第11章_AD和DA转换

1第十一章模数（A/D）和数模（D/A）转换11-1概述一．一个实时控制系统二．采样、量化和编码三．采样保持器11-2D/A转换器一．数/模转换器原理二．数/模转换器的主要性能指标三．几种数/模转换器11-3A/D转换一．模/数转换器原理二．典型的模/数转换器2第十一章模数（A/D）和数模（D/A）转换11-1概述一．一个实时控制系统二．采样、量化和编码三．采样保持器11-2D/A转换器一．数/模转换器原理二．数/模转换器的主要性能指标三．几种数/模转换器11-3A/D转换一．模/数转换器原理二．典型的模/数转换器3A/D与D/A转换的基本概念4包含A/D和D/A的实时控制系统5第十一章模数（A/D）和数模（D/A）转换11-1概述一．一个实时控制系统二．采样、量化和编码三．采样保持器11-2D/A转换器一．数/模转换器原理二．数/模转换器的主要性能指标三．几种数/模转换器11-3A/D转换一．模/数转换器原理二．典型的模/数转换器6采样过程7量化的例子8编码方式自然二进制码输入模拟量二进制小数输出数码FSR=+5VFSR=+10V01/16FSR2/16FSR3/16FSR0.00000.00010.00100.001100000001001000110.0000.3120.6250.9370.0000.6251.2501.875...15/16FSR0.111111114.6879.3759第十一章模数（A/D）和数模（D/A）转换11-1概述一．一个实时控制系统二．采样、量化和编码三．采样保持器11-2D/A转换器一．数/模转换器原理二．数/模转换器的主要性能指标三．几种数/模转换器11-3A/D转换一．模/数转换器原理二．典型的模/数转换器10采样过程11采样保持电路和输入输出波形最基本的采样保持器电路由模拟开关S、保持电容CH和缓冲放大器A组成完整的一般包括输入缓冲器、输出缓冲器、采样保持开关和控制逻辑、保持电容等12第十一章模数（A/D）和数模（D/A）转换11-1概述一．一个实时控制系统二．采样、量化和编码三．采样保持器11-2D/A转换器一．数/模转换器原理二．数/模转换器的主要性能指标三．几种数/模转换器11-3A/D转换一．模/数转换器原理二．典型的模/数转换器13基础知识：1.集成运算放大器•同相端:输入端信号与输出端同相，用+号表示；•反相端:输入端信号与输出端反相，用-号表示。+-VoI-I+V+V-V-V+开环放大倍数K=Vo14开环放大倍数非常大（105~107）输出Vo受电源电压限制，绝对值一般在15V以下两输入端的差值非常小，即:V+=V-(称虚短路)V-V+K=Vo•输入阻抗非常大输入端的电流非常小，即：I+=I-=0（称虚断路）•输出阻抗非常小输出端驱动能力大，带负载能力强。集成运算放大器的特点15RoIf+-VoViIiI-I+V+V-：若将运放的同相端接地，反相端输入信号Vi，如上图所示：由于运放要求输入Vi非常小，则输入点电位近似于地电位，可以看成输入端与地近似于短路，但又不是真的与地短路，因为输入端还有极小的电流存在。虚地:输入端电压近似为0，输入电流也近似为0，输入端电位近似于地电位的特殊情况虚地概念集成运算放大器16权电阻网络DACRVR4RVR8参考电压VR为权电阻支路提供权电流，各支路中电流的大小与权电阻成反比关系。流入相加点∑的总电流为：I0=d1I1+d2I2+d3I3+d4I4=d1+d2+d3+d4=2(d12-1+d22-2+d32-3+d42-4)RVR2RVRRVR17权电阻网络DAC由于流入运放的电流为0，则If=Io。又因为∑点虚地，所以运放的电压Vo=-If*Rf。设Rf=R/2，输入数字量d1d2d3d4=1000，VR=+5V，则输出电压Vo=-If*Rf=-*(1*1/2+0*1/4+0*1/8+0*1/16)*R/2=-1/2*VR=-2.5VRVR218所以，无论Si处于何种位置，与Si相连的2R电阻均接“地”（地或虚地）。图中S0～S3为模拟开关，由输入数码Di控制。当Di=1时，Si接运算放大器反相输入端（虚地），电流Ii流入求和电路。当Di=0时，Si将电阻2R接地。DDDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+AvoiΣf1682R2R+V2RRI4R4IREFI8II2R2RIRIII1622电路组成：4位模拟开关R-2R电阻网络运放求和电路基准电压VREF流经电阻2R的电流与开关位置无关，只取决于电阻2R在电阻网络中的位置。从每个节点向左看，等效电阻均为R。流过每个2R电阻的电流按2的正倍数递减倒T形电阻网络D/A变换器（4位）19输出电压与输入数值的关系基准电流I=VREF/R，输出电压：将输入数字量扩展到n位，则有：可简写为：VO=－KNB其中：)2222(13223140DDDDRViREF)2(2304iiiREFDRVfORiv)2(2304iiiREFfDVRR)]2([210iniinREFfODVRRvnREFfVRRK2)2(10iniiBDN20DDD(LSB)(MSB)SSSS00112233R+AvoiΣfI24I8I16IVREFD权电流型D/A变换器原理图电路组成：由一组恒流源替代R-2R电阻网络。各支路权电流的大小不受开关导通电阻和压降的影响，降低了对开关的要求，提高了变换精度。iiiffffODRIDDDDRIDIDIDIDIRRiv22)2222(2)16842(3040011223340123输出电压与输入数值的关系权电流型D/A变换器21DDDD(LSB)(MSB)SSSS33221100R+AvoiΣf+A1216II216II4I8IIIIIIIREFE3E2E1E0ECBBV2R2RR2RR2RRR2REE偏置偏置电流I=IREF=REFVR1TTTTTTr3210c1RREFVVR+VR—恒流源电路：多发射级晶体管，各发射极电流密度相同，使各VBE相同。