第12章数模和模数转换器.ppt

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1、第二篇第二篇第二篇第二篇第二篇第二篇第第2页页第第2页页 数数/模转换器中的文字模转换器中的文字D代表数字量，代表数字量，A代表模拟代表模拟量，转换器用量，转换器用C表示。表示。DAC电路的作用是将输入的数字量转换成与输入电路的作用是将输入的数字量转换成与输入数字量成正比输出模拟量。数字量成正比输出模拟量。DAC是将输入的二进制数字是将输入的二进制数字信号转换成模拟信号，以电压或电流的形式输出。因此信号转换成模拟信号，以电压或电流的形式输出。因此DAC可以看作是一个译码器。可以看作是一个译码器。第第2页页 D/A转换器的一般结构如下图所示，转换器的一般结构如下图所示，图中数据锁存图中数据锁存器

2、用来暂时存放输入的数字信号。器用来暂时存放输入的数字信号。n位锁存器的并行输位锁存器的并行输出分别控制出分别控制n个模拟开关的工作状态。通过模拟开关，个模拟开关的工作状态。通过模拟开关，将参考电压按权关系加到电阻解码网络。将参考电压按权关系加到电阻解码网络。第第2页页 对于有权码，先将每位代码按其权的大小转换成对于有权码，先将每位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后相加，即可得到与数字量成正比相应的模拟量，然后相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现数字的总模拟量，从而实现数字/模拟转换。模拟转换。当输入的数字量是由当输入的数字量是由n位位8421BCD码表示的数字信号：码表示的数

3、字信号：100011221122222niiinnnnxxxxxXDAC电路的输出模拟电压电路的输出模拟电压u0（或模拟电流（或模拟电流i0）为：）为：10002)(niiiiuiuxRRXRRiu）（或）（或或电流转换系数电流转换系数电压转换系数电压转换系数第第2页页01234567001010011100101110111vo/VD000DAC的转换特性曲线的转换特性曲线理想特性理想特性数字输入数字输入模拟输出模拟输出当当Ru（或（或Ri）为）为1、n时，根据上式可得时，根据上式可得DAC的转的转换特性曲线如下图所示。换特性曲线如下图所示。（1）分辨率：）分辨率：指最小输出电压（对应输入的

4、数字量最低位为指最小输出电压（对应输入的数字量最低位为1，其他位均为其他位均为0）与最大输出电压（对应输入的数字量各位全为）与最大输出电压（对应输入的数字量各位全为1）之）之比。比。121/mLSBnuu分辨率第第2页页121/mLSBnuu分辨率 由上式可看出，当由上式可看出，当um一定时，输入数字量的位数一定时，输入数字量的位数。（2）绝对精度（或绝对误差）和非线性度：）绝对精度（或绝对误差）和非线性度：是指输入端加对应满刻度数字量时，是指输入端加对应满刻度数字量时，DAC输出的实际输出的实际值与理论值之差。一般绝对误差应低于值与理论值之差。一般绝对误差应低于uLSB/2。在满刻度范围内，

5、偏离理想转换特性的最大值称为非线性误在满刻度范围内，偏离理想转换特性的最大值称为非线性误差。非线性误差与满刻度值之比称差。非线性误差与满刻度值之比称，常用百分比表示。，常用百分比表示。（3）建立时间：）建立时间：指输入变化后，输出值稳定到距最终输出量指输入变化后，输出值稳定到距最终输出量uLSB所需的时间。所需的时间。第第2页页Xn-1Xn-2X2X1X0Sn-1Sn-2 S2 S1 S0 In-1 In-2 I2 I1 I020R21R2n-3R2n-2R2n-1RIFRFu0n位二进制数字输入位二进制数字输入模拟电子开关模拟电子开关权电阻权电阻2R从最低位到最高位从最低位到最高位，每一个位

6、置上的电阻都是，每一个位置上的电阻都是相邻高位电阻值的相邻高位电阻值的2倍倍UR集成运放集成运放和权电阻网和权电阻网络构成一个加法电路络构成一个加法电路第第2页页Xn-1Xn-2X2X1X0Sn-1Sn-2 S2 S1 S0 In-1 In-2 I2 I1 I020R21R2n-3R2n-2R2n-1RIFRFu0第第2页页IF 电阻电阻2R和运算放大器构成一个加法电路，电路图和运算放大器构成一个加法电路，电路图中中S0Sn-1为模拟电子开关，其位置状态由输入数字量为模拟电子开关，其位置状态由输入数字量Xi 控制。控制。Xi=1时，电子开关向上闭合，与基准电压时，电子开关向上闭合，与基准电压U

