【第七章】数／模转换器.ppt

1、,7.1 D/A转换器的分类和组成,7.2 D/A转换器的主要技术指标,7.3 并行D/A转换器,第7章 数/模转换器,7.4 单片集成D/A转换器,7.5 D/A转换器接口的隔离,7.6 D/A转换器与微机的接口,7.1 D/A转换器的分类和组成,数/模转换器：一种将数字量转换成模拟量的器件，简称D/A转换器或DAC。,作用：是数字控制系统中的关键器件，用来把微处理器输出的数字信号转换为电压或电流等模拟信号，并送入执行机构进行控制和调节。,D/A转换的基本原理,要将数字量D转换为模拟量A，需要一个模拟参考量R ，使得A = DR。若maxA=R，则0D1，即数字量D是一个不大于1的n进制数。

2、自然，这里的D是二进制数：,D = a121 + a222 + + an2n , ai(0, 1),7.1 D/A转换器的分类和组成,D/A转换的基本原理,注意，A虽是模拟量，但并不能取任意值，而只能根据输入量D得到某些特定值.。,LSB,D/A转换特性,MSB,7.1 D/A转换器的分类和组成,D/A转换器的分类：,并行D/A转换器：转换器的位数与输入数码的位数相同，对应数码的每一位都有输入端。 串行D/A转换器：只有一个输入端，数码一位一位依次串行输入。,7.1 D/A转换器的分类和组成,并行D/A转换器,电阻网络将基准电压转变为相应的电流或电压，在运算放大器输入端进行总加。,其中，ai是

3、1还是0取决于输入数字量第i位上的逻辑。,并行D/A转换器的特点：转换速度很快，只要在输入端加入数字信号，输出端立即有相应的模拟电压输出。,7.1 D/A转换器的分类和组成,D/A转换器的基本组成,电阻网络,基准电源,转换器的精度直接与电阻的精度有关。 在某些D/A转换网络中，转换精度只决定于电阻的比值，与电阻的绝对值关系不大。,基准电源的精度直接影响D/A转换器的精度。 如果要求D/A转换器的精确到满量程的0.05%，则基准电源精度至少要满足 0.01%的要求。 基准电源要求噪声低、纹波小、内阻低。有时还要求有一定的负载能力。,7.1 D/A转换器的分类和组成,D/A转换器的基本组成,模拟切

4、换开关,运算放大器,要求断开时电阻无限大，导通时电阻非常小，即要求很高的电阻断通比值。 力求减小开关的饱和压降、泄漏电流以及导通电阻对网络输出电压的影响。,运算放大器的作用：一个是对网络中各支路电流进行求和；另一个是为D/A转换器提供一个阻抗低、负载能力强的输出。 如果要求D/A转换器精确到满量程的0.05%， 则要求运放本身的电压输出至少稳定在满量程的 0.01%以内。,7.2 D/A转换器的主要技术指标,1. 分辨率,分辨率：最小输出电压与最大输出电压之比。,D/A转换器的分辨率与位数有关。位数越多，分辨率就越高。,7.2 D/A转换器的主要技术指标,2. 精度,绝对精度：输入满量程数字量

5、时，D/A转换器实际输出值与理论输出值之差。 相对精度：绝对精度与额定满量程输出值的比值。,绝对精度一般应小于LSB/2。,相对精度表示方法：,用偏差多少LSB来表示； 用该偏差相对满量程的百分数来表示。,7.2 D/A转换器的主要技术指标,3. 线性误差,线性误差：D/A转换器的转换特性曲线与理想特性之间的最大偏差。,理想转换特性是在零点及满量程校准以后建立的。,通常要求线性误差小于LSB/2。 线性误差是温度的函数。,7.2 D/A转换器的主要技术指标,4. 建立时间,建立时间：D/A转换器的输入数码满量程变化时，其输出模拟量稳定到最终值LSB/2范围所需的时间。,建立时间反映D/A转换从

