工作原理图如下,2、,DAC,与微处理器的接口方法,当,DAC,位数,大于,CPU,数据总线宽度的接口方法例如：,8,位,CPU,与,12,位,DAC,接口两次送数,一次转换,2、DAC与微处理器的接口方法两次送数,8,位,CPU,与,12,位,有内缓冲,DAC,接口,第一次送,低,8,位；,第二次送,高,4,位同时完成12位数据转换优点：,经济；,不足：,转换速率降低8位CPU与12位有内缓冲DAC接口第一次送低8位；第二,8.4.2,几种DAC的应用电路,一、程控增益放大器,即用输入改变电阻网络阻值(,R,f,)8.4.2 几种DAC的应用电路一、程控增益放大器即用,二、程控信号源,原理：,按时间顺序将所存储波形的幅度值数据送入DAC中，即可得模拟波形输出MCU中单周波形数据,写入FIFO,启动读信号,RD,从FIFO读出数据,入DAC,模拟波形输出（,用,FIFO重传可输出连续信号,）二、程控信号源原理：按时间顺序将所存储波形的幅度值数据送,小结,1、模数联系的桥梁：,ADC、DAC,；,2、,DA。