第11章ADDA转换器.ppt

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1、第十一章第十一章 A/D、D/A转换器转换器 11.1 概述概述 随着微机的发展，其应用越来越广泛。目前微机不仅应用于随着微机的发展，其应用越来越广泛。目前微机不仅应用于生产管理、办公室自动化、数据处理、通信、网络等方面，已愈生产管理、办公室自动化、数据处理、通信、网络等方面，已愈来愈多地进行实时控制和实时数据处理，即用于控制和检测生产来愈多地进行实时控制和实时数据处理，即用于控制和检测生产过程中的各种参数，已达到控制整个生产过程的目的。过程中的各种参数，已达到控制整个生产过程的目的。生产过程中的各种参数大部分是连续变化的模拟量，需要转生产过程中的各种参数大部分是连续变化的模拟量，需要转换成离

2、散的数字量（换成离散的数字量（通过通过A/D转换转换）才能输入到计算机进行处）才能输入到计算机进行处理；而计算机处理后的数据为数字量，需经过理；而计算机处理后的数据为数字量，需经过D/A转换变成模拟转换变成模拟量输出，从而实现对被控对象的控制。量输出，从而实现对被控对象的控制。A/D、D/A转换器是计算机与外界联系的重要接口。转换器是计算机与外界联系的重要接口。计算机控制系统方框图如下：计算机控制系统方框图如下：传传感感器器被被 控控 对对 象象滤波滤波 放大放大多路转多路转换开关换开关A/D计计 算算 机机 系系 统统D/A功功 放放模拟模拟开关开关执行执行机构机构11.2 数数/模（模（D

3、/A）转换器（）转换器（P391）定义：数字定义：数字模拟转换。把数字信号转换为模拟信号输出的器件模拟转换。把数字信号转换为模拟信号输出的器件称为数称为数/模转换器（简称模转换器（简称D/A转换器）。转换器）。11.2.1 D/A转换器的原理转换器的原理 按转换原理，可将按转换原理，可将D/A转换器分为：转换器分为：1权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器 组成：组成：权电阻解码网络、基准源权电阻解码网络、基准源V VR R、模拟开关、运放。、模拟开关、运放。ai=0，开关打向左边，电阻接地；，开关打向左边，电阻接地；ai=1，开关打向右边，电阻接，开关打向右边，电阻接VR，经过运算可得：，经

4、过运算可得：特点：特点：V0与与VR极性相反，极性相反，RF可调整输出电压可调整输出电压V0的范围，制造工艺的范围，制造工艺简单。简单。2T型型权电阻网络权电阻网络D/A转换器转换器 RFn0VRR21AV组成：组成：T型型权电阻解码网络、基准源权电阻解码网络、基准源V VR R、模拟开关、运放。、模拟开关、运放。从各节点向右看和向下看的等效电阻都是从各节点向右看和向下看的等效电阻都是2R2R，经向右和向，经向右和向下的电流一样，经计算可得：下的电流一样，经计算可得：特点：特点：同权电阻网络同权电阻网络D/A转换器。转换器。3.3.开关树型开关树型D/A转换器转换器组成：组成：分压器、树状排列

5、的模拟开关、运放。见下页图分压器、树状排列的模拟开关、运放。见下页图特点：特点：运放接成跟随器，既保证输出电压极性，又可减小负载对运放接成跟随器，既保证输出电压极性，又可减小负载对转换特性的影响。转换特性的影响。RF0VRRAVRn1i2a0VVii4.集成化集成化D/A转换器转换器分类：分类：双极型和双极型和CMOS型型电阻网络：电阻网络：离子注入或扩散电阻条、薄膜电阻离子注入或扩散电阻条、薄膜电阻离子注入或扩散电阻条：价廉物美，但精度不高；离子注入或扩散电阻条：价廉物美，但精度不高；薄膜电阻：高精度。薄膜电阻：高精度。特点：特点：双极型：转换速度快，适合于高速转换的场合。双极型：转换速度快