6、一个稳态值向另一个稳态值过渡的时间长短。 根据建立时间，可以计算出D/A转换器每秒最大的转换次数。,7.2 D/A转换器的主要技术指标,4. 建立时间,建立时间：D/A转换器的输入数码满量程变化时，其输出模拟量稳定到最终值LSB/2范围所需的时间。,建立时间的长短取决于所采用的电路和使用的元件。不同型号的D/A转换器，其建立时间一般从几十纳秒至几微秒。 输出形式若是电流，建立时间很短，输出形式若是电压，建立时间主要取决于运算放大器的响应时间。,7.2 D/A转换器的主要技术指标,5. 单调性,单调性：D/A当输入数码增加时，D/A转换器的输出模拟量也增加或至少保持不变。,6. 温度系数,温度系

7、数：D/A在满量程输出条件下，温度每升高1，输出变化的百分数。,由于温度的变化，而引起的增益、线性度、零点及偏移等参数的变化量分别称为增益温度系数、线性度温度系数、零点温度系数、偏移温度系数。,7.2 D/A转换器的主要技术指标,7. 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。,8. 输出电平,不同型号的D/A转换器输出电平相差较大，一般为5V10V，有的高达24V30V。还有电流输出型的D/A转换器，输出低的为几mA几十mA，高的可达3A。,9. 输入代码,有二进制、BCD码、偏移二进制码、二进制补码等。,7.2 D/A转换器的主要技术指标,10. 输入数字电

8、平,输入数字电平：输入数码分别为“1”和“0”时，所对应的输入高低电平的数码数值。,例如，AD7541的输入数字电平：UIH2.4V，UIL0.8V,11. 工作温度,由于工作温度会对运算放大器和加权电阻网络等产生影响，所以只有在一定的温度范围内，才能保证额定精度指标。,较好的转换器工作温度范围在-4085之间，较差的转换器的工作温度范围在070之间。,7.3 并行D/A转换器,1. 权电阻D/A转换器,先把输入的数字量转换为对应的模拟电流量，然后再把模拟电流转换为模拟电压输出。,模拟电子开关受二进制数字量各位状态的控制，当相应的二进制位为“0”时，开关接地；为“1”时，开关接基准电压UREF

9、。 权电阻的电阻值与对应位的权成反比。位权越大电阻值越小，开关接通基准电压时，通过电阻的电流就越大，以保证一定权的数字信号产生相应的模拟电流。,7.3 并行D/A转换器,1. 权电阻D/A转换器,相应支路的电流：,总的电流：,输出电压：令 RF = R/2n,7.3 并行D/A转换器,1. 权电阻D/A转换器,当输入数码D=0时， UO=0 当输入数码D=1111时， UO=-(2n-1)UREF/2n,缺陷：权电阻网络中各个电阻的阻值相差太大，而为了保证输出电压的精度，又要求电阻值很精确，这给制造芯片带来可困难。,7.3 并行D/A转换器,2. T型电阻D/A转换器,T型电阻网络是由相同的电

10、路环节所组成，每一环节有两个电阻和一个模拟电子开关，相当于二进制的一位，开关由该位的数字代码控制。,开关在运算放大器电流求和点虚地与地之间进行切换，切换时开关端点的电压几乎没有变化。各支路2R电阻下端电位始终是地电位。,7.3 并行D/A转换器,2. T型电阻D/A转换器,以III，II，I为界面向右看的等效电阻阻值均为R。,7.3 并行D/A转换器,2. T型电阻D/A转换器,UREF,RF,UO,+,_,A,K0,2R,K1,R,K2,K3,2-1a1,2-2a2,2-3a3,2-4a4,2R,2R,2R,2R,R,R,当某位二进制数为“1”时，该支路电流流入放大器的虚地端，所以流入求和放

11、大器的总电流为：,RF=R,7.3 并行D/A转换器,2. T型电阻D/A转换器,UREF,RF,UO,+,_,A,K0,2R,K1,R,K2,K3,2-1a1,2-2a2,2-3a3,2-4a4,2R,2R,2R,2R,R,R,对于n位的T型网络，则输出模拟电压为：,输出的模拟电压正比于输入的数字量。,T型电阻D/A转换器的突出特点：,开关切换时开关端点的电压几乎没有变化，从根本上消除尖峰脉冲的产生； 不论输入数字量的各位是“0”还是“1”，对应支路电流的大小不变，进一步提高了转换速度。是目前D/A转换器中速度最快的一种。,7.3 并行D/A转换器,3. 具有双极性输出的D/A转换器,在实际