7、R接通；当接通；当Xi=0时，电子开关向下闭合，与时，电子开关向下闭合，与“地地”相接相接。当当Xi=1时，时，Si接通，通过电阻上的电流接通，通过电阻上的电流Ii流向运算放流向运算放大器的反相输入端，即流入求和电路。大器的反相输入端，即流入求和电路。由于集成运放的反相输入端为由于集成运放的反相输入端为“虚地虚地”，因此相当，因此相当于权电阻于权电阻2R与与“地地”相接；相接；当当Xi=0时，时，Si将权电阻将权电阻2R直接与直接与“地地”相连；相连；所以，无论所以，无论Si处于何种位置，与处于何种位置，与Si相连的权电阻相连的权电阻2R总是与总是与“地地”相通。相通。第第2页页权电阻网络流入

8、集成运放的总电流为各开关支路电流之和：权电阻网络流入集成运放的总电流为各开关支路电流之和：上式反映了权电阻网络的电流转换特性，根据运算上式反映了权电阻网络的电流转换特性，根据运算放大器求和运算公式，可得出电路输出电压放大器求和运算公式，可得出电路输出电压u0为：为：XRRURiu1-nFRFF02XRUxRUxRUxRUxRUxRUiniii1-nR101-nR1-n0R2n1R12-nR01-nR2)2(22222。此时，电压转换系数为，则222RnR0FUXUuRR分析讨论分析讨论电流转换系数电流转换系数第第2页页例：例：在权电阻求和网络在权电阻求和网络DAC电路中，设基准电源电路中，设基

9、准电源UR=10V,反馈电阻反馈电阻RFR/2，输入二进制数，输入二进制数X的位数的位数n6，试求：，试求：解：解：（1）当最低位输入码由）当最低位输入码由0变为变为1时，输出电压时，输出电压u0的变化量为何值？的变化量为何值？（2）当）当X=110101时，输出电压时，输出电压u0为何值？为何值？（3）当）当X=111111时，输出电压值（最大满刻度电压）时，输出电压值（最大满刻度电压）u0？当最低位输入码由当最低位输入码由0变为变为1时，输出电压时，输出电压u0的变化量就是的变化量就是输入输入X=000001所对应的输出电压，其数值为：所对应的输出电压，其数值为：V156.022/)10(

10、)12(21601-nFR0RRRRUuV84.96364)10()12(266R0Uu当当X=110101时：时：V28.8)21212121(2)10(202456nR0XUu当当X=111111时：时：第第2页页图12.3 R2R倒T形电阻网络DACu0+_2R2R2R2R2R2Rxn1xn2x2x1x0Sn1Sn2 S2 S1 S0In1In2 I2 I1 I0RFR结点结点BR结点结点CR结点结点DR结点结点E结点结点AIFUR基准电压基准电压该网络虽然也是由电阻该网络虽然也是由电阻网络、电子开关、基准网络、电子开关、基准电压及运放组成，但其电压及运放组成，但其电阻网络与权电阻网络电

11、阻网络与权电阻网络完全不同。完全不同。第第2页页 倒倒T形电阻网络中有形电阻网络中有n个节点，由电阻构成梯形结个节点，由电阻构成梯形结构，从每个节点向左和向下看，每个支路的等效电阻构，从每个节点向左和向下看，每个支路的等效电阻均为均为2R。从基准电压源。从基准电压源UR中流出的电流由节点中流出的电流由节点A节节点点B节点节点E地的过程中，每经过一个节点，地的过程中，每经过一个节点，就产生就产生1/2的分流流入模拟电子开关，所以流入各模拟的分流流入模拟电子开关，所以流入各模拟电子开关的电流比例关系和二进制数各位的权所对应电子开关的电流比例关系和二进制数各位的权所对应的相同，流入运算放大器的电流和

