任务4-1 DAC转换器的测试与分析

1、课程名称：电子技术与项目训练（数字电路）课程名称：电子技术与项目训练（数字电路）任务任务4-1: D/A转换器的测试与分析转换器的测试与分析决策决策实施实施计划计划评估评估检查检查资讯资讯 目标目标 版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组n AD7520AD7520组成组成D/AD/A转换器电路的测试转换器电路的测试n 相关测量误差分析相关测量误差分析工作任务决策决策实施实施计划计划评估评估检查检查资讯资讯 目标目标 版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组能力目标能力目标n能够理解能够理解D/AD/A转换器的基本原理及主要转换器的基本原理及主要技术指标技术指标n掌握掌握R-2RR-2R倒倒

2、T T形电阻网络形电阻网络DACDAC的电路结的电路结构与工作原理构与工作原理n掌握集成掌握集成D/AD/A转换器转换器AD7520AD7520的电路结构的电路结构与基本应用与基本应用决策决策实施实施计划计划评估评估检查检查资讯资讯 目标目标 版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组知识目标知识目标nD/AD/A转换器的基本概念与原理转换器的基本概念与原理nD/AD/A转换器的主要技术指标、应用及相关误差转换器的主要技术指标、应用及相关误差分析知识分析知识nD/AD/A转换器转换器AD7520AD7520的基本功能及应用的基本功能及应用决策决策实施实施计划计划评估评估检查检查资讯资讯 目标目标

3、 版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组D/AD/A转换器的测试与分析转换器的测试与分析模模/ /数转换器数转换器(ADC):(ADC):模拟信号转换成数字信号；模拟信号转换成数字信号；数数/ /模转换器模转换器(DAC):(DAC):数字信号转换成模拟信号；数字信号转换成模拟信号；ADCADC（Analog to Digital ConverterAnalog to Digital Converter）也称为）也称为A/DA/D转换器转换器DACDAC（Digital to Analog ConverterDigital to Analog Converter）也称为）也称为D/AD/A转

4、换器转换器电模拟量数字量数字量电模拟量非电量控制对象传感器ADC计算机DAC执行器图4-1 计算机自动控制系统典型结构图决策决策实施实施计划计划评估评估检查检查资讯资讯 目标目标 版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组数数/ /模转换器的基本工作原理模转换器的基本工作原理数数/ /模转换器基本功能要求：模转换器基本功能要求： 是将输入的二进制数字量转换成与该数字是将输入的二进制数字量转换成与该数字量成比例的以电压或电流形式输出的模拟量，量成比例的以电压或电流形式输出的模拟量，要求这种转换关系是线性的。要求这种转换关系是线性的。决策决策实施实施计划计划评估评估检查检查资讯资讯 目标目标 版权所

5、有：常信院电子技术与项目训练课程组数数/ /模转换器的基本工作原理模转换器的基本工作原理设设DACDAC输入的数字量为输入的数字量为n n位二进制数码位二进制数码D D（D=DD=Dn-1n-1D Dn-n-2 2DD0 0），），D Dn-1n-1为最高位为最高位MSBMSB（Most Most Significant BitSignificant Bit），），D D0 0为最低位为最低位LSBLSB（Least Least Significant BitSignificant Bit），则），则D D的数值可表示为的数值可表示为 （4-14-1）DACDAC电路的输出量电路的输出量uou

6、o应该是输入量应该是输入量D D成线性比例的成线性比例的模拟量，即模拟量，即 （4-24-2）式中式中K K为转换比例系数。为转换比例系数。120120222nnnnDDDD+120120(22)nnonnuKDK DDD2决策决策实施实施计划计划评估评估检查检查资讯资讯 目标目标 版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组数数/ /模转换器的基本工作原理模转换器的基本工作原理DACDAC的一般结构如上图，一般由数据锁存器、数的一般结构如上图，一般由数据锁存器、数字位控电子开关、电阻译码网络、放大器等组字位控电子开关、电阻译码网络、放大器等组成系数。成系数。数据锁存器数字位控电子开关电阻译码网络

7、放大器模拟量输出参考电压图4-2 DAC结构原理图Dn-1Dn-2D0Uo决策决策实施实施计划计划评估评估检查检查资讯资讯 目标目标 版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组R-2RR-2R倒倒T T形电阻网络形电阻网络DACDAC基本原理基本原理 如图中所示，如图中所示，UrefUref为基准电压，其中四个模拟开关为基准电压，其中四个模拟开关S3S3S0S0表示表示4 4位二进制数位二进制数D3D2D1D0D3D2D1D0，当某一位数，当某一位数Di=1Di=1，即表示，即表示SiSi接接1 1，这时相应电阻这时相应电阻2R2R接至运算放大器的反相输入端；当接至运算放大器的反相输入端；当Di