12、应用中，有些场合需要D/A转换器输出电压是双极性的。,输入数码是偏移二进制码或补码。,偏移二进制码、补码输入时所要求的输出电压,偏移二进制码与补码只在符号位相反。,7.3 并行D/A转换器,3. 具有双极性输出的D/A转换器,K0,20R,K1,21R,K2,22R,K3,23R,2-1a1,2-2a2,2-3a3,2-4a4,UREF,R/2,UO,+,_,A,四位权电阻D/A转换器工作原理,具有双极性输出的D/A转换器,偏移电压UF与电阻RF需满足：,如果输入是偏移二进制码，则右边电路即可实现双极性输出； 如果输入是补码，则只要将符号位a1经过一级反相器再输入即可。或者由计算机用程序取反。

13、,7.4 单片集成D/A转换器,D/A转换器芯片的分类,按照转换速度分：高、中、低 按照位数分：8位，10，12位，14位，16位， 按照输入形式分：并行输入、串行输入 按照包含模块的多少分：,只含电阻网络和模拟开关； 包含电阻网络、模拟开关和基准电源； 包含电阻网络、模拟开关、基准电源和运算放大器。,7.4 单片集成D/A转换器,1. DAC0832,特点：,8分辨率的D/A转换集成芯片； 具有两个输入数据寄存器，与微处理器完全兼容； 芯片内有T型电阻网络； 价格低廉、接口简单、转换控制容易 ； 电流稳定时间1us，属于中速； 可单缓冲、双缓冲或直接数字输入； 只需在满量程下调整其线性度；

14、单一电源供电（+5V+15V）； 低功耗，20mW。,7.4 单片集成D/A转换器,1. DAC0832,DAC0832结构框图,DAC0832中有两级锁存器，第一级锁存器称为输入寄存器，它的锁存信号为ILE； 第二级锁存器称为DAC寄存器，它的锁存信号为传输控制信号XFER。 因为有两级锁存器，因此可以工作在双缓冲器方式，即在输出模拟信号的同时采集下一个数字量，这样能有效地提高转换速度。 此外，两级锁存器还可以在多个D/A转换器同时工作时，利用第二级锁存信号来实现多个转换器同步输出。,7.4 单片集成D/A转换器,1. DAC0832,DAC0832结构框图,8位D/A转换器主要由R，2R组

15、成的T型电阻网络和模拟切换开关组成，并且芯片内集成了一个求和反馈电阻R。 芯片的输出是电流形式，需要外接一个运算放大器，将电流转化为电压：,7.4 单片集成D/A转换器,1. DAC0832,DAC0832结构框图,VCC：芯片电源电压, +5V+15V VREF：参考电压, -10V+10V RFB：反馈电阻引出端, 此端可接运算放大器输出端 AGND：模拟信号地 DGND：数字信号地 DI7 DI0：数字量输入信号 ILE：输入锁存允许信号, 高电平有效 CS：片选信号, 低电平有效 WR1：写信号1，低电平有效,7.4 单片集成D/A转换器,1. DAC0832,DAC0832结构框图,

16、XFER：控制转移信号, 低电平有效 WR2：写信号2，低电平有效 IOUT1：模拟电流输出端1 当输入数字为全“1”时，输出电流最大，约为： 全“0”时，输出电流为0。 IOUT2：模拟电流输出端2,7.4 单片集成D/A转换器,1. DAC0832,DAC0832的典型接线方式,ILE接逻辑“1”,7.4 单片集成D/A转换器,1. DAC0832,DAC0832的典型接线方式,7.4 单片集成D/A转换器,1. DAC0832,DAC0832的典型接线方式,双极性输出,7.4 单片集成D/A转换器,1. DAC0832,DAC0832的典型接线方式,程控放大器,7.4 单片集成D/A转换

17、器,1. DAC0832,DAC0832与微机的连接,1)单缓冲工作方式 一个寄存器工作于直通状态， 另一个工作于受控锁存器状态 2)双缓冲工作方式 两个寄存器均工作于受控锁存器状态， 3)直通工作方式,在不要求多相D/A同时输出时，可以采用单缓冲方式，此时只需一次写操作，就开始转换，可以提高D/A的数据吞吐量。,当要求多个模拟量同时输出时，可采用双重缓冲方式。,7.4 单片集成D/A转换器,1. DAC0832,DAC0832与微机的连接,1)单缓冲工作方式,输入寄存器工作于受控状态 DAC寄存器工作于直通状态,7.4 单片集成D/A转换器,1. DAC0832,DAC0832与微机的连接,