12、输入数码的值呈线的相同，流入运算放大器的电流和输入数码的值呈线性关系，实现数性关系，实现数/模的转换。另外，无论输入数字信号模的转换。另外，无论输入数字信号是是“0”还是还是“1”，模拟电子开关的右边均为，模拟电子开关的右边均为“0”电位电位，所以电路在工作的过程中，流过电阻网络的电流大，所以电路在工作的过程中，流过电阻网络的电流大小始终不变。小始终不变。第第2页页R2R倒倒T形电阻网络形电阻网络DAC的输出电压为：的输出电压为：XUunR02当当RF=R时，输出电压为：时，输出电压为：XRRURiunFRFF02第第2页页 DAC0832是目前国内用得较普遍的数模转换器。它采用是目前国内用得

13、较普遍的数模转换器。它采用CMOS工艺制成的双列直插式单片工艺制成的双列直插式单片8位数模转换器，以电流形式输出。当位数模转换器，以电流形式输出。当转换为电压输出时，可外接运算放大器转换为电压输出时，可外接运算放大器。DAC0832由一由一个八位输入寄个八位输入寄存器、一个八存器、一个八位位DAC寄存器寄存器和一个八位和一个八位D/A转换器三大部转换器三大部分组成，分组成，D/A转转换器采用了倒换器采用了倒T型型R-2R电阻网电阻网络。络。第第2页页片选信号输入端片选信号输入端输入锁存允许信号端输入锁存允许信号端输入数据选通信号输入数据选通信号数据传送选通信号数据传送选通信号写信号写信号2基准

14、电源输入端基准电源输入端反馈电阻反馈电阻D为数字量输入端为数字量输入端电流输出端电流输出端1和和2电源电源515V输入端输入端模拟模拟“地地”数字数字“地地”当当DAC0832的控制端恒处于有效电平时，芯片为直通工作方式。的控制端恒处于有效电平时，芯片为直通工作方式。DAC0832中无运算放大器，且是电流输出，使用时须外接运算放中无运算放大器，且是电流输出，使用时须外接运算放大器。芯片中已设置了大器。芯片中已设置了RF，只要将，只要将 9 脚接到运算放大器的输出端脚接到运算放大器的输出端即可。若运算放大器增益不够，还须外加反馈电阻。即可。若运算放大器增益不够，还须外加反馈电阻。第第2页页讨论题

15、讨论题 绝对精度是指输入端给定数字绝对精度是指输入端给定数字量时，量时，DAC输出的实际值与理论输出的实际值与理论值之差；非线性指在满刻度范围值之差；非线性指在满刻度范围内，偏离理想转换特性的最大值内，偏离理想转换特性的最大值与满刻度之比；转换速度则是指与满刻度之比；转换速度则是指从数字量输入到模拟电压稳定输从数字量输入到模拟电压稳定输出之间所需要的时间出之间所需要的时间。什么是什么是DAC的绝的绝对精度、非线性对精度、非线性及转换速度？及转换速度？DAC0832数模转数模转换器是采用什么换器是采用什么制造工艺？制造工艺？DAC电路转换特电路转换特性的含义是什么？性的含义是什么？请写出其表达式

16、。请写出其表达式。DAC电路转换特性是指它能将电路转换特性是指它能将输入的数字量转换成与其成正比输入的数字量转换成与其成正比的模拟量。表达式为：的模拟量。表达式为：1000)2()()(niiiiuxRRiu已知某已知某DACDAC电路的最小分电路的最小分辨电压为辨电压为40mV，最大满，最大满刻度输出电压为刻度输出电压为1 10.2V,试试求该电路输入二进制数字求该电路输入二进制数字量的位数量的位数n=？.因为：因为：=所以：将已知数据代入所以：将已知数据代入公式可求得公式可求得n=8。uLSBum12n-1DAC0832数模转换器采用数模转换器采用的是的是CMOS工艺制成的双工艺制成的双列直插式单片列直插式单片8 8位数模转位数模转换器，以电流形式输出。换器，以电流形式输出。第第2页页第第2页页 A/D 转换器的作用就是将输入的模拟电压数字化。转转换器的作用就是将输入的模拟电压数字化。转换过程通过取样、保持、量化和编码四个步骤完成。换过程通过取样、保持、量化和编码四个步骤完成。CPSSADC取样保持电路ADC的量化编码电路.DDDn-110vI（t）vI（t）输入模拟电压取样展宽信