模数转器基本原理及常见结构

1、本次课内容本次课内容1、数模和模数转换器基本概念；数模和模数转换器基本概念；2、dac的转换原理；的转换原理；3、dac基本术语、主要性能参数；基本术语、主要性能参数；4、数模转换器的基本应用。、数模转换器的基本应用。第第8章数模和模数转换器章数模和模数转换器8.1概述概述模拟信号模拟信号(analog signal)：时间和幅度时间和幅度均连续变化的信号。均连续变化的信号。数字信号数字信号(digital signal)：时间和幅度时间和幅度离散且按一定方式编码后的脉冲信号。离散且按一定方式编码后的脉冲信号。模数转换器：模数转换器：完成模拟到数字信号转换完成模拟到数字信号转换的器件。简写为的

2、器件。简写为adc或或a/d。数模转换器：数模转换器：完成数字到模拟信号转换完成数字到模拟信号转换的器件。简写为的器件。简写为dac或或d/a。模拟、数字控制系统对比模拟、数字控制系统对比传感器传感器信号调理信号调理a/dd/a执行设备执行设备微处理器微处理器功率放大功率放大数字控制系统数字控制系统工业现场工业现场传感器传感器信号调理信号调理信号处理信号处理功率放大功率放大执行设备执行设备模拟控制系统模拟控制系统工业现场工业现场模拟控制系统模拟控制系统数字控制系统数字控制系统适应性适应性信号处理复杂信号处理复杂适应性强适应性强可控性可控性不易改变控制不易改变控制参数参数易改变控制参易改变控制参

3、数和模型数和模型控制精度控制精度低低高高 后处理后处理数据记录、处数据记录、处理很不方便理很不方便数据记录、处数据记录、处理方便理方便随着电子技术发展，随着电子技术发展，adc、dac作为数作为数字电路与模拟电路联系的桥梁，其应用非常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。广泛。下图为数字控制系统的典型框图。8.2 数模转换器数模转换器dac1n0iii1-n1-n2-n2-n11002dp2d2d. .2d2dppda十进十进制数制数p( (转换系数转换系数) )决定系决定系数电路数电路数位开关数位开关 “1” 或或 “0”数字位数字位权重电路权重电路相加电

4、路相加电路8.2.1 几种几种dac的工作原理的工作原理一、一、kelvin分压分压器器称为称为电阻串联型电阻串联型dac，由，由2n个等值电个等值电阻器组成。阻器组成。 1n0iiinrefa2d2vvadi：ad5326（4通道，通道，12位电阻串型位电阻串型dac）；）；ti：dac8534（4通道，通道， 16位电阻串型位电阻串型dac）。）。二、二进制加权型二、二进制加权型dac权阻权阻电路电路数位数位开关开关反相反相加法器加法器基准基准电压电压30iii3ref332211003ref32102dr2v2d2d2d2dr2viiiii 1n0iii1nfreffo1n0iii1nr

5、ef2dr2rvriv 2dr2vi 4 4位的权电流网络位的权电流网络dac电路电路权电阻网络优点：结构简单；缺点：阻权电阻网络优点：结构简单；缺点：阻值相差较大，集成时难保证电阻精度值相差较大，集成时难保证电阻精度 。三、倒三、倒梯形梯形r-2r网络网络dac权电阻网络优点：结构简单；缺点：阻权电阻网络优点：结构简单；缺点：阻值相差较大，集成时难保证电阻精度值相差较大，集成时难保证电阻精度 。数位开关数位开关di=1 接接-di=0 接接+其余全为其余全为0时时当当di=“1”当当dn-2=“1”当当dn-1=“1”rv21r2vir1r1n rv21r4vir2r2nrv21irini对

6、任意数字量，对任意数字量，由叠加原理，得流入由叠加原理，得流入-端的总电流：端的总电流：ni1n0iiri1n0ii2drvdiid2virvnro优点：优点：开关切换时开关切换时无电位变化，可提高无电位变化，可提高切换速率。切换速率。满量程满量程(fs)：单单极性极性dac输入全输入全“1”时输出的模拟值。时输出的模拟值。 满量程范围满量程范围(fsr)： dac输出模拟量输出模拟量最小值到最大值的范围。单极性最小值到最大值的范围。单极性fsr=fs。 最高有效位最高有效位(msb)、最低有效位、最低有效位(lsb)具有最高（具有最高（最低最低）权重数位或其为）权重数位或其为“1”而而其余位