8、=0Di=0，即，即表示表示SiSi接接0 0，对应位的电阻，对应位的电阻2R2R接至运算放大器的同相输入端接至运算放大器的同相输入端（接地）。由于运算放大器的反相输入端为（接地）。由于运算放大器的反相输入端为“虚地虚地”，因此，因此不管输入代码为不管输入代码为0 0还是为还是为1 1，皆可看作接地，这样，各支路的，皆可看作接地，这样，各支路的电流便始终不变。电流便始终不变。 _+uoIo1D32RIrefR10I3UrefS3D22RR10I2S2D12RR10I1S12RR10I0S0D02R图4-3 R-2R倒T形电阻网络DAC结构图Io2决策决策实施实施计划计划评估评估检查检查资讯资讯

9、 目标目标 版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组R-2RR-2R倒倒T T形电阻网络形电阻网络DACDAC基本原理基本原理由参考电压源由参考电压源UrefUref输出的总电流输出的总电流IrefIref也始终不变，也始终不变，其值为其值为按分流原理，倒按分流原理，倒T T形电阻网络内形电阻网络内各支路电流分别为：各支路电流分别为：则流向运算放大器反相输入端的电流则流向运算放大器反相输入端的电流I I为：为：refrefUIR31122213304422222222refrefrefrefrefrefrefrefIUIRIUIRIUIRIUIR32103322110032104(2222 )

10、2refUIDIDIDIDIDDDDR决策决策实施实施计划计划评估评估检查检查资讯资讯 目标目标 版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组R-2RR-2R倒倒T T形电阻网络形电阻网络DACDAC基本原理基本原理DACDAC的输出电压的输出电压o o为：为：由上式可知，由上式可知，DACDAC输出电压与输入数字量的值成线输出电压与输入数字量的值成线性比例关系：性比例关系：其中：其中：uouo为输出电压值为输出电压值UrefUref为参考电压值为参考电压值 n n为为D/AD/A转换器的转换位数转换器的转换位数NnNn为输入的二进制值为输入的二进制值 120120(222 )2refnnonnn

11、UuIRDDD 2refonnUuN 决策决策实施实施计划计划评估评估检查检查资讯资讯 目标目标 版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组D/AD/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标分辨率分辨率: :是说明是说明DACDAC分辨最小输出电压的能力，通常用最小分辨最小输出电压的能力，通常用最小输出电压与最大输出电压的比值来表示，因此输出电压与最大输出电压的比值来表示，因此分辨率可表示为分辨率可表示为1010位位D/AD/A转换器的分辨率为转换器的分辨率为 D/A转换器的位数越多，分辨输出最小电压的能力越强转换器的位数越多，分辨输出最小电压的能力越强 121n1010.00097821决策

12、决策实施实施计划计划评估评估检查检查资讯资讯 目标目标 版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组D/AD/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标转换误差转换误差: :nD/AD/A转换器的转换误差是指实际的输出模拟电转换器的转换误差是指实际的输出模拟电压与理想情况下应有的输出电压之差。压与理想情况下应有的输出电压之差。n转换误差可以用满量程（转换误差可以用满量程（FSRFSR）电压的百分数）电压的百分数表示，也可以用最低数字的倍数表示。表示，也可以用最低数字的倍数表示。n转换误差为转换误差为0.2%FSR0.2%FSR，就表示转换误差与满量，就表示转换误差与满量程电压之比为程电压之比为0.

13、2%0.2%；而转换误差为；而转换误差为1/2LSB1/2LSB，就，就表示输出模拟电压转换误差等于只有最低位为表示输出模拟电压转换误差等于只有最低位为1 1时输出电压的时输出电压的1/21/2。 决策决策实施实施计划计划评估评估检查检查资讯资讯 目标目标 版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组D/AD/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标n转换误差是一个综合误差，它包含非线性误转换误差是一个综合误差，它包含非线性误差、比例系数误差和漂移误差等差、比例系数误差和漂移误差等 。n非线性误差是由电子开关导通时的电压降和非线性误差是由电子开关导通时的电压降和电阻网络的电阻值偏差产生的；电阻网

14、络的电阻值偏差产生的；n比例系数误差是由于参考电压源和比例电阻比例系数误差是由于参考电压源和比例电阻偏移引起的；偏移引起的；n漂移误差是由运算放大器零点漂移引起的漂移误差是由运算放大器零点漂移引起的n为了获得高精度的为了获得高精度的DACDAC，总单纯选用高分辨率，总单纯选用高分辨率的的DACDAC器件是不够的，还必须考虑采用高稳定器件是不够的，还必须考虑采用高稳定性的性的VrefVref和低漂移运算放大器等和低漂移运算放大器等 决策决策实施实施计划计划评估评估检查检查资讯资讯 目标目标 版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组D/AD/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标建立时间：建立

