[信息与通信]模数转换器基本原理及常见结构.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,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/A。,模拟、数字控制系统对比,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。,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,8.2.1 几种DAC的工作原理,一、Kelvin分压器,称为电阻串联型DAC，由2n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）。,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,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。,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Di=1 接-Di=0 接+,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。,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。,MSB,LSB,8.2.2 DAC的主要参数,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）,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：,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。,b）零点(失调)温度系数,单位温度变化时，DAC输出零点产生的漂移量。,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。,d）增益温度系数,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。,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。,下图中，a、b两点的微分线性误差为:,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。,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。,例:b、c两点的微分线性误差为：,不具有单调性。,3、DAC的其它主要参数 分辨率DAC的FSR被2n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。,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ts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。,（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）。,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）。,四、典型DAC芯片介绍,8位并行CMOS DAC。功耗低（约20mW）、非线性误差小（1/8LSB）；数据锁存器。当CS=WR=0时，输入数据写入锁存器；电源VDD=+5V+15V。模拟输出Vo=010V。,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/2n。,标称位数8、10、12、16等,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VR取自内（外）部等。,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,注意：具体芯片调整电路参考相关资料！,图(a)：输入全0并调W1，使Vo=5.0000V；再输入全1，调W2，使Vo=4.9976V。图(b)：电路调整方法基本相同。,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0Vo=0,输入全1Vo=VR(1-2-n),Dn-1=1，其余全0Vo=VR/2,若使中间电压为零，即得双极性输出电压。,I=VR/2R抵消中间值电流,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,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。,8.4.2 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(Rf)。,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）。,小结,1、模数联系的桥梁：ADC、DAC；2、DAC原理（电阻网络+模拟开关）；3、理解DAC主要性能参数（误差）；4、DAC的基本应用选择、调整、扩展方法；了解典型应用。,作业：8.2、8.3 思考题：8.1、8.4、8.5、8.14,