7、全其余位全“0” 时，对应输出的模拟值。时，对应输出的模拟值。dn-1dn-2.d1d0msblsbnfsr2v 8.2.2 dac的主要参数的主要参数1 1、静态参数（、静态参数（误差参数误差参数）dac稳态工作时，输出实际值（稳态工作时，输出实际值（v，i）偏离理想值大小程度。偏离理想值大小程度。 误差表示方法：误差表示方法：dac的主要参数的主要参数 1lsb单位表示（单位表示（如如1lsb、lsb/2） 以以%fsr表示（表示（即即fsr的百分之一的百分之一）。）。 以以ppm表示表示即即fsr的百万分之一为单位表示。的百万分之一为单位表示。 以输出的实际误差表示（以输出的实际误差表示

8、（mv、v等等）例题：例题：某某dac数字位数字位n=12，fsr=10v。试。试用四种误差表示其最低位产生的误差。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：则最低位产生的误差如下：1lsb；0.0244%fsr；244ppm；2.44mv。409621212个数字位能表示的十进制数：个数字位能表示的十进制数：mv44. 24096v10最低位表示的模拟值为：最低位表示的模拟值为：2 2、转换误差、转换误差a)a) 零点（失调）误差零点（失调）误差 输入数字量输入数字量d d为为0 0，输出模拟量，输出模拟量a a不为零。不为零。b b）零点）零点( (失调失调) )温度系数温

9、度系数 漂移漂移4 43 32 21 1d dininoutouto o图图8.1.9 dac8.1.9 dac的零点和增益温度漂移的零点和增益温度漂移 单位温度变化时，单位温度变化时，dacdac输出零点产生的漂输出零点产生的漂移量。移量。c c）增益误差）增益误差 实际输出特性曲线斜率与理想输出特性曲实际输出特性曲线斜率与理想输出特性曲线斜率之比线斜率之比:a:a实际实际/a/a理想理想。 d d）增益温度系数）增益温度系数 漂移漂移4 43 32 21 1d dininoutouto o图图8.1.9 dac8.1.9 dac的零点和增益温度漂移的零点和增益温度漂移 指单位温度变化时，指

10、单位温度变化时，dacdac输出特性曲线斜输出特性曲线斜率的漂移量。用满量程的率的漂移量。用满量程的1010-6-6/ / 表示。表示。 e e）积分非线性）积分非线性 实际输出与理想输出特性曲线之间的差值。实际输出与理想输出特性曲线之间的差值。f f）微分线性误差）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任意两个相邻输入数据所对应的输出差值与1lsb1lsb之差，称为该点的微分线性误差之差，称为该点的微分线性误差(dle)(dle)。 积分非线性反映的是实际输出特性的积分非线性反映的是实际输出特性的整体线整体线性度性度，即与理想输出特性的偏离程度，即与理想输出特性的偏离程度; ;

11、 微分线性误差反映了线性误差在整个输出特微分线性误差反映了线性误差在整个输出特性中的性中的分布分布。 odinaout2lsb4lsbabc图图8.1.11 dac的微分线性误差的微分线性误差 下图中，下图中，a a、b b两点的微分线性误差为两点的微分线性误差为: : lsblsblsblsbdle1 211213g) g) 微分线性误差温度系数微分线性误差温度系数 单位温度变化所引起的单位温度变化所引起的dacdac微分线性误差的微分线性误差的变化量称为微分线性误差温度系数。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，该参数可用于估算在工作温度范围内，dacdac能

12、否保持单调性。能否保持单调性。 h) h) 单调性单调性 dac dac的单调性是指当输入数据单调增加时，输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。出电压或电流增加或不变。 若输入数据单调增加若输入数据单调增加1lsb1lsb时，输出电压或电时，输出电压或电流反而流反而减小减小，则该，则该dacdac的特性具有的特性具有非单调性非单调性。dacdac的非单调性是由于各位误差的累积超过了的非单调性是由于各位误差的累积超过了1lsb1lsb造成的造成的 。之间或之间或如果各点的线性误差均介于如果各点的线性误差均介于 lsb21微分线微分线性误差介于性误差介于 之间，则之间，则d

13、acdac的输出的输出具有单调性。具有单调性。 lsb例例: b b、c c两点的微分线性误差为两点的微分线性误差为： lsblsb lsblsbdle2112133不具有单调性。不具有单调性。 odinaout2lsb4lsbbc图图8.1.11 dac的微分线性误差的微分线性误差a3、dac的其它主要参数的其它主要参数 分辨率分辨率dac的的fsr被被2n分割所对应的模拟值。分割所对应的模拟值。n2fsr 分辨率：分辨率： 注意注意：在：在自动控制系统自动控制系统中使用的中使用的dacdac必须具必须具有单调性，否则可能使系统在有单调性，否则可能使系统在dacdac的非单调区间的非单调区间