各恒流源权电流精确。基准电流：负反馈虚地1RVIREFREF采用具有电流负反馈的BJT恒流源电路的权电流D/A转换器22VREF基准电压电阻网络+-RoVo数字量输入模拟开关运算放大器模拟量输出D/A转换器的基本电路形式I23第十一章模数（A/D）和数模（D/A）转换11-1概述一．一个实时控制系统二．采样、量化和编码三．采样保持器11-2D/A转换器一．数/模转换器原理二．数/模转换器的主要性能指标三．几种数/模转换器11-3A/D转换一．模/数转换器原理二．典型的模/数转换器24输入数字量码制自然二进制码双极性二进制码BCD码数据格式并行码串行码逻辑电平TTLCMOS或PMOS25输出模拟量多数是电流输出型，需要运放和反馈电阻构成的I/V转换电路将输出转换成电压26D/A转换器的主要技术参数分辨率转换精度线性误差建立时间转换速率27常用相对值（百分值）表示分辨率=△/满量程=△/(2n×△)=1/2n可直接用D/A转换器的位数表示如：8位D/A转换器的分辨率为8位。10位D/A转换器的分辨率为10位。分辨率指D/A转换器所能产生的最小模拟增量，是数字量最低有效位LSB所对应的模拟值△。28指模拟输出实际值与理想输出值之间的误差。用于衡量D/A转换器将数字量转换成模拟量时，所得模拟量的精确程度。数字量理想值实际值00h0-0.001V01h-0.039V-0.041V10h-5V-5.002VFFh-9.96V-9.968V转换精度包括非线性误差、比例系数误差、漂移误差等项误差。29输出电压000010100110001011101111|u|7/86/85/84/83/82/81/8数字输入O数字输入输出电压000010100110001011101111|u|7/86/85/84/83/82/81/8比例系数误差示意图漂移误差示意图30注意：精度与分辨率是两个不同的参数。精度取决于D/A转换器各个部件的制作误差,分辨率取决于D/A转换器的位数。31指从数字输入端发生变化(如从全“0”变为全“1”)到模拟输出达到稳定(即终值±1/2LSB)所需的时间。00HFFH一般为几十ns到几个μs例DAC0832为1μs+-Ro=RVoS7D72RI7RS6D62RI6RS1D12RI1RS0D02RI02RVREF=10VIiI=VREF/R0V-9.96V建立时间32D/A转换器接口电路按分辨率分：8位、10位、12位、14位、16位、18位、20位按建立时间分：低速、中速、高速和超高速型（100μs、1~100μs、50ns~100μs、50ns）按内部是否有数据输入寄存器分：带与不带数据输入寄存器按与微机系统的连接关系分：位数等于和大于微机系统数据总线两种情况33第十一章模数（A/D）和数模（D/A）转换11-1概述一．一个实时控制系统二．采样、量化和编码三．采样保持器11-2D/A转换器一．数/模转换器原理二．数/模转换器的主要性能指标三．几种数/模转换器11-3A/D转换一．模/数转换器原理二．典型的模/数转换器34集成D/A转换器芯片举例DAC0832--8bitD/A转换器DAC1210--12bitD/A转换器MAX5013--新产品12bit高速D/A转换器35DAC0832D/A转换器36DAC0832内部结构及引脚8位输入寄存器8位DAC寄存器8位D/A转换器VREFIOUT2RFBAGNDVCCDGNDDI7~DI0CSWR1WR2XFERILELELEIOUT1&&&RFB37DAC0832一般有三种工作方式：单缓冲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双缓冲方式两个寄存器均工作于受控锁存器状态直通方式两个寄存器均工作于直通状态38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。单缓冲工作方式39+-Voport数据线地址译码PC总线IOWA0~A9D0~D7+5VCSDAC0832DI0~DI7IOUT1IOUT2RFBXFERWR2WR1ILE输入寄存器工作于受控状态DAC寄存器工作于直通状态单缓冲工作方式40转换一个数据的程序段：MOVAL,data;取数字量MOVDX,portOUTDX,ALD/A转换IOUT2DI7~DI0LEIOUT1LECSWR1ILE&WR2XFER&输入寄存RFB-+VoIOWA9~A0D7~D0+5VPC总线port地址译码DAC寄存单缓冲工作方式41port数据线地址译码PC总线IOWA0~A9D0~D7+5VXFERDAC0832DI0~DI7+-VoIOUT1IOUT2RFBCSWR1WR2ILE输入寄存器工作于直通状态DAC寄存器工作于受控状态单缓冲工作方式42转换一个数据的程序段：MOVAL,data;取数字量MOVDX,portOUTDX,ALIOUT2DI7~DI0LECSWR1ILE&输入寄存VoD7~D0+5VPC总线portWR2IOWA9~A0XFERD/A转换LEIOUT1RFB-+DAC寄存地址译码&单缓冲工作方式43[例]产生一个锯齿电压。MOVDX，PORTA；PORTA为D/A端口号MOVAL，0FFH；初值为0FFHROTATE：INCALOUTDX，AL；往D/A输出数据JMPROTATE44[例]利用延迟子程序控制锯齿波周期。MOVDX，PORTA；PORTA为D/A端口号MOVAL，0FFH；初值为0FFHROTATE：DECALOUTDX，AL；往D/A输出数据MOVCX，DATACALLDELAYJMPROTATE……DELAY：LOOPDELAYRET454V0VVottVo4V0V不是锯齿波46DAC0832PC总线数据线WR1I