6、，适合于高速转换的场合。CMOS型：优点是制造容易、造价低；缺点是转换速度较慢。型：优点是制造容易、造价低；缺点是转换速度较慢。11.2.2 D/A转换器的性能指标（转换器的性能指标（P393）1.分辨率分辨率 单位数字量（最低位单位数字量（最低位LSB）所对应模拟量增量。即相邻两）所对应模拟量增量。即相邻两个二进制码对应的输出电压之差。个二进制码对应的输出电压之差。它确定了它确定了D/A产生的最小模拟量变化，也可用最低位产生的最小模拟量变化，也可用最低位LSB表表示。如，示。如，n位位D/A转换器的分辨率为转换器的分辨率为1/2n。2.精度精度 转换器的实际输出与理论值之差。可分为绝对精度和

7、相对转换器的实际输出与理论值之差。可分为绝对精度和相对精度。精度。绝对精度绝对精度（绝对误差）指的是在数字输入端加有给定的代码时，（绝对误差）指的是在数字输入端加有给定的代码时，在输出端实际测得的模拟输出值（电压或电流）与应有的理想在输出端实际测得的模拟输出值（电压或电流）与应有的理想输出值之差。一般小于输出值之差。一般小于1/2 LSB。它是由。它是由D/A的增益误差、零点的增益误差、零点误差、线性误差和噪声等综合引起的。误差、线性误差和噪声等综合引起的。相对精度相对精度指的是满量程值校准以后，任一数字输入的模拟输出指的是满量程值校准以后，任一数字输入的模拟输出与它的理论值之差。与它的理论值

8、之差。精度的表示方法：精度的表示方法：以满量程以满量程VFS的百分数或最低有效位（的百分数或最低有效位（LSB）的分数形式表示。如：精度为的分数形式表示。如：精度为0.1，则最大误差为，则最大误差为VFS 0.1，若，若VFS=10V，则误差为，则误差为10mV。n位位DAC（D/A转换器芯转换器芯片）的精度为片）的精度为 ，则最大误差为，则最大误差为 。3.线性误差线性误差 D/A的实际转换特性（各数字输入值所对应的各模拟输出值的实际转换特性（各数字输入值所对应的各模拟输出值之间的连线）与理想的转换特性（始终点连线）之间是有偏差之间的连线）与理想的转换特性（始终点连线）之间是有偏差的，这个偏

9、差就是的，这个偏差就是D/A的线性误差。的线性误差。即两个相邻的数字码所对应的模拟输出值（之差）与一个即两个相邻的数字码所对应的模拟输出值（之差）与一个LSB所对应的模拟值之差。所对应的模拟值之差。表示方法：以表示方法：以LSB的分数形式表示。如：的分数形式表示。如：FS1nFSnV2IV215.0LSB21LSB214.D/A转换器的温度系数转换器的温度系数 D/A转换器受温度变化的影响。是指在规定的温度范围内，转换器受温度变化的影响。是指在规定的温度范围内，温度变化温度变化1时，各误差参数的变化量。分温度系数和增益温时，各误差参数的变化量。分温度系数和增益温度系数。度系数。5.转换时间转换

10、时间TS（建立时间）（建立时间）D/A转换器输入的数字量发生变化后，其输出模拟量达到转换器输入的数字量发生变化后，其输出模拟量达到稳定相应值所需要的时间。稳定相应值所需要的时间。超高速：超高速：TS 100ns 高速：高速：TS：100ns 10s 中速：中速：TS：10s 100s 低速：低速：TS 100s 6.电源抑制比电源抑制比 满量程电压变化的百分数与电源电压变化的百分数之比。满量程电压变化的百分数与电源电压变化的百分数之比。7.馈送误差馈送误差 非输入信号通过器件内部电路耦合到非输入信号通过器件内部电路耦合到D/A输出端造成的输输出端造成的输出误差。出误差。11.2.3 D/A芯片

11、及其与芯片及其与CPU接口接口（P394）由于使用的情况不同，由于使用的情况不同，DAC的位数、精度及价格要求不同。的位数、精度及价格要求不同。美国美国AD公司、公司、Motorola公司、半导体公司公司、半导体公司NS、无线电公司、无线电公司RCA等均生产等均生产D/A转换器。转换器。D/A转换器的位数由转换器的位数由8位、位、10位、位、12位、位、16位等。位等。D/A转换器能否与转换器能否与CPU的外部数据总线连接，取决于的外部数据总线连接，取决于D/A芯芯片内部是否有输入锁存器。片内部是否有输入锁存器。1.不带数据输入锁存器的不带数据输入锁存器的D/A与与CPU的连接的连接 需要在需