18、1)单缓冲工作方式,输入寄存器工作于直通状态 DAC寄存器工作于受控状态,7.4 单片集成D/A转换器,1. DAC0832,DAC0832与微机的连接,1)单缓冲工作方式,;转换一个数据的程序段： MOV AL, data ;取数字量 MOV DX, port OUT DX, AL,code SEGMENT ASSUME CS:code start:MOV CX, 8000H ;波形个数 MOV AL, 0 ;锯齿谷值 next: MOV DX, port ;打开锁存 OUT DX, AL CALL delay ;控制锯齿波的周期 INC AL ;修改输出值 CMP AL, 0CEH ;比较

19、是否到锯齿峰值，0CEH对应4V JNZ next ;未到跳转 MOV AL, 0 ;重置锯齿谷值 LOOP next ;输出个数未到跳转 MOV AH, 4CH ;返回DOS INT 21H ;子程delay （略） code ENDS END start,例子：利用上页连线图，编程输出一幅度为4V的锯齿波。参考电压为-5V。,实际输出的波形图,7.4 单片集成D/A转换器,1. DAC0832,DAC0832与微机的连接,2)双缓冲工作方式,输入寄存器工作于受控状态 DAC寄存器工作于受控状态,7.4 单片集成D/A转换器,1. DAC0832,DAC0832与微机的连接,2)双缓冲工作方

20、式,输入寄存器工作于受控状态 DAC寄存器工作于受控状态,7.4 单片集成D/A转换器,1. DAC0832,DAC0832与微机的连接,2)双缓冲工作方式,当要求多个模拟量同时输出时，可采用双重缓冲方式。,code SEGMENT ASSUME CS: code, DS:code datav1 DB 11h, 12h, 13h, 14h, 15h, 16h, 17h, 18h, 19h, 1Ah datav2 DB 21h, 22h, 23h, 24h, 25h, 26h, 27h, 28h, 29h, 2Ah start: MOV AX, code MOV DS, AX LEA SI, d

21、ata_v1 LEA BX, data_v2 MOV CX, 10 next:MOV AL, SI ;取V1的数据 OUT port1, AL ;打开第一片0832第一级锁存 MOV AL, BX ;取V2的数据 OUT port2, AL ;打开第二片0832第一级锁存 OUT port3, AL ;打开两片0832的第二级锁存 INC SI INC BX LOOP next MOV AH, 4CH INT 21H codeENDS ENDstart,例子：利用上页的接线方式，将datav1和datav2处的两组数据，一一对应转换成模拟量同时输出。,7.4 单片集成D/A转换器,2. DAC

22、1210,特点：,12位分辨率的D/A转换集成芯片； 具有三个独立寻址的寄存器组成两级缓冲器； 芯片内有T型电阻网络； 电流稳定时间1us，属于中速； 单一电源供电（+5V+15V）； 低功耗，20mW。,和DAC0832类似。,7.4 单片集成D/A转换器,2. DAC1210,DAC1210的架构框图,三个独立寻址的寄存器组成两级缓冲器。 第一级为8位输入寄存器和4位输入寄存器组成，可直接从8位或12位数据总线取数。 第二级为12位并行D/A寄存器。,7.4 单片集成D/A转换器,2. DAC1210,DAC1210的架构框图,LE1端由CS，WR1, BYTE1/BYTE2控制。 LE2端由CS，WR1 控制。 LE3端由WR2和XFER控制。 当BYTE1/BYTE2为高电平时，12位数据同时存入第一级的两个输入寄存器。反之，当该信号为低电平时，只将低4位数据存入4位输入寄存器。,7.4 单片集成D/A转换器,2. DAC1210,DAC1210的典型接线方式,与微机的16位总线连接,7.4 单片集成D/A转换器,2. DAC1210,DAC1210的典型接线方式,与微机的16位总线连接,7.4 单片集成D/A转换器,2. DAC1210,DAC1210的典型接线方式,与微机的8位总线连接