14、内来回摆动，形成内来回摆动，形成振荡振荡，不能稳定工作。，不能稳定工作。 解解：分辨率为：分辨率为8 8位，也可表示为位，也可表示为 3813.92 1021 例例8.1.28.1.2 一个满量程电压为一个满量程电压为10v10v的的8 8位位dacdac，其，其分辨率是多少？分辨率是多少？ 稳定时间稳定时间t ts s输入数据变化时，输出模拟量变化到输入数据变化时，输出模拟量变化到新值新值规定误差（规定误差（lsb/2lsb/2）范围的时间。）范围的时间。lsb/2lsb/2（3） 动态误差（动态误差（突跳突跳）dac输出端两个稳态值过渡期间出现的输出端两个稳态值过渡期间出现的较大幅度窄脉冲

15、，称为突跳（较大幅度窄脉冲，称为突跳（错误输出错误输出）。）。dinvout突跳突跳原因：原因：内部内部模拟开关切换模拟开关切换时间不同步。时间不同步。消除突跳：消除突跳：在在dac输输出与负载间插入出与负载间插入s/h（将将降低系统速度降低系统速度）。）。dacs/houtrl四、典型四、典型dac芯片介绍芯片介绍8位并行位并行cmos dac。功耗低（约。功耗低（约20mw）、）、非线性误差小（非线性误差小（1/8lsb）；数据锁存器。）；数据锁存器。当当cs=wr=0时，输入数据时，输入数据写入锁存器写入锁存器；电源；电源vdd=+5v+15v。模拟输出。模拟输出vo=010v。 8.4

16、.1 dac的应用知识的应用知识一、一、dac芯片的选择芯片的选择原则：原则：综合考虑性能、成本、供货周期三综合考虑性能、成本、供货周期三个因素。个因素。1、给定分辨率确定、给定分辨率确定dac位数位数设设dac的满量程范围为的满量程范围为fsr，位数为，位数为n，则其分辨率为则其分辨率为fsr/2n。1fsrlg32. 31fsrlogn2分分辨辨率率分分辨辨率率标称位数标称位数8、10、12、16等等例：例：某某dac的的fsr=10v，要求分辨率不低于，要求分辨率不低于10mv，试确定其位数。（，试确定其位数。（理论分辨率理论分辨率实际分辨率实际分辨率）96. 911010000lg32

17、. 3n解：解：可选可选10位位2、dac接口特性的选择接口特性的选择输入接口：输入接口：数字量与逻辑电平匹配情况、编数字量与逻辑电平匹配情况、编码制式、输入方式（码制式、输入方式（串串/并并）等。）等。输出接口：输出接口：输出输出是电压（是电压（电流电流）；单（）；单（双双）极性；极性；参考电压参考电压vr取自内（取自内（外外）部等。）部等。3、dac转换速度的选择转换速度的选择根据具体应用系统要求确定合适的转换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）速度选择（满足指标要求即可）。二、二、dac的调整的调整单极性单极性dac双极性双极性dac输出电压输出电压0fs vr

18、(1-2-n)fsr/2fsr/2调整方法调整方法先调零点先调零点再调增益再调增益输入全输入全0时，调时，调整整vo=0。输入全输入全0时，调时，调整整vo=fsr/2 ；输入全输入全1时，调时，调整整vo=fs。输入全输入全1时，调时，调整整vo=fsr/2 。注意：注意：具体芯片调整电路参考相关资料！具体芯片调整电路参考相关资料！图图(a)：输入：输入全全0并调并调w1，使，使vo=5.0000v；再输入再输入全全1，调，调w2，使，使vo= 4.9976v。图图(b)：电路调整方法基本相同。：电路调整方法基本相同。 三、三、dac的功能扩展的功能扩展1、单极性、单极性dac扩展为双极性电

19、压输出扩展为双极性电压输出输入输入全全0vo=0输入输入全全1vo=vr(1-2-n)dn-1=1，其余，其余全全0vo=vr/2单极性工作单极性工作i1n0iinro2d2vv i1n0iinr2dr2vi若使中间电压为零，即得双极性输出电压。若使中间电压为零，即得双极性输出电压。双极性输出双极性输出ii=vr/2r抵消中间值电流抵消中间值电流r2v2dr2viri1n0iinrr单极性单极性tvo0-vr /2nr21v双极性双极性vot0vr/2n21r2vdn-1=1转换前后对比转换前后对比256128datavvrefout2256datav2d2vvrefi1n0iinref1out ad7524在输入偏移二进制码时的双极在输入偏移二进制码时的双极性工作原理图如下。性工作原理图如下。2、dac与微处理器的接口方法与微处理器的接口方法当当dac位数位数大于大于cpu数据总线宽