第九章DACADCZHAO

2019/12/19东北大学信息学院1第9章数/模和模/数转换9.1数/模转换器(DAC)把数字量转换为模拟量的过程称作数/模转换器，简称DAC（DigitaltoAnalogConverter）。9.2模/数转换器(ADC)将模拟量转换为数字量的过程称为模/数转换,简称A/D转换。实现A/D转换的电路被称之为模/数转换器，简称ADC(AnalogtoDigitalConverter)。9.3A/D转换器应用举例2019/12/19东北大学信息学院29.1数/模转换器(DAC)DAC的输入是数字信号。它可以是任何一种编码，常用的是二进制码。输入可以是正数，也可以是负数，通常是无符号的二进制数。如图为D/A转换框图。d0d1d2d3DACvODAC框图2019/12/19东北大学信息学院3DAC输出的模拟量与输入的数字量成正比。若比例系数为1，则4位DAC输入二进制数可以是0000～1111，输出模拟量的大小相应为0～15。DAC的输出有电流和电压之分。以电流输出为例。4位二进制数的展开式：A=a3×23+a2×22+a1×21+a0×20在比例系数为1的前提下，输出电流的表达式为：Iout=a3×23I0+a2×22I0+a1×21I0+a0×20I09.1数/模转换器(DAC)2019/12/19东北大学信息学院4如图示原理图。图中开关Si受数字量中第i位数控制，当ai=1时，Si闭合，而ai=0时，Si断开。电流源的值与二进制数的权值相同。这样，A=0001时，Iout=I0；A=0011时，Iout=3I0…。8I0S34I0S22I0S11I0S0IoutDAC转换原理图9.1数/模转换器(DAC)如何得到？2019/12/19东北大学信息学院59.1.1二进制权电阻DACS3S2S1S0+_ARFR21R22R23RVREFa3a2a1a0vo图9-1S3S2S1S02022233210o-二进制权电阻DAC原理图iIRVaRVaRVaRVai3REF02REF11REF20REF3I2222)2222(2001122333REFaaaaRV303REF22iiiaRV2019/12/19东北大学信息学院6n位权电阻DAC有：)22...22(200112n2n1n1n1nREFIaaaaRViFFoRiv10ii1REF22ninaRV10ii1REF22ninFaRRV2019/12/19东北大学信息学院79.1.2R-2R倒T型电阻网络DACiA↓iB↓iC↓i3i2i1i0VREFS3S2S1S0iFIR16RFvoRRR2R2R2R2R2RA-+iI11110000图9-2倒T型电阻网络DACABCDIR=VREFRRVIREFRRVi2REF3RVii42REF32RVii82REF21RVii162REF102019/12/19东北大学信息学院8由上述分析可写出图9-2各支路的电流为：0R1R2R3RIF16842aIaIaIaIii)2222(2001122334REFaaaaRV304REF22iiiaRV2019/12/19东北大学信息学院9对于n位权电阻DAC)22...22(200112n2n1n1nnREFIaaaaRVi10iinREF22niaRV10iinFREFFFO22niaRRVRiv2019/12/19东北大学信息学院10例9-1已知倒T型电阻网络DAC的RF=R，VREF=10V，试分别求出四位和八位DAC的最小(只有数字信号最低位为1)输出电压VOmin。2019/12/19东北大学信息学院11解：四位DAC的最小输出电压为：八位DAC的最小输出电压为：FFOminRivVRRaRRVni039.0121022810iinFREFFFOminRivVRRaRRVnin625.0121022410iiFREF2019/12/19东北大学信息学院12例9-2已知倒T型电阻网络DAC的RF=R，VREF=10V，试分别求出四位和八位DAC的最大(各位数字信号都为1)输出电压VOmax。2019/12/19东北大学信息学院13解：四位DAC的最大输出电压为：VRRaRRVRivni375.9)12(210224410iinFREFFFOmax八位DAC的最大输出电压为：VRRaRRVRivni96.9)12(210228810iinFREFFFOmax2019/12/19东北大学信息学院14例9-3已知倒T型电阻网络DAC的RF=2R，VREF=10V，试分别求出四位和八位DAC的最小输出电压VOmin。2019/12/19东北大学信息学院15解：四位DAC的最小输出电压为：VRRaRRVnin25.11221022410iiFREFFFOminRiv八位DAC的最小输出电压为：FFOminRivVRRaRRVnin078.01221022810iiFREF2019/12/19东北大学信息学院16结论比较上述三例，在VREF和RF相同条件下，位数越多，输出最小电压越小，输出最大电压越大；在VREF和位数相同条件下，RF越大，则输出电压越大。2019/12/19东北大学信息学院179.1.3DAC的主要技术指标⒈分辨率：DAC所能分辨的最小输出电压与满刻度输出电压之比。最小输出电压是指输入数字量只有最低有效位为1时的输出电压；最大输出电压是指输入数字量各位全为1时的输出电压。121n分辨率＝n越大，分辨率越小，在相同条件下输出的最小电压越小。2019/12/19东北大学信息学院189.1.3DAC的主要技术指标⒉转换误差转换误差常用满刻度FSR(FullScale)的百分数来表示。