12、要在CPU与与D/A之间的数据通道上加锁存器（如：之间的数据通道上加锁存器（如：74LS373、74LS273），以保证数据传输的正确性。），以保证数据传输的正确性。这类这类D/A有：有：AD7520、AD7521、DAC0808等。等。2.带数据输入锁存器的带数据输入锁存器的D/A与与CPU的连接的连接 由于由于D/A芯片内部已设计了输入锁存器，所以可将芯片内部已设计了输入锁存器，所以可将D/A的数的数据总线与据总线与CPU的外部数据总线直接相连。这类的外部数据总线直接相连。这类D/A有：有：AD7524、DAC0832等。等。3.D/A的输入与输出的关系的输入与输出的关系 D/A的输入与输

13、出呈比例关系。如：的输入与输出呈比例关系。如：8位（输出为位（输出为0 5V），比例系数为：），比例系数为：12位（输出为位（输出为-5V 5V），比例系数为：），比例系数为：050255)5(50121211.2.4 典型的典型的8位位D/A芯片芯片DAC08321.1.性能指标性能指标 8位位DAC，CMOS器件，数据线与器件，数据线与TTL兼容；兼容；电流输出，单极性；电流输出，单极性；单电源单电源 +5V+15V；转换速度：转换速度：1s，参考电压：，参考电压：-10V+10V；可单缓冲、双缓冲或直接数字输入三种方式工作；可单缓冲、双缓冲或直接数字输入三种方式工作；二级数据锁存（第一级

14、为输入锁存）；二级数据锁存（第一级为输入锁存）；低功耗低功耗200mW。20脚双列直插式封装（脚双列直插式封装（DIP封装）。封装）。2.内部结构及引脚内部结构及引脚引脚：引脚：D7 D0：8位数据输入端；位数据输入端；ILE：允许输入数据锁存信号，高电平有效；：允许输入数据锁存信号，高电平有效；CS：片选，低电平有效，它和：片选，低电平有效，它和ILE信号一起来决定信号一起来决定WR1是否起作是否起作用；用；WR1：输入寄存器的：输入寄存器的写写选通信号，必须和选通信号，必须和CS、ILE同时有效；同时有效；XFER：传送控制信号，用来控制：传送控制信号，用来控制WR2；WR2：DAC寄存器

15、的寄存器的写写选通信号，必须和选通信号，必须和XFER同时有效；同时有效；IOUT1：D/A转换器输出电流端之一。转换器输出电流端之一。DAC锁存的数据位为锁存的数据位为“1”的的位电流均流出此端（为位电流均流出此端（为1的各位全电流的输出端）；当的各位全电流的输出端）；当DAC锁存锁存器各位全器各位全1时，此输出电流最大，全时，此输出电流最大，全0时输出为时输出为0；IOUT2：D/A转换器输出电流端之二。与转换器输出电流端之二。与IOUT1是互补关系；是互补关系；RFB：内备的反馈电阻引出端，另一端在片内与相接，芯片内：内备的反馈电阻引出端，另一端在片内与相接，芯片内部已提供一个反馈电阻，

16、约部已提供一个反馈电阻，约15K；VREF：基准电压源输入端，此端可以接正电压，也可接负电压，：基准电压源输入端，此端可以接正电压，也可接负电压，供电阻网络用；范围为供电阻网络用；范围为-10V+10V；VCC：芯片供电电源引入端，范围，最佳工作状态为：芯片供电电源引入端，范围，最佳工作状态为+15V；AGND：模拟信号地，即模拟电路接地端；：模拟信号地，即模拟电路接地端；DGND：数字量地。：数字量地。注：注：有两级锁存。有两级锁存。LE1-输入锁存器控制端输入锁存器控制端 LE2-DAC锁存器控制端锁存器控制端 LE1、LE2=1时，相应的锁存器的输出随输入变化。时，相应的锁存器的输出随输入变化。LE1、LE2=0时，相应的锁存器的输出不随输入变化。时，相应的锁存器的输出不随输入变化。3.DAC0832的三种工作方式的三种工作方式（1）直通工作方式）直通工作方式 当当CS有效时，输入数据通过输入锁存器、有效时，输入数据通过输入锁存器、DAC锁存器直通锁存器直通D/A转换就输出。转换就输出。要求要求ILE、WR1、WR2、XFER始终有效。始终有效。（2）单缓冲工作方式）单缓冲工作方