15、时间：n建立时间又称转换时间，它是指从数字信号建立时间又称转换时间，它是指从数字信号输入输入DACDAC起，到输出电流（或电压）达到稳定起，到输出电流（或电压）达到稳定值所需的时间。值所需的时间。n建立时间的长短决定了转换速度，建立时间建立时间的长短决定了转换速度，建立时间越短的越短的DACDAC越适应工作速度高的场合。越适应工作速度高的场合。n建立时间与输入数码变化的大小有关。通常建立时间与输入数码变化的大小有关。通常以输入数码由全以输入数码由全0 0变化为全变化为全1 1时，时，DACDAC输出达到输出达到稳定的时间作为建立时间。稳定的时间作为建立时间。n一般情况下，一般情况下，DACDA

16、C要求的精度越高，建立时间要求的精度越高，建立时间就越长。就越长。 决策决策实施实施计划计划评估评估检查检查资讯资讯 目标目标 版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组D/AD/A转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标温度系数：温度系数：n温度系数是指输出模拟电压随温度变化而产温度系数是指输出模拟电压随温度变化而产生的变化量。生的变化量。n一般用满量程输出条件下，温度每升高一般用满量程输出条件下，温度每升高11输输出电压变化的百分数作为温度系数。出电压变化的百分数作为温度系数。 此外，此外，DACDAC还有输入高低逻辑电平、输入电阻、还有输入高低逻辑电平、输入电阻、输出值范围、输出电阻、电源

17、电压和功率消耗输出值范围、输出电阻、电源电压和功率消耗等参数供使用时选择。等参数供使用时选择。 决策决策实施实施计划计划评估评估检查检查资讯资讯 目标目标 版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组D/AD/A转换器转换器AD7520AD7520的电路结构的电路结构D0D1D2D3D4D5D7D6D8D94567891110121316123GNDRfIo1Io21514Vref+VDD图4-4 AD7520符号图nAD7520是是10位数码位数码CMOS电流开关电流开关R-2R倒倒T形电阻网络形电阻网络D/A转换器转换器n双列直插式双列直插式16脚器件脚器件n内部内部T形电阻网络中形电阻网络中

18、R=10k，2R=20k，故，故Rf= 10k。n运算放大器不包含在内部，运算放大器不包含在内部，需要外接。需要外接。 决策决策实施实施计划计划评估评估检查检查资讯资讯 目标目标 版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组D/AD/A转换器转换器AD7520AD7520的电路结构的电路结构AD7520转换后的输出模拟电压转换后的输出模拟电压uo为为 （4-4）式中，式中，N10为为10位二进制数位二进制数D9D0所对所对应的十进制数。应的十进制数。当基准电源采用负电源当基准电源采用负电源-Vref时，则转换时，则转换后的输出模拟电压后的输出模拟电压uo全为正值。全为正值。 10102refoVu

19、N 决策决策实施实施计划计划评估评估检查检查资讯资讯 目标目标 版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组D/AD/A转换器转换器AD7520AD7520的电路应用的电路应用如图为如图为AD7520典型应用的电路原理图，采用典型应用的电路原理图，采用LF155作为其输出运算放大器，通过调整作为其输出运算放大器，通过调整三个可调电位器，可以调整三个可调电位器，可以调整“零点零点”及及“满量程值满量程值” 。D04D15D26D37D48D59D610D711D812D913Rf16Io11Io22Vref15+Vdd14GND3U1AD7520Rp325KV-4B15OUT6V+7NC8B11-2

20、+3U2LF155+12V-12VRp11KVoGND+12VRp225KGNDD0D1D2D3D4D5D6D7D8D9决策决策实施实施计划计划评估评估检查检查资讯资讯 目标目标 版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组D/AD/A转换器转换器AD7520AD7520的电路应用的电路应用n测试任务测试任务AD7520组成组成D/A转换器电路的测试转换器电路的测试相关测量误差分析相关测量误差分析n任务要求任务要求n按测试步骤完成按测试步骤完成AD7520组成组成D/A转换器电路的转换器电路的功能测试，并撰写测试报告（一组交一份）功能测试，并撰写测试报告（一组交一份）n测试器材测试器材测试设备：双

21、路可调电源、万用表、数字电测试设备：双路可调电源、万用表、数字电路实验箱路实验箱器件：器件：AD7520、LF155、1k可调电位器可调电位器1只、只、25k可调电位器可调电位器2只只决策决策实施实施计划计划评估评估检查检查资讯资讯 目标目标 版权所有：常信院电子技术与项目训练课程组D/AD/A转换器转换器AD7520AD7520的电路应用的电路应用n根据根据AD7510AD7510电路的技术文档，画出可以调整零电路的技术文档，画出可以调整零点、满量程输出电压值的电路原理图；点、满量程输出电压值的电路原理图；n调零：根据原理图，置调零：根据原理图，置D9D9D0D0为为“全全0”0”，调，调整可调位器整可调位器Rp3Rp3，使输出电压为，使输出电压为0V0V。n调满量程值：