如AD7520的线性误差为0.05%FSR，即转换误差等于满刻度的万分之五。有时转换误差用最低有效位LSB(LeastSignificantBit)的倍数表示。2019/12/19东北大学信息学院19如DAC的转换误差等于1/2LSB，表示输出电压的绝对误差为最低有效位（LSB）为1时输出电压的一半。DAC产生误差的主要原因有：参考电压VREF的波动、运算放大器的零点漂移、电阻网络电阻值的偏差等。分辨率和转换误差共同决定了DAC的精度。要想DAC的精度高，不仅要选位数高的DAC，还要选用稳定度高的基准电压源和低漂移的运算放大器与其配合。9.1.3DAC的主要技术指标2019/12/19东北大学信息学院20⒊建立时间建立时间是指数字信号由全1变全0或由全0变全1时，模拟信号电压或电流达到稳态值所需要的时间。建立时间短说明DAC的转换速度快。9.1.3DAC的主要技术指标2019/12/19东北大学信息学院21例9-4若DAC的最大输出电压为10V，要想使转换误差在10mV以内，应选多少位DAC？解：要想转换误差在10mV以内，就必须能分辨出10mV电压。就是说分辨率必须小于根据分辨率可以表示DAC的精度这一结论，至少需要10位DAC，若考虑其它因素，需选12位DAC。9.1.3DAC的主要技术指标1000110101032019/12/19东北大学信息学院22DAC电路都做成集成电路供使用者选择。按DAC输出方式分为电流输出DAC和电压输出DAC。DAC的芯片型号繁多，常用的有并行输入的DAC0832、串行输入的AD7543等，下面介绍DAC0832。9.1.4集成DAC2019/12/19东北大学信息学院23⒈电路结构：DAC0832是美国国家半导体公司生产的电流输出型八位数/模转换电路，它也可以连成电压输出型。可以直接与微处理器相连而不需要加I/O接口。采用CMOS工艺制成的20脚双列直插式八位D/A转换器。其结构框图如图9-3(a)所示。9.1.4集成DAC2019/12/19东北大学信息学院24八位输入寄存器八位DAC寄存器八位DACDDDDQQQQ1314151645678121193102019121817DI7DI0(MSB)(LSB)ILECSWR1WR2XFERVREFIO2IO1RfbAGNDVCCDGND(a)结构框图1234567891011121314151617181920CSWR1WR2AGNDVCCDI3DI2DI1DI0DI4DI5DI6DI7IO2IO1VREFRfbDGNDILEXFERDAC0832(b)外引线排列图9-3DAC0832集成D/A转换器双缓冲方式2019/12/19东北大学信息学院25DAC0832采用T型电阻解码网络，用电流输出工作方式时，接成倒T型网络，如图9-4(a)所示。9.1.4集成DACR2R01R2R01R2R01R2R01R2R01R2R01R2R012R2R01VREFIO1IO2(MSB)(LSB)(a)电流型开关70ii8REFO122iaRVI)122(270ii88REFO2iaRVI2019/12/19东北大学信息学院269.1.4集成DAC用电压方式工作时，参考电压接到一个电流输出端(二进制原码接IO1端，反码接IO2端)，输出电压从原来的VREF端得到，如图9-4(b)所示。R2R01R2R01R2R01R2R01R2R01R2R01R2R012R2R01VOIO1IO2(MSB)(LSB)(b)电压型开关11VREF为了减小输出电阻，增加驱动能力，通常用运算放大器作缓冲。2019/12/19东北大学信息学院279.1.5D/A转换器应用举例⒈可编程增益控制放大器可编程增益控制放大器如图9-5所示。四线-十线译码器2R2RR2RR2RR2RR2RR98210-+AVOVIIiIfa10a9a3a2a1数据输入AD7520BCD数据输入a1=1：IO=21Iia2=1：IO=22Iia3=1：IO=23Iia4=1：IO=24Iia5=1：IO=25Iia6=1：IO=26Iia7=1：IO=27Iia8=1：IO=28Iia9=1：IO=29Iia10=1：IO=210Ii其中：Ii=Vi/R)2222(291821901010OfaaaaRVI)2222(1010992211OaaaaRVRVaaaaRVi1010992211O)2222(fiiIRVI1010992211iOV22221aaaaVVA1nV2A2019/12/19东北大学信息学院289.2模/数转换器(ADC)模/数(A/D)转换是把模拟电压或电流转换为与之成正比的数字量。一般A/D转换需经采样、保持、量化、编码四个步骤。其中采样和保持由采样保持电路完成，量化与编码在转换过程中同时完成。2019/12/19东北大学信息学院299.2.1几个基本概念⒈采样与保持采样就是按一定时间间隔采集模拟信号。由于A/D转换需要时间，所以采样得到的“样值”在A/D转换期间就不能改变，因此对采样得到的信号“样值”就需要保持一段时间，直到下一次采样。2019/12/19东北大学信息学院309.2.1几个基本概念⒈采样与保持CSvIvSvC(a)电路示意图vOvO0tvIvI0tvS(b)波形图2019/12/19东北大学信息学院31⒉采样定理采样定理：只有当采样频率大于模拟信号最高频率分量的2倍(fS2fmax)时，所采集的信号样值才能不失真地反映原来模拟信号的变化规律。因为任何一个模拟信号都可以看作是由若干个不同频率的正弦信号叠加而成，所以用图